Hur fungerar de, ibland, inbyggda verktygen för karaktäristisk impedans?

Transkript

1 - 1 -

2 - 2 -

3 Ska man egentligen använda formlerna? Hur blir det när man kommer utanför intervallerna? Är de tillräckligt bra för att klara mindre kritiska signaler? Hur fungerar de, ibland, inbyggda verktygen för karaktäristisk impedans? Hur fungerar en 2D field solver (eller en ännu mer avancerad 2.5D eller 3D field solver) i jämförelse? Är det värt att investera i någon sådan? Om man har en gammal programvara för impedansberäkning, som en gång var top-of-the line, duger den? Ska man inte alls använda dessa verktyg utan förlita sig på sin mönsterkortsleverantör? Är det någon vits att göra litegrann själv och sedan kontrollera, eller möjligen fintrimma, med hjälp av mönsterkortstillverkaren? - 3 -

4 Ovanstående har hörts på ett seminarium i High-Speed Design. Att båda citaten är korrekta är det nog ingen som argumenterar emot. Läser man mellan raderna är det ju helt klart att det är elektronikkonstruktören som ska göra impedansberäkningarna. Stämmer det? Blir det bästa resultatet då? Finns det något vi inte ser här? - 4 -

5 Bara det faktum att det finns fler sätt än ett att bestämma vilken metod som ska användas för att beräkna impedans, kan givetvis oroa. Om alla dessa ger samma resultat blir man förstås lugnare. Då kan man nästan vara säker på att det är riktigt, eller åtminstone att de siffror man stoppar in beräknas på samma sätt. Blir det verkligen samma resultat med formler, våra 3 olika CAD-verktyg och den cirka 15 år gamla Polarlicensen? Håller våra mönsterkortsleverantörer med om att det är rätt resultat, eller ger deras moderna, specialiserade, verktyg ett annat värde? - 5 -

6 Detta är formlerna för att räkna ut karaktäristisk impedans, såsom vi lärt oss dem i skolan eller så som vi lärt oss dem via Internet. Redan då nämndes att formlerna är approximationer som gäller under vissa villkor, och inom vissa intervaller. För den som inte precis lämnat civilingenjörsutbildningen, eller som ändå håller på med matematik, kan formlerna ovan kännas avskräckande. Tar man en i taget och tittar på dem och stoppar in siffrorna i Excel är det inte speciellt märkvärdigt att skapa ett eget beräkningsblad för de olika typerna. Det blir lite mer besvärligt när vi kommer till differentiell impedans senare, men de formler som finns är inte mycket svårare än ovanstående. De kräver bara att man räknat ut karaktäristisk impedans för respektive signalledare innan dessa paras ihop till en formel för differentiell impedans. Ska man använda mm eller tum (eller mils) i formlerna ovan? Det spelar ingen roll eftersom enheterna tar ut varandra och kvar blir enbart Ohm. Se dock till att det är samma enhet överallt, annars blir det givetvis fel! - 6 -

7 Det är relativt enkelt att hitta olika kortuppbyggnader och att hitta vilka material som används, eller kan användas. Tyvärr brukar enbart basmaterialets mått anges. Ett exempel är baskoppar på ytterlager. Denna anges ofta i Oz, vilket är en viktangivelse, precis som vi säger att vårt kopieringspapper är gram (underförstått per kvadratmeter). 1 Ounce (per kvadratfot, vad annars?) motsvarar 35 µm koppar, ½ Oz motsvarar 17,5 µm koppar. Tjockleken på baskoppar är dock relativt ointressant, eller i alla fall bara en liten del av sanningen. De allra flesta korten har genompläterade hål. Vanligen kräver man µm koppartjocklek på hålväggen. Denna pålagda koppar kommer givetvis inte bara hamna i hålen, utan över hela kortet. Man kan alltså räkna med att kopparskiktet blir omkring 25 µm tjockare än det var från början. Eller bara nästan, för det första man gör är att göra kopparytan helt ren så att vidhäftningen blir bra och detta minskar tjockleken med ett par µm. På samma sätt kommer innerlagrens koppar rengöras och tjockleken minskar där också

8 När man undersöker materialet hittar man också mått på hur tjocka såväl kärnor som prepreg är. Här kan man vara relativt säker på att kärnorna är formstabila. Detta är ju material som kommer från laminattillverkarna med kopparfolie på utsidan. När mönsterkortstillverkaren ska göra ditt kort, ett 6-lagerskort i exemplet ovan, kommer kortet bestå av två tunna dubbelsidiga kort. Dessa, tillsammans med kopparfolie på ytterlagren, kommer sedan limmas ihop med prepreg. Benämningen limmas är inte helt korrekt. Prepreg är i princip samma material som kärnorna. Skillnaden är att de bara är halvhärdade. Genom att utsätta kortet för en process under värme och vaccum, där man samtidigt pressar ihop materialet, kommer prepreget anta samma form som kärnorna. Hur mycket kommer respektive prepreg pressas ihop? Blir det någon skillnad om det är mycket eller lite koppar på lagren? Svaret är givetvis ja. Detta är något som mönsterkortstillverkaren har god koll på. I bilden ovan är H-måttet lika med tjockleken på kärnan. H1-måttet är beräknat som kärnan, plus koppartjockleken på ledningslagret, plus tjockleken på prepreglagret. Här finns en rejäl felkälla

