Placas de circuito impresso As estruturas de PCB com chips de alta velocidade e micro-ondas apresentam inúmeros parâmetros que diferem significativamente daqueles de placas de circuito impresso convencionais, rígidas e flexíveis. Essas diferenças são explicadas no IPC-6018B, Especificações de Qualificação e Desempenho para Placas de Circuito Impresso de Radiofrequência (Micro-ondas). "Alta frequência" é uma das três classificações principais de placas de circuito do IPC (as outras duas classificações são "rplacas de circuito “igid” e “flexíveis”).
Design de PCB de micro-ondas
Requisitos especiais
Qualquer pessoa que não saiba nada sobre as peculiaridades dessas faixas de frequência vai, a princípio, ficar confusa com este capítulo. Porque não apenas – devido às perdas que ocorrem – outros materiais de placa de circuito impresso precisam ser usados, além dos de baixa frequência (muitas vezes à base de Teflon ou cerâmica, mas também de novos materiais orgânicos especialmente desenvolvidos). Os componentes de uma placa de circuito impresso de micro-ondas têm aparência diferente (o ideal no momento é o uso de componentes de chip SMD de tamanho 0603 ou superior a 0402, onde "0402" significa um tamanho de 1 mm x 0.5 mm) e novos são constantemente adicionados. Além disso, uma "tecnologia de fiação" completamente diferente deve ser usada nas placas de circuito impresso para que os circuitos funcionem corretamente.
A “opção de preenchimento em massa” fornecida pela Target (e propagada para esse propósito) em tais circuitos é suficiente apenas até algumas centenas de megahertz antes que novos problemas comecem e o método descrito abaixo tenha que ser finalmente alterado.
LC passa-baixo simples para a resistência da onda
Vamos dar uma olhada em um circuito passa-baixo LC simples para a impedância de onda Z = 50 e uma frequência de corte de 100 MHz. Os valores dos componentes da placa de circuito impresso de micro-ondas são obtidos após inserir os parâmetros do filtro em um dos programas de filtro modernos. Todos os componentes podem ser usados apenas na versão SMD (aqui: 1206 para os capacitores, as bobinas, por outro lado, como "2220" com uma conexão de aterramento adicional para a carcaça da blindagem).
Tudo isso ainda é possível e parece bastante normal. É apenas com a placa de circuito impresso que se torna mais interessante:
A parte inferior da placa de circuito é fornecida com uma superfície de aterramento contínua (= GND) e tudo que precisa ser aterrado recebe seu próprio “pad de aterramento” na parte superior com tantos furos passantes quanto possível.
Na série, os próprios furos de revestimento são, naturalmente, projetados como "furos de revestimento verdadeiros". O uso de rebites ocos banhados a prata com diâmetro de 0.8 mm (= testados até 10 GHz) funciona muito bem com a primeira placa de teste.
As conexões de entrada e saída só podem ser feitas por meio de linhas microstrip com a impedância de onda Z correta e a largura correta correspondente (que, obviamente, depende do material do condutor, da espessura da placa e – infelizmente – também um pouco da frequência de operação).
É claro que, com capacitores de filtro, com seus valores frequentemente distorcidos, você não tenta encontrar tais coisas exóticas em lugar nenhum. Elas são facilmente obtidas conectando até três valores padrão SMD da série padrão E12 em paralelo. Isso reduz ainda mais a autoindutância geral e, assim, desloca a ressonância natural para frequências mais altas. Desvios de até 1 a 2% do valor total são toleráveis, e é por isso que substituímos 33.2 pF por 33 pF e 57.2 pF por 56 pF em nosso exemplo.
