Al calcular la impedancia característica de líneas stripline con uSimmics (anteriormente QucsStudio), existen casos en los que el valor teórico y el valor medido no coinciden. Una de las causas es el cambio en la sección transversal del conductor provocado por el socavado de grabado (etching undercut). En este artículo se explica el mecanismo de este fenómeno y el método de cálculo de la corrección correspondiente.
- Lo que aprenderás
- 1. Conceptos básicos del stripline y la impedancia característica
- 2. El proceso substractivo y el socavado de grabado
- 3. Efecto de la sección transversal trapezoidal en la impedancia característica
- 4. Procedimiento de cálculo de corrección por socavado de grabado
- 5. Consideraciones adicionales para mejorar la precisión
- Conclusión
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Lo que aprenderás
- El proceso substractivo en la fabricación de PCBs y el mecanismo del socavado de grabado
- Cómo la sección transversal trapezoidal afecta la impedancia característica de las líneas stripline
- Procedimiento detallado para el cálculo de corrección considerando el socavado de grabado
- Cómo introducir los valores corregidos en uSimmics (anteriormente QucsStudio) y recalcular
- Enfoque práctico para minimizar la diferencia entre valores teóricos y medidos
1. Conceptos básicos del stripline y la impedancia característica
Una línea stripline es una estructura de línea de transmisión en la que un conductor de señal paralelo, embutido en las capas internas de una PCB, queda flanqueado por planos de masa (ground planes) superiores e inferiores. Esta estructura suprime la radiación electromagnética y es adecuada para la transmisión de señales en alta frecuencia (RF y microondas).
La impedancia característica está determinada por los siguientes parámetros físicos:
- Ancho de la línea de señal W
- Constante dieléctrica relativa del sustrato εr
- Espesor del dieléctrico H
- Espesor del conductor T
Al introducir estos parámetros en el Transmission Line Calculator de uSimmics (anteriormente QucsStudio) se puede calcular teóricamente la impedancia característica. Sin embargo, en el proceso de fabricación real existen factores que impiden que estos valores teóricos se cumplan exactamente.
2. El proceso substractivo y el socavado de grabado
¿Qué es el proceso substractivo?
El proceso más ampliamente utilizado para la formación de pistas en PCBs es el proceso substractivo (Subtractive Process). Consiste en partir de un sustrato con lámina de cobre en toda la superficie y eliminar mediante grabado químico (disolución química) el cobre no deseado, dejando únicamente el patrón de circuito necesario. Es un proceso de bajo coste y alta capacidad de producción, ampliamente adoptado en la fabricación de PCBs multicapa convencionales.
Mecanismo del socavado de grabado
El agente de grabado está diseñado para disolver el cobre principalmente desde la superficie superior, pero en la práctica la disolución también avanza en dirección lateral. Este fenómeno de disolución lateral se denomina socavado de grabado (Etching Undercut).
Cuando se produce el socavado de grabado, la sección transversal del conductor, que en el diseño debería ser rectangular, adquiere una forma trapezoidal. Los cambios concretos son los siguientes:
- Ancho superior W2 (lado del resist o máscara): próximo al valor de diseño
- Ancho inferior W1 (lado del sustrato): menor que el valor de diseño (afectado por la disolución lateral)
Este cambio en la sección transversal modifica la sección efectiva y el ancho real de la traza de señal, influyendo directamente en la impedancia característica.
3. Efecto de la sección transversal trapezoidal en la impedancia característica
Las fórmulas convencionales de cálculo de impedancia parten del supuesto de que la sección transversal del conductor tiene un ancho uniforme y rectangular. Sin embargo, cuando el socavado de grabado hace que la sección sea trapezoidal, ocurre lo siguiente:
El ancho efectivo de la traza se reduce respecto al valor de diseño → la impedancia característica aumenta respecto al valor de diseño
Esto se puede explicar a través del balance entre capacitancia e inductancia. La impedancia característica se expresa mediante la siguiente fórmula:
Z₀ = √(L/C)
Donde L es la inductancia por unidad de longitud y C es la capacitancia por unidad de longitud. Al reducirse el ancho de la traza, disminuye la capacitancia C, y como resultado Z₀ aumenta.
