Мучения по поводу неровности поверхности проводника: Что влияет на Dk?

автор Берт Симонович (Bert Simonovich) |

Вы меня поймете, если у вас есть навязчивая идея – когда вы летите в шести милях высоты над Колорадо, любуетесь в иллюминатор на прекрасный вид, и все, о чем вы можете думать, - это как скалистые горы напоминают вам неровности поверхности проводника!

Ок, можете считать меня одержимым, но это на самом деле то, о чем я думал весь мой путь на выставку разработок Design-Con 2017 в Санта Клара, Калифорния. Те, кто знают меня лично, в курсе, что я занимался изучением практических методов моделирования неровностей поверхности проводника и их влияние на вносимые потери (IL). Я сделал несколько докладов по этой теме за последние пару лет. Это один из моих любимых проектов. В этом году на DesignCon я представил доклад под названием «Практический метод моделирования эффективной диэлектрической проницаемости и фазовой задержки из-за неровности поверхности проводника» [1]. Любой, кто занимается разработкой и производством печатных плат, знает, что одним из важнейших свойств диэлектрического материала является его относительная диэлектрическая проницаемость (εr), которую обычно называют диэлектрической постоянной (Dk). Но в реальности Dk совсем не постоянна. Она меняется в зависимости от частоты, как вы увидите далее.

Мы зачастую принимаем, что значения, указанные в документах производителя, это и есть свойства, присущие этому материалу. Но на самом деле, это эффективная диэлектрическая постоянная (Dkeff), сгенерированная особым методом тестирования. Если вы сравните имитационное моделирование и реальные измерения, вы часто можете видеть большой разрыв в Dkeff и IL из-за увеличенной задержки фазы, возникшей из-за неровности поверхности. Это всегда меня беспокоило. Долгое время и постоянно искал способы вывести Dkeff только из данных в документах. И это оказалось навязчивой идеей и мотивацией для моей недавней исследовательской работы.

Так как фазовая задержка, также известная как время задержки (TD), пропорциональна Dkeff материала, то моя теория заключалась в том, что профиль неровности поверхности уменьшает эффективное разделение между параллельными панелями, тем самым увеличивая силу электрического поля (е-поле), что в результате приводит к дополнительной емкости, которая объясняет увеличение эффективной диэлектрической постоянной и фазовой задержки.

Главной целью моего доклада было доказать эту теорию и показать практический метод моделирования Dkeff и TD из-за неровности поверхности. Ссылаясь на Закон Гаусса для заряженных параллельных панелей, я математически подтвердил через имитационное моделирование, как толщина диэлектрика и проницаемость взаимодействуют с е-полем и емкостью. Я также обнаружил, как 10-точечный средний (Rz) параметр неровности может быть применен для окончательной оценки эффективной диэлектрической постоянной из-за неровности. И наконец, я протестировал свой метод через анализ кейсов.

В своей книге «Руководство по проектированию линий передач» (“Transmission Line Design Handbook,”) Брайан Ваделл (Brian C. Wadell) определяет Dkeff как отношение реальной емкости структуры к ее емкости, когда диэлектрик заменяется воздухом [2].

Dkeff очень зависит от испытательного оборудования и условий, при которых она измеряется. Есть несколько методов, используемых в отрасли. Один такой метод, который широко используется многими поставщиками покрытий, называется метод тестирования с закрепленным полосковым резонатором. Он описывается в IPCTM-650, section 2.5.5.5, Rev C.[3].

Кратко, этот метод быстро тестирует материал диэлектрика на проницаемость и тангенс угла потерь в диапазоне частот Х-диапазона в 8-12.4 GHz, в производственной среде. Он не гарантирует точности значений для проектируемых приложений.

И вот почему:

Измерения делаются при условиях полосковой линии с использованием тщательно разработанной карты резонансного элемента, сделанной из того же самого диэлектрического материала, который должен тестироваться. Карта зажата между двумя листами чистого диэлектрического материала, подвергаемого тестированию. Вся структура затем зажимается между двумя большими панелями, выстланными медной фольгой, которая заземляется.