9 Dum fråga kanske, man vill inte ha något av dem, men det är värt att fundera på den i alla fall. Man kan också fundera på hur mycket man kan tänka sig att investera i verktyg av den här typen. En ny Polar hamnar i prisklassen tusen. Känns det rimligt för 5 konstruktioner per år? Gör man 100 konstruktioner per år? Är det rimligt då? Om man investerar i ett dyrt, exakt, verktyg för att beräkna impedansen, har vi rätt siffror att stoppa in i det? - 9 -

10 Tycker man att formlerna är lite svåra att knappa in på miniräknaren varje gång, stoppa in matematiken i Excel (eller motsvarande)! Det går att spärra celler så att användaren bara kan modifiera det som ska modifieras och låta formlerna ligga på ett låst blad. Det går givetvis att låta användaren komma åt även formlerna och inte ha något skydd. Det går givetvis alldeles utmärkt att kombinera detta blad med lite grafik (bilder) som förklarar vilka dimensioner som ska skrivas in. Det går också att stoppa in favorittillverkarens material så att kortuppbyggnaden är känd från fall till fall. Vi kan nog komma överens om att det är lite besvärligt att räkna impedans med hjälp av en miniräknare. Om man lägger det lilla jobb som krävs för att skapa ett Excelblad som sedan kan användas flera gånger, då är även formlerna enkla att använda

11 Detta utseende hade Polar för ungefär femton år sedan. Denna använder vi egentligen inte utan det är en testlicens man kan använda en stund innan man bestämmer sig för att köpa den. Nu, 15 år senare, kan man givetvis inte köpa den här versionen. En nyare version har givetvis nya möjligheter för beräkning och en bättre beräkningsmotor. Notera alla olika impedansfall i överkant på kommandofönstret. Alla 15 småbilder i överkant motsvarar en impedansberäkning. Här kan man inte bara räkna ut single ended impedanser för ledare placerade på olika sätt i kortet, utan även differentiell impedans, både edge-coupled (ledarna ligger sida vid sida) och broadside-coupled (ledarna ligger på varsitt lager, intill varandra) och när ledarna ligger i ett plan eller mellan ledare. Man kan beräkna ovanstående med, eller utan, lödmask och man kan ta hänsyn till den trapetsoidform ledaren får på grund av etsningseffekten när man tillverkar kortet. Även här kan vi konstatera att beräkningen är enkel. Man stoppar bara in sina dimensioner och får reda på impedansen. Notera: För jämförelsens skull hoppar vi över funktionen i Polar, där man kan tala om hur stor underetsningen är. Vi stoppar in exakt samma värden på W och W1 som är ledarbredden på toppen och ledarbredden vid basen av ledaren. Vi kan vara säkra på att detta inte är korrekt, men för att kunna jämföra verktygen försöker vi göra förutsättningarna så lika som möjligt. Först därefter undersöker vi hur stort felet verkar vara med detta beteende

12 I Altium finns en mycket tydlig grafisk bild över hur kortuppbyggnaden ska se ut. Det är givetvis valfritt att fylla i informationen här, men en generell åsikt kan vara att oavsett vilket verktyg man använder, finns det möjlighet att beskriva sitt kort, varför inte göra det i verktyget? När du själv, kollegan, eller kunden, kommer in i jobbet och ser att kortet har fel tjocklek, fel uppbyggnad, eller annat fel i beskrivningen, är det då rimligt att hon eller han ska behöva hitta dig för att kolla vad det egentligen ska vara? Kommer du ihåg det själv efter ett halvår? Efter ett par år? Om man ska använda verktyget för att räkna ut impedanser är det givetvis nödvändigt att all information fylls i på ett korrekt sätt. Bortsett från att man gör sin kortuppbyggnad måste man också ordna regler så att de kritiska ledarna får rätt bredder på respektive lager. Detta görs med Characteristic Impedance Driven Width. Användaren stoppar in önskad impedans och systemet räknar ut ledarbredd. Notera: Gemensamt för de tre CAD-verktygen är att man stoppar in hela kortuppbyggnaden och räknar utgående från detta. Beräkningen bygger på att man har ett, eller flera, plan som referens. Detta förfaringssätt är enklare än att räkna med formler, eller den gamla versionen av Polar, men räknar verktygen verkligen rätt? Notera också: Det finns en nackdel som också är gemensam för de tre CAD-verktygen: Beräkningen bygger på att man räknar på en ledare (eller möjligen ett differentiellt par) och dess förhållande till planet, eller planen, i kortet. Som användare kan man ta upp hål i intilliggande plan och sedan lägga en lokal planarea på nästa lager. Det kommer CADverktyget aldrig förstå. Då måste man modifiera kortets uppbyggnad tillfälligt för att kunna beräkna