As novas exigências
O manuseio do programa CAD para PCB e suas propriedades mudam significativamente. As novas demandas para este processo de PCB por micro-ondas são as seguintes:
a) Não é permitido o uso de roteadores automáticos nem de autoposicionadores. A posição de cada componente na placa de circuito deve garantir os cabos de conexão mais curtos para o próximo componente (porque cada milímetro adicional de cabo pode significar indutância adicional). Isso significa que os componentes devem poder ser movidos com a máxima precisão sem problemas ou girados em qualquer ângulo. E tudo manualmente.
b) Por outro lado, as áreas de solda dos componentes SMD devem ser as menores possíveis, pois adicionam capacidades adicionais ao circuito. Essas capacidades já devem ser levadas em consideração no projeto e na simulação do circuito…
c) Muitas vezes, você é forçado a projetar novas bases de solda SMD ou até mesmo novos invólucros, porque geralmente não há nada na biblioteca para os componentes especiais necessários. Isso não deveria ser uma ciência secreta e deveria acontecer muito rapidamente.
d) A possibilidade de criação de “vias” (= through-plating) deve estar disponível.
e) As superfícies de solo necessárias devem ser fáceis de criar e limpar automaticamente os furos das vias.
f) No final, os trilhos condutores não devem ser arredondados, sua largura e comprimento devem ser ajustáveis em até um centésimo de milímetro.
g) O nível mais baixo da placa de circuito é totalmente provido de uma camada de cobre, que é conectada ao “GND” (= terra) através das vias.
h) Consequentemente, a fiação é feita apenas no nível superior (geralmente: nível 1). É claro que você deve ter muito cuidado para que os invólucros dos CIs ou transistores possam ser espelhados corretamente se tiverem sido projetados para uso no nível mais baixo.
Exemplo de projeto (PCB de micro-ondas): 100 MHz – passa-baixa
Agora queremos entender o processo completo de design da passagem baixa acima.
Passo 1:
Iniciamos um novo projeto “Placa de circuito com diagrama de circuito” e damos a ele um nome adequado.
Passo 2:
Passamos para o diagrama de circuito, pegamos uma "folha DIN A4 vertical" da "biblioteca de quadros" (RAHMEN.BTL3001) e a colocamos na tela. É melhor rotular o campo de texto imediatamente, caso contrário, você vai esquecê-lo mais tarde.
Passo 3:
Agora, o diagrama da placa de circuito impresso de micro-ondas está desenhado. Os capacitores vêm como "C 1206" da biblioteca "C.BTL3001", as bobinas como "L" da biblioteca "L.BTL3001".
Os marcadores de entrada e saída podem ser encontrados como "referências" no menu suspenso "Outros componentes". Você pode encontrá-los posicionando o cursor sobre o símbolo do transistor na barra de rolagem e deslizando o ponteiro do mouse um pouco para a direita.
Lá você também obtém os símbolos de massa.
Não se esqueça: cada componente na placa de circuito impresso do micro-ondas agora é clicado primeiro para marcá-lo. Em seguida, pressione "w" até a cruz piscar. Com "ä", você acessa o menu de alteração e insere o valor exato do componente.
Passo 4:
Agora precisamos da placa de circuito e acessamos a tela da placa de circuito clicando no símbolo da placa de circuito. Lá, primeiro excluímos o quadro às vezes desenhado para obter uma tela completamente em branco. Em seguida, clicamos no símbolo do CI na barra de rolagem e buscamos uma placa com as dimensões 30 mm x 50 mm em "Free housing" e na biblioteca "PLATINEN.GHS3001".
Passo 5:
Agora, a placa está ampliada para preencher o formato. Em seguida, você deve ir rapidamente para trás do "botão com o olho" para alterar brevemente a grade da tela para 1 mm. Isso facilita a aproximação das posições dos 4 furos de montagem, pois eles devem ficar a 3 mm da borda da placa.
Feito isso, o cursor é rolado com a maior precisão possível para o canto inferior esquerdo do tabuleiro. A tecla "Pos1" do teclado declara imediatamente este canto como o ponto zero relativo do nosso sistema (coordenadas 0 | 0) e movemos o mouse para a posição "3 mm | 3 mm". Lá, pressionamos o "ponto" no teclado duas vezes seguidas (para definir a via) e, em seguida, cortamos o fio de conexão desenrolado com "Escape".
