En su presentación en la conferencia de verano del EIPC en Örebro (Suecia), Martyn Gaudion habló sobre los efectos de la resistencia de CC en la medición de la impedancia característica de las placas de circuitos impresos. Ha redactado la presentación para PLUS.
Fig. 1: ¿La resistencia eléctrica de todos estos cables es siempre de 50 ohmios?Es estupendo volver a estar aquí y conocer a todo el mundo en persona después de tanto tiempo. También es muy agradable ver a tantos proveedores de material.
Las estructuras de trazado son cada vez más delicadas, y sus clientes, los fabricantes de circuitos impresos, a veces empiezan a cuestionar las mediciones de la constante dieléctrica que ustedes, los proveedores de materiales, realizan con tanto cuidado.
Les mostraré una sencilla corrección que pueden hacer en las mediciones para que la constante dieléctrica medida se ajuste mucho más a la constante dieléctrica probada en la industria de las placas de circuito impreso.
¿Qué es una traza de impedancia controlada en una placa de circuito impreso? En realidad, es la simulación de un cable coaxial y creo que todos estáis de acuerdo en que cuando compras un cable coaxial a un proveedor, digamos 50 ohmios o 75 ohmios o 100 ohmios, siempre está ajustado a ese valor.
Una pregunta que hay que hacerse es la siguiente: ¿La resistencia eléctrica sigue siendo de 50 ohmios para un cable de un metro de longitud, y sigue siendo de 50 ohmios para un cable de dos metros o un milímetro de longitud? ¿O entonces cambia(Fig. 1)?
Si corto un cable de 50 ohmios por la mitad, ¿son dos cables de 25 ohmios? Esta es una trampa en la que caen algunos fabricantes de circuitos impresos. A continuación te muestro cuál es el problema.
Así que hay diferentes longitudes de cable, pero todos tienen la misma impedancia de cable. Simulamos un cable coaxial en una placa de circuito impreso diseñándolo de una determinada manera, y la idea de que la impedancia cambia con la longitud sólo se ha introducido porque las geometrías son cada vez más finas. En esta situación, la resistencia de CC de la traza puede distorsionar la medición.
Fig. 2: Diagrama de un libro de conceptos de TDR de Tektronix (Imagen: James A. Strickland, Time-Domain Reflectometry Mesurements, Tektronix, 1969, p. 27)Hace algún tiempo, uno de mis colegas le hizo la siguiente pregunta al Dr. Eric Bogatin [1]: "Dr. Bogatin, ¿qué es correcto, la simulación o la medición?". Esperando oír "la medición" como respuesta, el Dr. Bogatin contestó ante el horror de mi colega: "Pues lo siento, ambas son erróneas". La simulación te dice qué resultado puedes predecir en una situación perfecta, y la medición te dice lo que ve el sistema de medición. Pero la medición también puede ser errónea, y hay que usar primero la intuición de ingeniero para averiguar cuál es la respuesta correcta y examinar tanto la medición como la simulación.
Si pensamos en las trazas con geometrías más anchas, la medición de la impedancia característica era bastante sencilla, ya que nada en la medición parecía "falsearse". Pero a medida que las geometrías se hacían más y más finas, nos dimos cuenta de que la resistencia de CC afectaba a las mediciones.
Las geometrías de los cables finos sólo se han minimizado recientemente hasta tal punto que la resistencia de CC ha pasado a ser importante para el sector de la medición. Sin embargo, los fabricantes de cables ya eran conscientes de ello en las décadas de 1950 y 1960. La resistencia óhmica de un cable es una especificación importante, pero debe distinguirse de la impedancia característica. Hasta hace poco, las geometrías con las que trabajábamos en el sector de las placas de circuito impreso nos permitían ignorar prácticamente la resistencia de CC en los trazados de alta velocidad. Pero hoy en día, las estructuras son tan finas que la resistencia de CC debe eliminarse de las lecturas del TDR [2] antes de deducir la impedancia característica.
Este diagrama de un libro de conceptos de TDR de 1969 de Tektronix muestra los efectos de la resistencia de CC en los cables (Fig. 2).(Fig. 2) Incluso sugiere utilizar la pendiente de la curva TDR para calcular cuántos "ohmios por metro" se ven.
Por ejemplo, considere dos cables de 50 ohmios con un tercer cable de 50 ohmios en el centro (circuito A) que tiene una resistencia de CC. Verás que la curva sube en el centro y luego se aplana. Pero tanto la línea del principio como la del final son idénticas. Una está en el otro extremo de una línea con resistencia en serie, de modo que la impedancia parece aumentar con la longitud durante la medición.