13 I OrCAD, i detta avseende exakt samma som Cadence Allegro, är inmatningsfönstret spreadsheet-liknande och man kan bygga upp sitt kort enligt specifikation, eller enbart som test för att undersöka vissa värden. Det går att mata in bredder och få ut impedans, eller mata in impedans och få ut bredder. Det går att dimensionera både single-ended-signaler och differentiella par. Kortet ovan har mask på enbart ena sidan. Det är givetvis inte det vanliga utan enbart för att förenkla vid framtagandet av denna presentation. Notera: Gemensamt för de tre CAD-verktygen är att man stoppar in hela kortuppbyggnaden och räknar utgående från detta. Beräkningen bygger på att man har ett, eller flera, plan som referens. Detta förfaringssätt är enklare än att räkna med formler, eller den gamla versionen av Polar, men räknar verktygen verkligen rätt? Notera också: Det finns en nackdel som också är gemensam för de tre CAD-verktygen: Beräkningen bygger på att man räknar på en ledare (eller möjligen ett differentiellt par) och dess förhållande till planet, eller planen, i kortet. Som användare kan man ta upp hål i intilliggande plan och sedan lägga en lokal planarea på nästa lager. Det kommer CADverktyget aldrig förstå. Då måste man modifiera kortets uppbyggnad tillfälligt för att kunna beräkna

14 I Expedition PCB, från Mentor Graphics, kommer grunden från HyperLynx, simuleringsverktyget. Det är ett spreadsheet-liknande interface där man matar in alla värden på kortuppbyggnaden och får hjälp att beräkna ledarbredd för impedanskontrollerade ledare. Man kan även lösa differentiella par genom att ange impedansen (förstås) och ledarbredd eller separation. Är man osäker på var man hamnar när det gäller bredd och separation, så kan man låta systemet räkna ut båda. Resultatet blir då en graf med bredd på ena axeln och separation på den andra. En parentes i bilden ovan: Dielektricitetskonstanten är satt till 4 på rad 1 och 2 vilket motsvarar att lödmasken har samma dielektricitetskonstant som resten av kortet. På rad 12 och 13 är den istället satt till 1. Det är samma som luft, vilket i praktiken innebär att det inte finns någon lödmask på kortet. Detta är enbart gjort här för att förenkla beräkningarna (istället för att ta bort ointressanta lager). Notera: Gemensamt för de tre CAD-verktygen är att man stoppar in hela kortuppbyggnaden och räknar utgående från detta. Beräkningen bygger på att man har ett, eller flera, plan som referens. Detta förfaringssätt är enklare än att räkna med formler, eller den gamla versionen av Polar, men räknar verktygen verkligen rätt? Notera också: Det finns en nackdel som också är gemensam för de tre CAD-verktygen: Beräkningen bygger på att man räknar på en ledare (eller möjligen ett differentiellt par) och dess förhållande till planet, eller planen, i kortet. Som användare kan man ta upp hål i intilliggande plan och sedan lägga en lokal planarea på nästa lager. Det kommer CADverktyget aldrig förstå. Då måste man modifiera kortets uppbyggnad tillfälligt för att kunna beräkna

15 Om alla verktygen räknade på samma sätt borde resultaten bli samma. Det blir de inte! Om man accepterar en tolerans på +/- 10% inser man att ett felaktigt val av verktyg omedelbart kommer äta upp hela toleransen och mer därtill! Måtten är angivna i mils, men som förtydligande motsvarar bredden på microstrip 0,128 mm, microstrip med lödmask 0,114 mm och den asymmetriska striplinen 0,258 mm. Den senare är faktiskt relativt lika hos alla verktygen. Notera: Det är också på sin plats att kommentera Altium. Här står formler fel!. Det är något jag hävdar och som Altium fått chans att kommentera. De hade inte tid att kommentera under hösten 2013 eftersom de var fullt upptagna med att släppa en ny release. Efter releasen släppts har de inte heller hört av sig. Såsom värdena är instoppade i Altiums användargränssnitt används samma formel för microstrip, oavsett om det finns lödmask eller inte. Vad man som användare kryssar i spelar ingen roll. Man måste själv byta formel. Det finns också bara en enda formel för stripline. Det blir med andra ord ingen skillnad om det är symmetriskt eller asymmetriskt. Användaren måste själv anpassa formeln. Notera: Värt att notera är också att detta exempel bortser från underetsning. Trots Polars möjlighet att ha olika bredd på ledaren på toppen och närmast kortet är dessa satta som samma värde. Hur stor impedansskillnaden blir på grund av detta kommer visas senare

16 På förra bilden hölls ledarbredden densamma och impedansen justerades för att jämföra siffrorna. Här är det gjort tvärtom, impedansen är satt till 65,0 Ohm. Notera, samma kommentar som föregående sida: Det är också på sin plats att kommentera Altium. Här står formler fel!. Det är något jag hävdar och som Altium fått chans att kommentera. Såsom värdena är instoppade i Altiums användargränssnitt används samma formel för microstrip, oavsett om det finns lödmask eller inte. Det finns också bara en enda formel för stripline. Det blir med andra ord ingen skillnad om det är symmetriskt eller asymmetriskt. Användaren måste själv anpassa formeln. Notera: Värt att notera är också att detta exempel bortser från underetsning. Trots Polars möjlighet att ha olika bredd på ledaren på toppen och närmast kortet är dessa satta som samma värde. Hur stor impedansskillnaden blir på grund av detta kommer visas senare

