通过清除PCB接地层来恢复导體(tǐ)损耗

2022-04-15

通过清除PCB接地层来恢复导體(tǐ)损耗

高频下的受控阻抗路由已经很(hěn)困难了，确保在長(cháng)路由或有(yǒu)损介质中保持在损耗预算范围内非常重要。当您必须将長(cháng)走線(xiàn)或長(cháng)差分(fēn)对路由到连接器或其他(tā)组件时，如果您的损耗预算已接近尾声，该怎么办？

大多(duō)数设计师会告诉您，只要高速/高频互连上的损耗过大，就只使用(yòng)具有(yǒu)较低损耗角正切的替代低损耗/RF材料。如果在这些長(cháng)互连上出现损耗问题，您还能(néng)做什么？

您可(kě)以将一个技巧用(yòng)于5G设备/手机设计人员实施的微带線(xiàn)。这是一种被我描述為(wèi)跳过参考路由或只是跳过路由的技术。该名称指的是跳过互连负载端的参考层，从而修改微带走線(xiàn)周围的场分(fēn)布并降低总损耗。在本文(wén)中，我们将了解这种路由方法并解释它如何帮助恢复有(yǒu)损互连中的一些损耗预算。

什么是跳过路由？

跳过路由涉及在路由负载端為(wèi)微带传输線(xiàn)清除参考层中的一些接地。一旦信号进入具有(yǒu)离地间隙的區(qū)域，信号将经历较低的损耗。这是因為(wèi)将接地层从走線(xiàn)移开的行為(wèi)改变了微带传输線(xiàn)周围的场分(fēn)布。这样，只要将两个接地區(qū)域设置為(wèi)相同的電(diàn)位，传输線(xiàn)阻抗现在就以叠层中的下一个最近层為(wèi)参考。下图显示了这是如何工作的。

跳过路由到连接器的示例。仅明确指出了4层，但在指定的GND层之间的叠层内部可(kě)能(néng)还有(yǒu)其他(tā)层。

在清除目标组件下方區(qū)域的一些接地时，您现在必须调整表层微带走線(xiàn)的宽度，以便保持一致的阻抗。当走線(xiàn)进入有(yǒu)空地的區(qū)域时，需要在空地區(qū)域内加宽走線(xiàn)宽度，以使两个區(qū)域的阻抗相等。这允许您减少清除區(qū)域中的总插入损耗，而不会在这些區(qū)域之间的界面处产生新(xīn)的回波损耗。我在过渡區(qū)域包括了一个小(xiǎo)锥度，理(lǐ)想情况下它应该是電(diàn)短的（大约是射频信号工作波長(cháng)的 10%）。

使用(yòng)接地断路器减少导體(tǐ)损耗

信号所经历的损耗将取决于微带線(xiàn)周围的场線(xiàn)密度，但这并不一定是因為(wèi)损耗正切发生了变化。一旦最近的接地层在微带下方被清除并且走線(xiàn)以下一个接地层為(wèi)参考，就可(kě)以轻松地增加走線(xiàn)的宽度，因為(wèi)这将有(yǒu)助于走線(xiàn)达到其阻抗目标。

我们如何在不以某种方式改变损失正切的情况下在这条迹線(xiàn)上获得一些损失减少？答(dá)案在于导體(tǐ)中的集肤效应。通过加宽导體(tǐ)以确保清除接地區(qū)域的阻抗控制，将减少集肤效应损失。如果我们看一下具有(yǒu)矩形横截面的导體(tǐ)的集肤效应電(diàn)阻的近似公式，我们可(kě)以看到这一点：

具有(yǒu)矩形横截面（尺寸 T x W）的传输線(xiàn)的皮肤電(diàn)阻近似值。

由于这只是一个電(diàn)阻值，我们应该可(kě)以看到增加走線(xiàn)宽度（W）会增加横截面积，因此電(diàn)阻会降低。这有(yǒu)助于在走線(xiàn)宽度较大的區(qū)域恢复少量的電(diàn)阻和无功损耗。

共面而不是使用(yòng)接地切口

到目前為(wèi)止，我只讨论了当我们有(yǒu)常规微带線(xiàn)时会发生什么。如果您使用(yòng)接地共面波导进行设计会发生什么？不同之处在于，当走線(xiàn)到地的浇注间距较低时，共面波导的宽度与電(diàn)介质厚度比会更小(xiǎo)。但是，您还有(yǒu)另一个可(kě)以拉动的杠杆：走線(xiàn)与其附近地面之间的间距。

在这里，我们有(yǒu)另一个版本的跳过布線(xiàn)：我们改变共面波导和微带線(xiàn)的间距。如果您还记得一篇关于微带接地间隙的较早文(wén)章，您会注意到将接地倾倒在微带附近会降低其阻抗，这就是為(wèi)什么在相同的基板厚度下，我们可(kě)以在共面波导中使用(yòng)比微带更细的走線(xiàn)。

下面的示例显示了另一种方法，我们可(kě)以通过从狭窄的共面波导过渡到宽微带線(xiàn)来恢复一些损耗。如果您还记得我之前关于微带線(xiàn)与共面波导损耗的文(wén)章，您会注意到对于像ENIG这样的典型粗糙電(diàn)镀，共面迹線(xiàn)将具有(yǒu)更大的导體(tǐ)损耗。这（部分(fēn)）是由于粗糙镀层改变了微带線(xiàn)的损耗，这增加了趋肤效应的幅度。通过从共面線(xiàn)过渡到带锥度的微带線(xiàn)，微带線(xiàn)的损耗将低于共面部分(fēn)。

进行共面波导到微带过渡时的互连几何结构比较。在本例中，无需清除下一层的GND。

在这个例子中，我们没有(yǒu)清除下一层的任何地面。取而代之的是，我们只是清除了同一层上的接地，然后加宽了走線(xiàn)以保持阻抗，通过使用(yòng)浸银镀而不是ENIG以及将阻焊层从这些線(xiàn)上拉下作為(wèi)LPI焊料，可(kě)以减少一些额外的损耗面罩材料具有(yǒu)高损耗角正切。

有(yǒu)效的Dk怎么样？

当走線(xiàn)到接地层的距离增加时，场分(fēn)布会发生变化，因此走線(xiàn)上的信号所看到的有(yǒu)效Dk值也会发生变化。有(yǒu)人可(kě)能(néng)会问：有(yǒu)效Dk值会发生什么变化，它是否会改变互连沿線(xiàn)的总损耗？

虽然改变走線(xiàn)宽度确实会改变走線(xiàn)周围的场分(fēn)布，但它只会略微改变有(yǒu)效介電(diàn)常数。这是因為(wèi)受控阻抗所需的宽度与電(diàn)介质厚度比对于微带来说只是轻微的非線(xiàn)性，因此将電(diàn)介质厚度增加一倍需要将走線(xiàn)宽度几乎增加一倍才能(néng)达到相同的阻抗。这使您的微带線(xiàn)恢复到相同的有(yǒu)效Dk值。这应该可(kě)以解释為(wèi)什么不需要更改损耗角正切即可(kě)在互连中恢复一些损耗。