Так как карта резонансного элемента и тестируемый материал физически не связаны между собой, то существуют маленькие воздушные промежутки между различными слоями, которые влияют на результаты измерений. Эти воздушные промежутки возникают частично по следующим причинам:

  • Удаление медной фольги с тестируемого материла, оставляя оголенную подложку, в комплекте с микропористым отпечатком неровности меди.
  • Воздушный промежуток между картой резонансного элемента и тестируемым материалом из-за толщины фольги протравленного образца.
  • Неровный профиль меди на карте резонансного элемента и на креплении заземленных панелей с фольгой отличаются от того, который будет на практике, если только не используется тот же самый тип фольги.


Если параметры неровности Dkeff и Rz в данных производителя известны, то эффективная Dk из-за неровности (Dkeff_rough) производственного покрытия может быть легко рассчитана по формуле:

Формула 1
Где : Hsmooth – толщина диэлектрика из данных производителя
Rz - 10-точеная средняя неровность из данных производителя
Dkeff – диэлектрическая постоянная из данных производителя.

Рис. 2: Модель эффективной Dk из-за неровности. Использование Dkeff вместе с моделью неровной меди (слева) эквивалентно использованию Dkeff_rough с моделью ровной меди (справа).

Рис. 3: Измеренная против смоделированной Dkeff с использованием FR408HR данных для основы и препрега (слева) и использование Dkeff_rough (справа). Смоделировано с программным обеспечением Keysight EEsof EDA ADS.

Согласно Рис.2, использование Dkeff моделью неровной меди, что показано слева, эквивалентно использованию Dkeff_rough с моделью ровной меди, что показано справа. Следовательно, все, что вам нужно сделать, это использовать Dkeff_rough для расчета импеданса и любые другие числовые моделирования, основанные на неровности поверхности, вместо использования Dk, указанной в документах производителя.

Вот так все просто.

Например, один из кейсов, которые я представлял, использовал измерения CMP28 моделирующей платформы от Wild River Technology [4]. Печатная плата была произведена из материала FR408HR и фольги с обработанной обратной стороной (RTF). Программное обеспечение Keysight EEsof EDA ADS [5] использовалось для моделирования и симуляции. Результаты показаны на Рис.3.

Левый график на Рис.3 показывает результаты, когда использовались значения из данных производителя для основы и препрега. Измеренная Dkeff (красная) составила 3.761, по сравнению с смоделированной Dkeff (синяя) 3.626 при 10 GHz. Это дает дельту ~ 4%. Но когда для основы и препрега использовалась Dkeff_rough дельта была в пределах 1%.

Мой доклад более детально показывает, как была выведена Формула 1, основываясь на Законе Гаусса. В дополнение я показываю, как IL и фазовая задержка тоже улучшаются, когда используется Dkeff_rough вместо значений от производителя. Вы можете скачать «Практический метод моделирования эффективной диэлектрической проницаемости и фазовой задержки из-за неровности поверхности проводника» и другие статьи по моделированию потерь проводника из-за неровности поверхности на моем сайте.

Ссылки

1. “Transmission Line Design Handbook,” Brian C. Wadell.

2. IPC-TM-650, section 2.5.5.5, Rev C.

3. Wild River Technology.

4. Keysight EEsof EDA ADS.

Берт Симонович (Bert Simonovich) – инженер-электронщик. За 32-летнюю карьеру, работая в Bell Northern Research/Nortel в Оттаве, Канада, он помог внедрить в продукты несколько передовых технологий. После ухода из Nortel в 2009 году, он основал Lamsim Enterprises Inc., где он предлагает в качестве консультанта инновационных решения в сфере целостности сигнала и объединительных плат. Мы можете связаться с Бертом через его веб сайт Lamsimenterprises.com.

Источник: The PCB Design Magazine • March 2017

Назад