17 Impedans beroende på ledarbredd, med eller utan lödmask På kommande sidor ser vi impedansen som funktion av ledarbredd på kort med ett avstånd från signal till referensplan på 0,37 mm respektive 0,136 mm. Detta utan respektive med lödmask. Klassiskt 4-lagerskort (diagram på sidan 18) Med en prepregtjocklek på 0,37 mm (avstånd mellan signal på lager 1 och plan på lager 2) hamnar man nära en klassisk uppbyggnad av ett 4-lagerskort. Man kan anta att de som, sannolikt på 1960-talet, tog fram formlerna som används för att räkna impedanser jämförde med kort uppbyggda på det här sättet. Tittar vi på diagrammen ser vi att för kort utan mask stämmer formlerna väl överens med Expedition PCB, Cadence och Polar. Altium avviker dock kraftigt (-10-12%). Man kan misstänka att Altiumformeln (som ju var samma med eller utan lödmask) kanske stämmer bättre överens med ett kort med mask. Tittar vi på diagrammet för kort med lödmask ser vi att Altiumvärdet är identiskt med det utan mask. De andra har värden som fortfarande är högre än Altium, men mycket närmare. Att räkna med formel för microstrip med lödmask tycks ge ett felaktigt impedansvärde. Klassiskt 6-lagerskort (diagram på sidan 19) Med tunnare prepreg (mindre avstånd mellan signal på lager 1 och plan på lager 2), såsom ett mer normalt 6-lagerskort skulle kunna se ut, ser man att diagrammet om man använder formlerna inte riktigt stämmer överens med Expedition PCB, Cadence och Polar. Även här ser man att Altium ger en helt annan bild än de övriga, till och med rejält under värdena som räknats fram med formler. Tittar vi på diagrammet för kort med lödmask ser vi att Altiumvärdet är identiskt med det utan mask. De andra har värden som fortfarande är högre än Altium, men mycket närmare. Att räkna med formel för microstrip med lödmask tycks ge ett felaktigt impedansvärde. Notera: När det gäller de klassiska formlerna gäller att om vi ska jämföra resultatet för ett intervall med ledarbredder bör man först undersöka ifall vi riskerar att hamna utanför de intervall där approximationen stämmer sämre. I fallet med microstrip ska man kontrollera förhållandet mellan ledarbredd och avstånd från referensplanet. Är detta ett problem? Nja, för ett vanligt 4-lagerskort eller 6-lagerskort kommer vi inte i närheten av 0,1. Eftersom koppartjockleken är större, eller till och med mycket större, kommer tillverkaren inte acceptera att tillverka kortet med så tunna ledare (37 µm eller 13 µm), i ärlighetens namn tillverkas inga kort volymmässigt med dessa ledarbredder. Notera 2: Man kan dra en slutsats, efter att ha sett diagrammen, att ju tunnare prepreg, desto större blir avvikelsen om man använder formel. Många moderna kort har just detta problem

18 - 18 -

19 - 19 -

20 När vi tittar på impedans med eller utan lödmask finns ett fenomen som är värt att nämna: Utan mask är impedansen 5-6 Ohm högre än om masken har tjockleken 0! Det är dock inte så konstigt om man tittar på bilden från Polar ovan! Man ser också diagrammet i bakgrunden. Man anar att det kommer en impedanskurva (som döljs av Polarbilden), men utöver det finns det en punkt som ligger ovanför kurvan! Det finns ett värde på Y-axeln på ungefär 104 Ohm som motsvarar värdet utan mask för ett kort med 0,37 mm prepreg och ett värde på ungefär 69 Ohm som motsvarar värdet utan mask för ett kort med 0,136 mm prepreg. Förklaringen till detta är att tjockleken på lödmasken är H1. Impedansvärdet blir exakt detsamma om man räknar med mask eller embedded microstrip där ledaren ligger lika långt in i kortet som masken är tjock. Vid tjockleken 0 har man alltså räknat det som om ledaren är omgiven av mask, men utan mask på toppen. Det innebär med andra ord att man borde förskjuta sin graf med lika mycket som ledarens koppartjocklek (i nästa bild 1,6 mils)

21 Här kan man se att punkten utan mask passar bra ihop med de punkter som går att beräkna i Polar och Expedition PCB. Varför Expedition PCB får hicka på kurvorna kan man fundera på! Masktjockleken är sannolikt kring 0,4 mils, så vid 2 mils har vi ett möjligt värde. Där ligger Expedition PCB rätt på ena grafen (5,35 mils prepreg) medan den andra fortfarande har ett fel i sig