Por ejemplo, no es raro que una línea stripline diseñada para 50 Ω presente un valor medido de 55 a 60 Ω por efecto del socavado de grabado. Este error puede superar el margen de tolerancia habitual de control de impedancia (normalmente ±10%) y tener un impacto significativo en la calidad de la señal.
4. Procedimiento de cálculo de corrección por socavado de grabado
Paso 1: Obtención de las dimensiones finales
Las especificaciones y los informes de fabricación que proporcionan los fabricantes de PCBs incluyen información sobre el socavado de grabado. A partir de este dato se determinan el ancho superior real W2 y el ancho inferior real W1.
Como regla general empírica, con el proceso substractivo el ancho del patrón suele ser aproximadamente un 10% menor que el valor de diseño. Por ejemplo:
- Ancho de patrón de diseño: 100 μm
- Ancho superior real W2: 100 μm (lado del resist, próximo al valor de diseño)
- Ancho inferior real W1: 80 μm (lado del sustrato, reducido por el grabado)
Paso 2: Cálculo del ancho efectivo (corrección trapezoidal)
Como ancho efectivo de la sección transversal trapezoidal se utiliza el promedio entre el ancho superior y el inferior:
W_eff = (W1 + W2) / 2
Con el ejemplo anterior:
W_eff = (80 + 100) / 2 = 90 μm
Al realizar el cálculo de impedancia con este ancho corregido W_eff = 90 μm, la concordancia con los valores medidos mejora significativamente.
Paso 3: Recálculo en uSimmics (anteriormente QucsStudio)
- Abrir el Transmission Line Calculator en uSimmics (anteriormente QucsStudio)
- Seleccionar «Stripline» en el menú desplegable «choice»
- Introducir los parámetros del sustrato en «Properties»
- En «Dimensions», ingresar en el campo «W» (ancho de traza) el ancho efectivo corregido W_eff
- Verificar la impedancia característica calculada
Comparando la impedancia antes de la corrección (W = 100 μm) y después de la corrección (W_eff = 90 μm), es posible evaluar cuantitativamente el impacto del socavado de grabado.
Paso 4: Retroalimentación al valor de diseño
Para lograr la impedancia objetivo de 50 Ω, es necesario establecer un ancho de patrón de diseño mayor, previendo el efecto del socavado de grabado. El procedimiento de cálculo inverso es el siguiente:
- Introducir 50 Ω en el campo «Z₀» de uSimmics (anteriormente QucsStudio) para calcular el ancho de traza necesario W_ideal
- Corregir el ancho de diseño previendo el porcentaje de socavado (por ejemplo, 10%):
W_design = W_ideal / (1 - tasa_de_socavado)
- Incorporar el W_design corregido como especificación de fabricación
5. Consideraciones adicionales para mejorar la precisión
| Factor | Efecto | Contramedida |
|---|---|---|
| Socavado de grabado | Aumento de impedancia | Corrección trapezoidal (uso del ancho promedio) |
| Variabilidad de la constante dieléctrica en fabricación | Dispersión de la impedancia | Establecer margen de diseño adecuado |
| Variabilidad del espesor del conductor | Pequeña variación de impedancia | Verificar las especificaciones de fabricación |
| Variación de la constante dieléctrica con la temperatura | Variación de impedancia en el rango de temperatura de operación | Selección de sustrato con alta Tg |
En el diseño real de circuitos de alta frecuencia, es necesario considerar de forma integral todos estos factores para llevar a cabo el diseño de impedancias.
Conclusión
El cálculo de impedancia de líneas stripline con uSimmics (anteriormente QucsStudio) es una herramienta muy eficaz, pero en la fabricación real de PCBs el socavado de grabado puede provocar desviaciones entre los valores teóricos y los medidos. Aplicando la corrección trapezoidal (uso del ancho promedio entre el ancho superior e inferior), es posible mejorar significativamente la precisión del cálculo. Obtener del fabricante las especificaciones de dimensiones finales e incorporar el cálculo de corrección al flujo de diseño de PCBs es la clave para lograr un control de impedancias de alta calidad.
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