Os 3 buracos restantes são criados da mesma forma. Suas posições são:
3 mm | 27 mm 47 mm | 3 mm 47 mm | 27 mm
Por favor, redefina a grade da tela para 0.1 mm agora!
Passo 6:
Agora, desenhe uma "linha auxiliar" horizontal na placa de circuito impresso do micro-ondas. Ela deve passar claramente à esquerda e à direita sobre a borda da placa e ter exatamente a mesma largura que a linha microstrip de 50 ohms. Não se preocupe... após as etapas a seguir, esta linha será excluída! Para isso, abra o menu de ferramentas de desenho, clique na "linha reta" e, em seguida, na letra "o" (para opções).
Agora é necessário definir a largura da linha para 1.83 mm, não arredondar as pontas e selecionar o nível 16 (ou seja, cobre em cima).
Você também desenha uma linha auxiliar vertical mais estreita (com uma largura um pouco menor, aqui: 0.5 mm) como eixo vertical de simetria. É assim que fica no final.
Passo 7:
Agora, coloque o capacitor central C2 no centro, marcado desta forma. Não se esqueça de ativar a opção "Montar SMD no topo" ao selecionar o gabinete "1206" e, em seguida, use a tecla "d" para girar o componente 90 graus antes de colocá-lo no lugar.
É assim que o centro da placa PCB do micro-ondas fica imediatamente antes do capacitor ser colocado.
Passo 8:
Para ambas as bobinas, escolhemos o invólucro SMD 2220 e as organizamos conforme mostrado na imagem ao lado. No entanto, mostre as linhas de ar com antecedência (= nível 27) e gire os componentes de forma que as linhas de ar correspondam à fiação corretamente. E não a opção "preencher SMD no topo..."
esquecer.
Passo 9:
Agora é hora de conectar os dois capacitores externos, que são colocados abaixo das conexões da bobina.
Passo 10:
Agora podemos excluir nossas duas “linhas auxiliares” e puxar três pedaços de cabo com uma largura de 1.83 mm como “fiação microstrip” da borda esquerda para a direita.
Primeiro assim…
então assim!
Passo 11:
Agora damos a cada capacitor um bom campo de 5 vias para sua conexão de aterramento.
Lembra? Você precisa mover o cursor para a posição desejada e pressionar o "ponto" no teclado duas vezes seguidas. Em seguida, o fio de conexão adicional é cortado com "ESCAPE".
(Foram selecionados um diâmetro de furo de 0.6 mm, uma aura de 0.3 mm e um diâmetro de 1.5 mm).
Passo 12:
E como isso já está funcionando bem, colocamos dois pequenos tapetes na metade superior para aterrar os copos de blindagem da bobina.
Passo 13:
Nas ferramentas de desenho (= botão com o lápis), obtemos o "retângulo preenchido" e pressionamos "o" para as opções. Os retângulos devem estar no nível 16 (= cobre na parte superior) e devem combinar todas as cinco vias de uma conexão de aterramento.
Felizmente, os furos nas vias são mantidos livres automaticamente pelo programa – não precisamos fazer nada a respeito.
Passo 14:
Você nunca deve esquecer que:
uma etiqueta adequada no lado superior de cobre (nível 16) deve ser, porque caso contrário o fabricante do PCB do micro-ondas não sabe o que está para cima ou para baixo e podemos obter Uma placa “espelhada” pode ter sido fornecida.
Também encontramos a opção de texto atrás do botão com o lápis.
Passo 15:
E para completar, vamos atrás do “botão com a varinha mágica” para ativar a opção de preenchimento de área em massa.
Soltamos o lado inferior (nível 2 = cobre abaixo) e selecionamos o sinal “GND”.
Então o programa é iniciado.
É assim que parece.