22 Här måste man börja med att räkna ut Z0, enligt de formler vi tittat på tidigare. Detta får man sedan stoppa in i dessa formler för att räkna ut differentiell impedans. Nu börjar matematiken bli lite mer omfattande. Det är fortfarande samma svårighetsgrad som tidigare, men lite fler led. Excel eller liknande är fortfarande något som lämpar sig för att göra många beräkningar av samma slag. Man kan däremot diskutera om man överhuvudtaget ska använda formlerna för detta. Resultatet är inte övertygande. Dessutom klarar man bara (med dessa enkla formler) att beräkna en symmetrisk stripline, dvs avståndet från ledare till plan är lika stort till planet under som till planet ovanför

23 Det vi vill uppnå är en differentiell impedans på 100 Ohm. Det kan man göra på flera sätt, det går att uppnå rätt impedans genom att justera separationen mellan ledarna vid en viss bredd, eller tvärtom, beroende på vad man vill göra. Det traditionella sättet har varit att ta avstamp i minsta tillåtna isolation på sitt kort och utifrån detta räkna ut vilken ledarbredd som krävs. Det går givetvis bra att utgå från en single-ended-impedans (läs ledarbredd) och räkna ut vilken separation som krävs. Precis som tidigare, följer det gamla programmet från Polar och Expedition PCB varandra. Här finns dock en liten differens som gör att man kan se de två graferna, men bara precis. När man räknar med formeln verkar det bli fel, eller i alla fall differens mot de andra två, relativt snabbt. Altium beräknar inte differentiell impedans överhuvudtaget. Det går givetvis att arbeta med differentiella par i systemet, men beräkningshjälpen saknas

24 Diagrammet ovan visar förhållandet mellan ledarbredd och separation när man vill uppnå 100 Ohms differentiell impedans. I detta fall tittar vi på symmetrisk stripline, med ett avstånd mellan signalen och båda intilliggande planen på 15,75 mils, eller 0,4 mm. Med formel kan man enbart räkna ut den symmetriska striplinen, men resultatet avviker kraftigt från Polar och Expedition PCB. Man kan notera att de tre övriga följer varandras kurvor. Altium beräknar inte differentiell impedans överhuvudtaget. Det går givetvis att arbeta med differentiella par i systemet, men beräkningshjälpen saknas

25 Diagrammet ovan visar förhållandet mellan ledarbredd och separation när man vill uppnå 100 Ohms differentiell impedans. I detta fall tittar vi på assymetrisk stripline. Avståndet mellan signalen och det närmaste intilliggande planet är 15,75 mils, eller 0,4 mm. Till planet som ligger längre bort är det 32,8 mils, eller 0,83 mm. Detta är utseendet på det 6-lagerskort vi beskrivit tidigare med plan på lager 2 och lager 5 och här har vi då lagt en signal på lager 3 (eller 4). I diagrammet ovan ser det nästan ut att enbart vara en kurva. Det är dock så att alla tre verktyg ger samma, eller nästan samma, resultat. Med formel kan man inte räkna ut den asymmetriska striplinen. Altium beräknar inte differentiell impedans överhuvudtaget. Det går givetvis att arbeta med differentiella par i systemet, men beräkningshjälpen saknas. Notera: Vi kan nu också gå så långt att vi konstaterar att vi på CAD-Resurs enbart har tre sätt att räkna eftersom formler och Altium ger samma resultat och Expedition PCB och den gamla Polarprogramvaran ger samma resultat. Den senare är dessutom enbart en utvärderingslicens så den använder vi inte på grund av detta

26 Vi har hittills tittat på de fem sätten att beräkna impedans som CAD-Resurs har tillgängliga. I ärlighetens namn är det svårt att få ett entydigt svar på vilken typ av beräkning som används i dem, bortsett från formelberäkning som används i Excel och i Altium. I grunden räknar en 2D fältsimulator ledaren som helt utan bredd och tjocklek. En 2.5D gör beräkningar som kompenserar för att ledarna faktiskt har viss tjocklek, men det är ändå ingen helt korrekt beräkning även om det till vill del kompenserar för de brister en 2D-simulator har. En 3D-simulator tar hänsyn till ledarnas mått och position i alla 3 dimensioner. Givetvis blir då värdena ytterligare lite mer korrekta. Behöver det nämnas att prislappen ökar radikalt? När vi senast kollade kostade en Polar omkring USD. Det finns dock de som använder verktyget ofta och som tycker det är värt det! Det är bland andra mönsterkortstillverkarna! Kommer du ihåg citaten? Mönsterkortstillverkaren är måhända mest inriktad på kemisk och mekanisk bearbetning, men tänk ett steg till: Om du vill ha kort som garanterat har en viss impedans (givetvis inom vissa toleranser), vad händer med kort som faller utanför dessa värden? De skrotas givetvis. Betalar du för dessa? Tveksamt, men du kommer givetvis, tillsammans med alla andra kunder, betala för även skrotet. Blir det alltför mycket skrot, blir kostnaden hos just den tillverkaren alltför hög. Resultatet blir att andra tillverkare har mindre skrot och ett lägre pris och den dyra leverantören konkurreras ut. Hur förhindrar man mycket skrot och högt pris? Man ser till att ha bra mätinstrument som dessutom kan ge återkoppling till de programvaror man har för att beräkna, bland annat, impedans på korten. Känns det bättre att fråga tillverkaren nu? Finns det dessutom mer tillverkaren kan, som kan vara svårt att lära sig?

