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28 de abril de 2011

Thin Laminados. Condensadores Puentes. Tendencia a utilizar laminas delgadas en el PCB

Tras el acalorado debate sobre la selección adecuada de los condensadores de puente, probablemente el siguiente tema más controvertido es de laminados finos.¿Son realmente beneficiosos? ¿Realmente los necesitamos?

Desde principios de la década de 1990 láminas finas han sido en su mayoría comercializan como capacitancia enterradas, muchas veces también lo que sugiere o al menos lo que implica que mediante el uso de láminas delgadas que pueden eliminar muchos de los condensadores de desacoplo de alta frecuencia en el tablero. ¿Es realmente posible? La respuesta está en las propiedades eléctricas de láminas delgadas.

Un par de conductores rectangulares hoja paralela, una relación potencia / par de la capa de tierra, separados por dieléctricos, como se muestra en la Figura 1, se crea la capacitancia estática.

Figura 1: Un par de capas de metal forma un condensador de placas paralelas.

El C la capacitancia, es proporcional a la constante dieléctrica del laminado(correo o e r ) y el área de los conductores ( * w l ) e inversamente proporcional al espesor del dieléctrico ( h ):

La constante dieléctrica del espacio libre, e 0 es 8,85 pF / m, y el e r constante dieléctrica relativa es de alrededor de 4 para muchos de nuestros PCB laminados. Si el enchufe en l, w y h en metros, tenemos la capacidad en faradios.

La expresión nos dice que el nombre de "capacidad enterrada" viene de: Un par de potencia / par de la capa de tierra nos da la capacidad enterrado en el stackup; tenemos más capacidad a medida que utilice diluyentes laminados y / o más constantes dieléctricas. Una pulgada cuadrada de energía del suelo par uno de los populares 50 um (2 milésimas de pulgada) de capacidad de laminado enterrados produce aproximadamente 450 pF de capacitancia. Si se duplica el grosor del dieléctrico, la capacitancia de baja por un factor de dos, si cortamos el grosor del dieléctrico a la mitad, la capacidad se duplica.

Una opción sencilla stackup, como se muestra en la Figura 2, nos da la oportunidad de aumentar la cantidad de capacitancia: Al colocar el poder y las capas de tierra al lado de otra, sin una capa de la señal en el medio, podemos colocar las capas plano mucho más cercano y tenemos más capacidad. Cuando tenemos una capa de la señal entre el poder y la tierra, la separación mínima está limitada por la forma en rastros estrecha podemos grabar de forma fiable. Cuanto más nos ponen los planos, las huellas más estrecho que se debe utilizar para mantener nuestro objetivo de impedancia.

Durante 50 ohmios huellas y asumiendo los materiales ordinarios y los procesos, la separación de plano a plano está limitado a aproximadamente 10 milésimas de pulgada (250 um) o más. Por el contrario, si se emparejan las capas de alimentación y de tierra, podemos poner las capas mucho más cerca, sólo limitada por el riesgo de cortocircuito debido a la rugosidad de la superficie finita. Tenga en cuenta que la figura 2 se muestra sólo una parte de un stackup de múltiples capas y en la definición de un stackup completo tenemos que tener en cuenta varios factores adicionales, tales como la simetría, la limitación de espesor de la placa, etc

Figura 2: Se puede obtener más capacidad estática entre los planos de alimentación y tierra, colocándolos uno junto al otro, sin una capa de la señal en el medio.

Así que si usamos láminas delgadas capas de tierra-el poder, ¿realmente podemos eliminar el bypass condensadores muchos en el foro? La respuesta es sí, pero no por la capacidad cada vez mayor de la lámina delgada, más bien debido a su menor inductancia. La Figura 3 muestra la impedancia medida en un tablero similar al que mostramos en las Figuras 2 y 3 de la columna anterior el Big Bang y la distribución de energía .