La trampa en la que se puede caer es creer que el impedanciómetro siempre es correcto y que la medición de la impedancia se realiza en el tramo ascendente, por ejemplo. Sin embargo, con líneas finas, la resistencia de CC debe eliminarse de la medición.
Fig. 3: Ilustración en el software de Polar Instruments
Los especialistas en integridad de la señal utilizan un término técnico que denominan "de-embedding", es decir, la resistencia en serie debe corregirse fuera de la medición para obtener la impedancia característica correcta de la traza. Si no se eliminara la resistencia en serie de la medición de la impedancia, se podría concluir que la hoja de datos es incorrecta porque la simulación no coincide con la medición. A partir de esto, se podría concluir que la correlación es incorrecta porque la constante dieléctrica de la hoja de datos es incorrecta. Sin embargo, la verdadera razón de la inexactitud es que no se ha reconocido la verdadera razón de la mala correlación porque no se ha eliminado el componente de resistencia de CC de las mediciones TDR.
Se puede modelar la resistencia y simular el efecto en una traza TDR. He utilizado una simulación muy sencilla para introducir la geometría de la traza de este par diferencial. Al modelar la anchura y el grosor del cobre, podemos ver cuánto será el aumento en la traza TDR por milímetro debido a la resistencia del cobre. A continuación, también podemos eliminar este efecto de la medición TDR(Fig. 3 y 4).
Fig. 4: Ilustración en el software Polar Instruments
Si tomamos la medida media y duplicamos la longitud de la traza, pasa de un par diferencial de 100 ohmios a un par diferencial de 105 ohmios y a un par diferencial de 110 ohmios, lo que es claramente una medida sin sentido. Pero observamos que esto ocurre una y otra vez.
Fig. 5: ¿Se puede eliminar la resistencia de CC de la medición de impedancia?Este efecto sólo afecta a las mediciones cuando vamos a 75 μm e inferiores para las anchuras de línea con los finos sustratos de cobre que utilizamos hoy en día. Así que volví a utilizar el mismo modelo, usando conductores de cobre más gruesos de ocho milésimas de pulgada (0,2 mm), y de repente tienes una traza TDR plana y bonita sin nada que compensar, así que creando un simple gráfico en Excel con una herramienta, puedes ver si es necesario o no eliminar la resistencia de CC de la medición de impedancia(Fig. 5).
Existen dos métodos probados para eliminar la resistencia de CC de la medición de impedancia, y algunos fabricantes de equipos originales prefieren uno sobre el otro. El primero es la extrapolación del punto de partida (LPE), que ha sido objeto de muchos debates en la asociación comercial IPC. Con la LPE, se ajusta una línea de regresión a la traza del TDR y se proyecta hasta el principio de la sección. Usted se preguntará: ¿Por qué no se mide una sección muy corta? Pues bien, si la sección es muy corta, la conexión de la sonda interferirá en las mediciones. LPE es una técnica que utiliza una longitud de medición TDR estable y bonita y la proyecta de vuelta al principio de la sección. De esta forma puedo obtener la medición media de la sección después de eliminar el efecto de la resistencia en serie de CC(Fig. 6).
Pasemos al segundo método, que utilizamos en nuestros aparatos desde hace unos 28 años. Lo introdujimos originalmente para una empresa japonesa que quería calcular la resistencia de CC por pulgada y sumar esta cifra para, a continuación, eliminar directamente el valor previsto en ohmios/m de cada sección de la traza. Este método alternativo se denomina "compensación de resistencia de CC". Ambos métodos funcionan.
Fig. 6: Con LPE, se ajusta una línea de regresión a la traza TDR y se proyecta hacia atrás Si se encuentra en una conversación entre un proveedor de materiales y un fabricante de PCB debatiendo si las cifras del valor dieléctrico son realmente correctas, entonces merece la pena preguntarse si están compensando la resistencia de CC en PCB con estructuras muy finas.
Hay que fijarse tanto en la medición como en la modelización y utilizar la intuición técnica. La medición no siempre es correcta y el modelo tampoco. Hay que tener un buen modelo y una buena medición, y tener en cuenta efectos que quizá no se hayan tenido en cuenta en el pasado.
Aunque no tengas acceso a herramientas polares, puedes utilizar simplemente la ley de Ohm U = R * I y la conductividad del cobre electrodepositado para estimarlo por ti mismo.
Muchas gracias, ha sido un placer volver a hablar ante ustedes.-dir/rom-
www.polarinstruments.eu, www.tek.com
Referencias
Dr. Eric Bogatin, Profesor Asociado de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética de la Universidad de Colorado Boulder
Reflectometría en el dominio del tiempo
Fuentes
James A. Strickland, Mediciones de reflectometría en el dominio del tiempo, Tektronix, 1969