27 Vi har enbart tittat på beräkning av single-ended-impedans och jämfört med bättre verktyg. Givetvis finns det siffror rörande vår uppskattning av differentiell impedans. Det finns bara två punkter, i diagrammet ovan för 100 Ohms differentiell impedans, beräknat med Polar eller Expedition PCB (de ger ju nära nog samma resultat). På samma sätt har vi två punkter från Würth. Det skulle vara två punkter även från övriga tillfrågade tillverkare, men från Elmatica finns endast en punkt och övriga tillverkare har inte svarat på frågorna på ett sätt som gör att vi kan presentera just detta. Det går däremot utläsa vad deras verktyg tycker att våra punkter har. Med ungefär 5 mils ledare och 5,5 mils separation, som våra verktyg tycker ger 100 Ohm, sprider resultatet mellan 106 och 110 Ohm. Vår punkt med 4 mils ledare och 5 mils separaration sprider mellan 108 och 111 Ohm

28 För stripline är avvikelserna betydligt mindre. Elmatica och Würth har dock stoppat in våra siffror i sina verktyg och fått impedansen 97 respektive 102 Ohm, där vi beräknat 100 Ohm

29 Med tanke på de underliga kurvor vi sett när det gäller Altium kan man fundera på om det är ett dåligt alternativ att räkna med. Sanningen är att formlerna som är inmatade i Altium inte stämmer med de som man normalt räknar med! I just fallet med Altium har man full tillgång till formlerna som används för impedansberäkning. Om man justerar formlerna till exakt samma som de formler vi använt, och jämfört med, så blir resultatet givetvis exakt lika bra som de värdena! Vill man ha ännu bättre värden, då kan man givetvis trimma formlerna ytterligare, men man ska inte luras att tro att man kan få en 2D/2.5D/3D field solver, för den typen av beräkningsverktyg finns inte i Altium. Det gamla Polarverktyget hade 15 olika impedansfall som kunde beräknas. Expedition PCB och OrCAD/Cadence har 10 olika impedansfall som kan beräknas. Altium har två. Är man kreativ med formlerna kan man göra fler beräkningar, men det krävs alltså att man då byter formler mellan beräkningarna. Med kreativitet kan man komma upp i 5 olika impedansfall. Polar kan räkna med etsfaktorer (trapetsoidformen på ledaren), det kan varken Expedition PCB, OrCAD/Cadence eller Altium

30 Vi har tidigare sett bilden på hur användargränssnittet ser ut, där man matar in kortuppbyggnad. Där finns också en tryckknapp Impedance Calculation. Det är här formlerna gömmer sig. I bilden är den kända formlerna inklippta och man kan jämföra dessa med de formler som finns inlagda i Altium. Det finns två flikar, en för microstrip och en för stripline. Man måste dock ha klart för sig att det inte finns något tillägg för om det är med eller utan lödmask, oavsett om man kryssat i att man har lödmask, eller inte. Det finns inte heller olika formler för symmetrisk eller asymmetrisk stripline. Med detta känt, handlar det enbart om att mata in den formeln som stämmer för ditt kort. Tittar man på formeln som följer med programmet verkar denna till viss del vara hemmasnickrad. Till största delen är det den övre formeln, men H1 verkar vara förenklad till TraceTo PlaneDistance

31 Den övre formeln är också för embedded microstrip vilket innebär att H1-måttet motsvaras av avståndet TraceToPlaneDistance plus koppartjockleken ( TraceHeight ) och den mask som ligger ovanpå ledaren. Här är det enbart TraceToPlaneDistance plus Vad i hela friden är ? Vilken enhet är egentligen 0,00002? Det är givetvis av vikt att detta är i samma enhet som resten av måtten. Det här måttet är inte i mils, för då borde det varit i storleksordningen 2. Det är inte tum, för då borde det varit i storleksordning 0,002. Det är inte µm för då borde det varit i storleksordningen 200. Det är inte mm för då borde det varit i storleksordningen 0,2. Det är inte heller meter, för då borde det varit i storleksordningen 0,0002. Något är alltså riktigt fel. Det är också nödvändigt att alla mått i formeln är av samma storhet, det går inte blanda mm/tum/mils. För att göra något fel, till något som är mindre fel ersätter vi 0,00002 med tjockleken på ledaren. Det borde, i ärlighetens namn, vara ett lite större mått än så, men det är en ansats. Bilden ovan visar bara en sak man kan laborera med i formlerna. Byter man ut mot TraceHeight blir det samma som om lödmasken täcker ända upp till toppen av ledaren, men 0 i tjocklek ovanpå. Jämför med de grafer vi tittade på tidigare när det var en impedans utan mask och en lägre impedans när masktjockleken var noll. Här ser det alltså ut på det sättet