Último passo:
Para imprimir o topo da placa, mudamos apenas para os níveis 16 (= cobre no topo), 23 (= contorno) e 24
(= Furos). Então, podemos dar uma olhada mais de perto em como ficará a placa de circuito impresso do micro-ondas.
Especificações de qualificação e desempenho de PCB de micro-ondas
IPC-6012, especificação de qualificação e desempenho para placas de circuito impresso rígidas e IPC-6013, especificação de qualificação e desempenho para PCB flexível.
Normalmente, o IPC tenta atualizar essas três especificações de qualificação e desempenho simultaneamente. O IPC-6018 foi publicado na edição "A" de janeiro de 2002.
Material de PCB de micro-ondas
O mercado de tecnologia de micro-ondas tem significativamente menos usuários do que o de tecnologias de PCB convencionais. Há apenas um pequeno número de fornecedores de PTFE, o material de Teflon frequentemente usado para substratos de micro-ondas. Isso contrasta fortemente com a maioria das empresas que fabricam placas de arame à base de laminados FR-4. No entanto, quando se trata do uso de materiais, o termo "pequeno número" rapidamente se torna relativo na enorme indústria eletrônica. Diversas placas de PCB para micro-ondas estão em uso atualmente.
Aplicação de PCB de micro-ondas
“Essa tecnologia é usada em muitas aplicações comerciais, como estações base de celulares e produtos militares hoje em dia”, disse Michael Luke, presidente do subcomitê D-22 do IPC que desenvolveu a diretiva IPC-6018.
À medida que a velocidade dos chips semicondutores continua aumentando, as tecnologias de micro-ondas também serão necessárias em outras áreas.
Diretrizes para produção de PCB de micro-ondas
As adições abordam inúmeras mudanças em relação aos materiais do substrato da placa de circuito impresso e às trilhas condutoras sobre elas. As trilhas condutoras na faixa de micro-ondas apresentam parâmetros de desempenho significativamente diferentes daqueles utilizados em placas de circuito impresso convencionais. Muitas trilhas de uma placa de circuito impresso de micro-ondas típica podem ser projetadas de acordo com os requisitos do IPC para placas de circuito impresso rígidas e flexíveis. Nas áreas onde estão presentes sinais de micro-ondas de alta velocidade, no entanto, aplicam-se valores de parâmetros completamente diferentes para largura, espessura e espaçamento dos condutores. Portanto, não há dúvida de que uma diretriz diferente deve ser utilizada na aquisição de placas de circuito impresso de micro-ondas.
Há também diferenças nos substratos. Ao contrário dos substratos FR-4 das placas de circuito impresso convencionais, a maioria das PCBs para micro-ondas é baseada em PTFE (Teflon). Os laminados de PTFE têm suas próprias propriedades quando camadas individuais são laminadas. A estabilidade dimensional é completamente diferente, ou seja, projetistas e fabricantes precisam levar isso em consideração ao projetar placas de circuito e posicionar furos enterrados ou cegos ou outros elementos que exijam perfuração.
Quando esses furos são perfurados, resíduos de resina, conhecidos como "manchas de resina", podem permanecer na parede do furo. "A diretriz IPC-6018B contém critérios especiais para a remoção de resíduos de resina (manchas de resina), que levam em consideração as propriedades especiais dos laminados de placas de circuito de alta frequência. Isso é um grande problema com placas de circuito de PTFE", disse Perry.
Desde a conclusão da Edição A, no início de 2002, inúmeras outras mudanças ocorreram. Os desenvolvedores da diretiva adicionaram informações de referência sobre resistores e capacitores passivos à seção 3 [REQUISITOS]. A nova versão também aprimorou os requisitos para quebras de bordas de solda, que podem ocorrer sempre que furos não são perfurados no meio das pastilhas. O tema do estresse térmico também foi revisado para levar em conta o progresso alcançado pelos processos de refluxo por convecção para ensaios de estresse térmico em corpos de prova retificados ou amostras de placas de circuito impresso de produção.