Figura 3: la magnitud de medición de la impedancia propia de un carril de la energía en un desnudo PCB con 2 millones de dieléctrico.

La escala vertical de la figura es dBohm. dBohm cero corresponde a un ohm, -20 dBohm se refiere a 0,1 ohmios, y así sucesivamente. En las frecuencias bajas de la curva muestra una pendiente hacia abajo recta; en una escala log-log, esto indica la capacitancia. Podemos calcular la capacidad estática, por ejemplo, desde el punto de frecuencia 60MHz, donde la magnitud de la impedancia es cero dBohm, o un ohmios. Este valor corresponde a cerca de 3FN capacitancia estática. En la curva de 200 MHz tiene un mínimo, seguido por una pendiente ascendente, que corresponde a la inductancia. Si por ahora descuidamos las resonancias pequeño (vamos a cubrir los de las columnas más adelante), podemos aproximar la curva con una línea media, que pasa por el valor dBohm cero a 1GHz. Esto corresponde a cerca de 150 pH inductancia.

La capacitancia 3 nF estático no es mucho en un carril de la energía: a menos que el circuito se alimenta de muy poco, por lo general necesita órdenes de magnitud más capacidad para mantener la impedancia por debajo de nuestro valor objetivo para las frecuencias bajas. El beneficio real de la eléctrica el laminado de estaño se debe a su baja inductancia. La inductancia de un par de avión es de aproximadamente L [pH] = 33 * h [millones], que produce 66 pH de nuestra separación plano de 2 millones en el ejemplo anterior. A diferencia de la capacidad estática del laminado, que se mantiene igual en todas partes en el avión, los cambios de inductancia con la ubicación. Es la más baja en el centro del plano y sube más bruscamente hacia los lados y bordes.

La impedancia de la Figura 3 se midió a una de las esquinas, lo que explica el valor del pH de la inductancia 150 (en lugar del valor de pH 66 espera del grueso de 2 mil). Esta inductancia, sin embargo, incluso en la esquina, es muy inferior a lo que podemos lograr con un capacitor de paso único. Por el contrario, la inductancia de un capacitor de paso solo es por lo general alrededor 1NH, al menos diez veces superior a la media de la inductancia de un par plano de 2 millones.

Ya se trate de un bypass discretos condensador o un par plano de la energía del suelo, se convierte en la impedancia inductiva por encima de la frecuencia de resonancia serie. A altas frecuencias lo único que importa es la inductancia, y laminados delgados crear inductancia muy bajo. Así, cuando se trata de finas láminas, piense en su inductancia en vez de su capacidad.

Referencias:

1. John R. Sisler, "Método de hacer múltiples capas de circuitos impresos," la patente de EE.UU. 5.010.641, 30 de abril de 1991.
2. James R. Howard y Gregory L. Lucas, "condensador laminado para su uso en capacitiva placas de circuitos impresos y los métodos de fabricación, la" patente de EE.UU. 5.079.069, 7 de enero de 1992.
3. Joel S. Peiffer, "La historia de la distribución de capacidad integrado," de Circuito Impreso Diseño y Fabricación de agosto de 2004, pp 32-37.
4. TecForum HP-TF2: "PCB delgada Laminados para distribución de energía suficiente. ¿Cómo es Thin Thin?" De febrero de 2002, DesignCon 2002.Disponible en www.electrical-integrity.com .

Dr. Istvan Novak es un distinguido ingeniero de Oracle, que trabajan en el poder y la integridad de los diseños de la señal de servidores de gama media y la tecnología de los nuevos desarrollos. Novak recibió su maestría en la Universidad Técnica de Budapest, Hungría y su doctorado grado de la Academia Húngara de Ciencias en 1976 y 1989, respectivamente. Con 25 patentes a su nombre, Novak es co-autor de " dominio de la frecuencia Caracterización de las redes de distribución de energía. " Para ponerte en contacto con Istvan, haga clic aquí .

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