32 Om du vill ändra formeln, glöm inte bort att du behöver ändra både i det övre och det undre fältet. Det undre ger dig bredden i din impedansstyrda bredd. Formeln som visas ovan är den utan lödmask. Fundera på vilken formel du vill ha egentligen. Det kanske är läge att göra en samling formler så att du kan klippa och klistra när du vill byta från den ena till den andra? Det här innebär givetvis en styrka; man kan laborera med formler tills man hittar en som fungerar bra för sina kort. Svagheten är givetvis att det är lätt att göra fel i en formel och på så sätt få värden som inte alls stämmer med verkligheten. Varför Altium valt att inte använda standardvärden återstår att få svar på

33 Impedansberäkning Polar Är det inte mycket bättre att använda Polar som kan ta hänsyn till underetsningen? Självklart är det bättre ju noggrannare man kan ställa in alla parametrar! Som man ser på fotot med en ledare i genomskärning (tagen från ett snittprov som ofta följer med leveransen av kort) är ledaren bredare precis vid kortytan än vid toppen. Detta fenomen kallar man underetsning. Alla tidigare grafer har gjorts med W1 och W lika stora för att kunna jämföra verktygens beräkningar. Fotot till höger i bilden visar en ledare på lager 1. Här ser man tydligt att den är betydligt smalare på toppen än vid basen. I just detta fall är W ungefär lika mycket mindre än W1 som tjockleken på ledaren. Kan vi räkna med detta? Viss försiktighet bör råda vid antaganden och den enda som verkligen har koll på detta är din mönsterkortstillverkare. Vi kan i alla fall använda verktyget för att se hur stor skillnaden blir på impedansen vid olika bredder på toppen av ledaren. Vi gör en ansats att basen på ledaren är 4 mils (102 µm) eller 8 mils (203 µm). Koppartjockleken är 1.6 mils (41 µm) och avståndet mellan referensplan och ledare är 5,35 mils (136 µm) eller 14,57 mils (370 µm). Vi jämför impedansvärdet när W minskar, och vi sätter W1 W på X-axeln

34 Föga förvånande ökar impedansen mer med en tunn ledare. Procentuellt kan man säga att impedansen ökar omkring 2 3 % om W1 W = tjockleken på ledaren och den ökar 1 2 % om W1 W = halva tjockleken på ledaren. Det spelar alltså roll att ledaren inte har ett rektangulärt tvärsnitt, men mindre roll ju bredare ledaren är. Frågar man mönsterkortstillverkaren är underetsningen ofta µm eller 0,8 till 1.6 mils. Alla andra mått som kan ändras? Hur påverkar de impedansen? I diagrammet ovan ser vi ett kort, med grundmåtten enligt det nere till vänster, och hur en förändring påverkar impedansen. Av detta ser vi att ledartjockleken spelar mindre roll. Samtliga enheter verkar påverka impedansen mindre än de själva påverkas. Dielektricitetskonstanten, Er, har mönsterkortstillverkaren koll på, så när en ny batch kort ska tillverkas så vet de ungefär var i toleransspektrat just detta materials Er ligger. Ledarbredden kan justeras efter detta. Tillverkaren kan också avgöra hur just ditt kort ser ut och avgöra hur mycket ledaren behöver kompenseras för att få rätt bredd efter tillverkning. På samma sätt gäller avståndet mellan plan och ledare. När man som mönsterkortskonstruktör gör sin kortuppbyggnad och räknar impedanser gör vi det ofta på kända mått, de nominella. Vi har svårt att avgöra hur toleranserna kommer slå

35 Utan att fördjupa oss i olika material och dess egenskaper (det kan man göra om man vill, annars brukar mönsterkortstillverkaren stå till tjänst) kan man se att det finns ett samband mellan tjockleken på kärnan och epoxiinnehållet. Ju mer epoxi, desto lägre Dielektricitetskonstant, Dk (eller Er). Vi konstaterade förut att en förändring av Er-värdet gav ett relativt stort genomslag på impedansen. På nästa sida ser vi att olika prepregmaterial, trots samma tjocklek, har olika epoxiinnehåll. Vi ser också att om man enbart använder 1080-material, så är det ingen garanti heller! Beroende på vilken färdig tjocklek det blir på materialet så kommer epoxiinnehållet variera. Ju mer materialet blivit ihoptryckt, desto mer har flutit ut vid pressningen. Det som flyter ut är givetvis inte glasmattorna utan epoxin

36 - 36 -

37 Impedansberäkning Er är inte homogent genom kortet Trodde du att dielektricitetskonstanten är konstant? Inte alls! Mönsterkortet består av (förutom koppar) glasfiberväv och epoxi. Glasväven har ett Er på ungefär 6 och epoxin på ungefär 3. Är det någon som fortfarande är sugen på att räkna? Det mönsterkortstillverkaren lär sig med tiden är att få en känsla för hur en viss kortuppbyggnad, med en viss mängd med ledare som ska anpassas, på vissa lager ger en dielektricitetskonstant som kanske inte alls är den som står i materialspecifikationen. Tillverkaren vet dock att om man lär sig detta och ändrar inmatningsvärde så kommer teori och praktik stämma överens på ett sådant sätt att skrotningen minimeras. Det går givetvis att stoppa in olika värden på olika lager (eller delar av lagren) enligt tvärsnittet ovan. Till och med i Expedition PCB kan man göra på detta sätt. Det svåra blir att gissa vilka siffror man ska sätta på Er

