Печатные платы с высокоскоростными чипами и микроволновыми структурами печатных плат имеют многочисленные параметры, которые существенно отличаются от параметров обычных, жестких и гибких печатных плат. Эти различия объясняются в IPC-6018B, Квалификационные и эксплуатационные характеристики для радиочастотных (микроволновых) печатных плат. «Высокая частота» является одной из трех основных классификаций печатных плат IPC (другие две классификации — «r«igid» и «гибкие» печатные платы).
СВЧ дизайн печатной платы
Специальные требования
Тот, кто ничего не знает об особенностях этих частотных диапазонов, сначала покачает головой над этой главой. Потому что не только — из-за возникающих потерь — приходится использовать другие материалы печатных плат, чем на низких частотах (очень часто на основе тефлона или керамики, но и из новых, специально разработанных органических материалов. Компоненты печатных плат СВЧ выглядят по-другому (оптимальным на данный момент является использование SMD-компонентов чипов типоразмера 0603 или лучше 0402, где «0402» означает размер 1 мм x 0.5 мм) и постоянно добавляются новые. Кроме того, на печатных платах должна использоваться совершенно другая «технология разводки», чтобы схемы работали правильно.
«Вариант массового заполнения», предоставляемый Target (и распространяемый для этой цели) в таких схемах, достаточен только до нескольких сотен мегагерц, прежде чем начнутся новые проблемы, и описанный ниже метод придется в конечном итоге изменить.
Простой LC фильтр нижних частот для волнового сопротивления
Давайте рассмотрим простой LC фильтр нижних частот для волнового сопротивления Z = 50 и частоты среза 100 МГц. Сами значения СВЧ-компоненты печатной платы получаются после ввода параметров фильтра в одну из современных программ-фильтров. Все компоненты могут использоваться только в версии SMD (здесь: 1206 для конденсаторов, катушки, с другой стороны, как «2220» с дополнительным заземлением для корпуса экранирования).
Все это еще возможно и кажется вполне нормальным. Только с печатной платой становится интереснее:
Нижняя сторона печатной платы снабжена сплошной заземляющей поверхностью (= GND), а все, что необходимо заземлить, получает свою собственную «заземляющую площадку» сверху с максимально возможным количеством металлизированных сквозных отверстий.
В серии сами металлизированные сквозные отверстия, конечно, спроектированы как «настоящие металлизированные сквозные отверстия». Использование посеребренных полых заклепок диаметром 0.8 мм (= протестировано даже до 10 ГГц) очень хорошо работает с первой тестовой платой.
Входные и выходные соединения могут быть выполнены только с помощью микрополосковых линий с правильным волновым сопротивлением Z и соответствующей правильной шириной (которая, конечно, зависит от материала проводника, толщины платы и, к сожалению, также в некоторой степени от рабочей частоты).
Конечно, с фильтрующими конденсаторами с их часто кривыми номиналами вы не пытаетесь найти такие экзотические вещи где-либо. Они легко реализуются путем параллельного соединения до трех стандартных значений SMD из стандартной серии E12. Даже снижает общую самоиндукцию и, таким образом, смещает естественный резонанс в сторону более высоких частот. Отклонения до 1…2% от общего значения являются допустимыми, поэтому мы заменяем 33.2 пФ на 33 пФ, а 57.2 пФ на 56 пФ в нашем примере.
Новые требования
Значительно меняется обработка программы САПР печатных плат и ее свойства. Новые требования к этому процессу СВЧ печатных плат выглядят следующим образом:
a) Ни автотрассировщик, ни автоплейсер не могут быть использованы. Расположение каждого компонента на печатной плате должно обеспечивать самые короткие соединительные кабели для следующего компонента (потому что каждый дополнительный миллиметр кабеля может означать дополнительную индуктивность). Это означает, что компоненты должны иметь возможность перемещаться с максимальной точностью без проблем или поворачиваться на любой угол. И все это вручную.
б) С другой стороны, контактные площадки для SMD-компонентов должны быть как можно меньше, поскольку они вносят в схему дополнительные емкости. Эти емкости должны быть учтены уже при проектировании и моделировании схемы…
c) Очень часто вы вынуждены проектировать новые контактные площадки SMD или даже новые корпуса, потому что в библиотеке обычно нет ничего для требуемых специальных компонентов. Это не должно быть секретной наукой и должно происходить очень быстро.
г) Должна быть предусмотрена возможность создания «сквозных отверстий» (= сквозного металлизированного соединения).
д) Требуемые поверхности заземления должны легко создаваться и автоматически очищать отверстия переходных отверстий.
е) В конце токопроводящие дорожки не должны быть закруглены, их ширина и длина должны регулироваться с точностью до сотой доли миллиметра.
ж) Самый нижний уровень печатной платы полностью снабжен медным слоем, который через переходные отверстия соединен с «GND» (= земля).
h) Следовательно, проводка выполняется только наверху (обычно: уровень 1). Конечно, вы должны быть очень осторожны, чтобы корпуса микросхем или транзисторов могли быть правильно отражены, если они были разработаны для использования на самом нижнем уровне.
Пример конструкции (СВЧ-печатная плата): 100 МГц – низкие частоты
Теперь нам нужно понять весь процесс проектирования фильтра нижних частот, описанного выше.
Шаг 1:
Начинаем новый проект «Печатная плата со схемой» и даем ему подходящее название.
Шаг 2:
Переходим к принципиальной схеме, достаем из «библиотеки рамок» (RAHMEN.BTL4) «вертикальный лист DIN A3001» и выводим его на экран. Лучше сразу озаглавить текстовое поле, иначе потом забудете.