38 Tyvärr börjar nog tiden och den nya tidens material springa ifrån de gamla formlerna. Man kan givetvis göra nya beräkningar och approximationer! Med nya, färska, mätvärden kan man rita upp nya diagram och från dessa kan man göra nya formler. Möjligen är det precis det man har gjort hos Altium. Man har dock inte nått ända fram. Vi har också sett att underetsningen påverkar impedansen litegrann. Det rör sig visserligen enbart om en ökning på ett par procent, men det är åt fel håll! Du behöver öka ledarbredden för att minska impedansen. På samma sätt har vi sett att de dyra 3D fältsimulatorerna också påvisade en högre impedans. Det krävs alltså ytterligare en ökning av bredden för att kompensera. Det allmänna rådet måste vara att du ska givetvis räkna på ditt kort. Du ska se ungefär var du hamnar och avgöra om det ens kommer vara möjligt att tillverka. När du gjort detta första steg, hör av dig till din tillverkare och tala om hur du har tänkt och be om råd. Du kommer då få ett tips, och en beräkning, som sannolikt ligger nära den du föreslår men som nu är något som är tillverkningsbart. Den sista punkten är givetvis som att svära i kyrkan! Om databladet säger Ohm, då funkar givetvis inte kortet om det blir 50 Ohm eller kanske 65 Ohm? Eller gör det det? Visst säger databladen ofta att man ska simulera? Då borde man se kraftiga avvikelser på ledare med fel impedans?

39 Simulering DDR2-minne Enligt databladet ska impedansen ligga mellan 50 och 60 Ohm, med en tolerans på +/- 15% Med andra ord är det OK att tänka sig 50 Ohm +/- 15% (42,5 57,5 Ohm) eller 60 Ohm +/- 15% (51 69 Ohm). För att göra det enkelt ligger mittenimpedansen på 60 Ohm, vilket alltså är godkänt enligt ovan. Den låga impedansen är 40 Ohm, vilket är 33% under 60 och den höga impedansen är 80 Ohm vilket alltså också är 33% avvikelse. Det finns förmildrande omständigheter: ledarna från processor till minne är punkt till punkt och relativt korta (ungefär 35 mm). Det finns också klart försvårande omständigheter: ledarna ska enligt databladet absolut termineras med serieterminering vid högsta hastighet. Detta är inte gjort. Bilden nedan visar 40, 60 och 80 Ohm. De gröna kurvorna är drivaränden (relativt ointressant) och de röda visar mottagaränden. Ju högre impedans, desto mer översläng (eller under). Det finns en faktor att titta närmare på: i databladet pekar man på över-/undersläng får inte vara för hög/låg och arean (tid/över eller tid/under) får inte överstiga/understiga visst mått av Vns. Det klarar sig också här. Visst ser man skillnad mellan de tre kurvorna. Finns det någon kurva man direkt kan säga inte fungerar? Nej, inte det heller. Ska man vara helt ärlig borde man haft ett omslag åt andra hållet vid normal drift, för att visa ett ögondiagram

40 Johan Lindh, CAD-Resurs AB Har jobbat med mönsterkorts- och kretskortslayout sedan Förutom layout har arbetsuppgifterna inkluderat att skapa mönsterkorts- och kretskortsspecifikationer, att vara drivande i en grupp för ökad mönsterkortskvalitet, att vara internrevisor för ISO9000 samt att utvärdera mönsterkortstillverkare i Europa och Fjärran Östern. Har även hållit föredrag på LiTH (Linköpings Tekniska Högskola) i en kurs för elektronikproduktion. Började karriären på en servicebyrå, SAAB-CAD. Har under åren arbetat med ett flertal olika typer av kort, bland annat med layout av persondatorkort under 10 år som anställd på Fujitsu (tidigare Nokia Data och ICL), vidare med produkter för att koppla ihop kommunikationsutrustning med GSM-världen och senare med digitala och analoga konstruktioner på PartnerTech startades det egna företaget, CAD-Resurs, som 2014 har sju konstruktörer anställda. Företaget fungerar som en servicebyrå, vilket innebär att jobben främst görs på det egna kontoret i egna CAD-program. I undantagsfall sitter konstruktören hos kunden och jobbar i deras CAD-program. Kunderna finns främst i Sverige, men uppdrag görs även åt kunder i Norge, Italien och Israel. Dokumentationen Detta är i princip kopior av presentationsmaterialet med förklarande text. Några bilder är hämtade från Internet. Dessa har hänvisning till respektive företag och/eller produktnamn. Övriga bilder är gjorda av författaren/presentatören. Kopiering av materialet, helt eller delvis oavsett metod, utan medgivande av författaren förbjudes