Шаг 3:
Теперь схема печатной платы микроволновки нарисована. Конденсаторы идут как «C 1206» из библиотеки «C.BTL3001», катушки как «L» из библиотеки «L.BTL3001».
Маркеры входа и выхода можно найти как «ссылки» в выпадающем меню «Другие компоненты». Вы можете найти его, поместив курсор на символ транзистора на полосе прокрутки, а затем немного переместив указатель мыши вправо.
Там же вы увидите и массовые символы.
Не забудьте: каждый компонент в микроволновой печатной плате теперь сначала щелкается, чтобы пометить его. Затем нажмите «w», пока не замигает перекрестие. С помощью «ä» вы попадаете в меню изменений и вводите там точное значение компонента.
Шаг 4:
Теперь нам нужна печатная плата, и мы переключаемся на экран печатной платы, нажав на символ печатной платы. Там мы сначала удаляем иногда нарисованную рамку, чтобы получить абсолютно пустой экран. Затем мы нажимаем на символ ИС в полосе прокрутки и получаем плату с размерами 30 мм x 50 мм через «Free housing» и библиотеку «PLATINEN.GHS3001».
Шаг 5:
Теперь эта плата увеличена для заполнения формата. Затем следует быстро зайти за «кнопку с глазом», чтобы ненадолго изменить сетку экрана на 1 мм. Это облегчает приближение к позициям 4 крепежных отверстий, поскольку они должны находиться на расстоянии 3 мм от края платы.
После этого курсор максимально точно накатывается на нижний левый угол платы. Клавиша клавиатуры «Pos1» немедленно объявляет этот угол относительной нулевой точкой нашей системы (координаты 0 | 0) и мы перемещаем мышь в положение «3 мм | 3 мм». Там мы нажимаем «точку» на клавиатуре дважды подряд (чтобы задать отверстие), а затем отрезаем разматывающийся соединительный провод с помощью «Escape».
Оставшиеся 3 отверстия создаются таким же образом. Ваши позиции:
3мм | 27мм 47мм | 3мм 47мм | 27мм
Пожалуйста, немедленно сбросьте сетку экрана до 0.1 мм!
Шаг 6:
Теперь вы размещаете горизонтальную «вспомогательную линию» поперек платы микроволновой печатной платы. Она должна четко проходить слева и справа по краю платы и иметь точно такую же ширину, как и 50-омная микрополосковая линия. Не волнуйтесь… после следующих действий эта линия будет удалена! Для этого открываем меню инструментов рисования, нажимаем на «прямую линию», а затем на букву «o» (для опций).
Теперь необходимо установить толщину линии 1.83 мм, не закруглять концы и выбрать уровень 16 (т.е. медь сверху).
Вы также рисуете более узкую вертикальную вспомогательную линию (ширина немного меньше. Здесь: 0.5 мм) как вертикальную ось симметрии. Вот как это выглядит в конце.
Шаг 7:
Теперь сначала поместите средний конденсатор C2 в центр, отмеченный таким образом. Пожалуйста, не забудьте активировать опцию «Mount SMD on top» при выборе корпуса «1206», а затем используйте клавишу «d», чтобы повернуть компонент на 90 градусов, прежде чем поместить его вниз.
Вот так выглядит центральная часть платы микроволновой печи непосредственно перед установкой конденсатора.
Шаг 8:
Для обеих катушек мы выбираем корпус SMD 2220 и располагаем их так, как показано на рисунке напротив. Однако, пожалуйста, покажите воздушные линии заранее (= уровень 27) и поверните компоненты так, чтобы воздушные линии соответствовали проводке правильно. А не вариант «заполнить SMD сверху …»
забывать.
Шаг 9:
Теперь пришло время подключить два внешних конденсатора, которые расположены под соединениями катушки.
Шаг 10:
Теперь мы можем удалить наши две «вспомогательные линии» и протянуть три куска кабеля шириной 1.83 мм в качестве «микрополосковой проводки» от левого до правого края.
Сначала вот так…
тогда вот так!
Шаг 11:
Теперь мы даем каждому конденсатору хорошее поле из 5 переходных отверстий для его заземления.
Помните? Нужно переместить курсор в нужную позицию, а затем дважды подряд нажать «точку» на клавиатуре. Затем дополнительный соединительный провод перерезается с помощью «ESCAPE».
(Были выбраны диаметр отверстия 0.6 мм, аура 0.3 мм и диаметр 1.5 мм).
Шаг 12:
И поскольку это уже хорошо работает, мы расстилаем два небольших коврика в верхней половине для заземления экранирующих чашек катушки.
Шаг 13:
Из инструментов рисования (= кнопка с карандашом) получаем «заполненный прямоугольник» и нажимаем «o» для опций. Прямоугольники должны быть на уровне 16 (= медь сверху) и должны объединять все пять переходных отверстий заземляющего соединения.
К счастью, программа автоматически оставляет отверстия в переходных отверстиях свободными — нам не нужно ничего с этим делать.
Шаг 14:
Никогда не следует забывать, что:
На верхней медной стороне (уровень 16) должна быть соответствующая маркировка, поскольку в противном случае производитель печатной платы СВЧ-печи не будет знать, что находится сверху, а что снизу, и мы можем получить «зеркальную» плату.
За кнопкой с карандашом мы также находим текстовую опцию.
Шаг 15:
И чтобы все было ровно, мы заходим за «кнопку с волшебной палочкой», чтобы активировать опцию заполнения области масс.
Освобождаем нижнюю сторону (уровень 2 = медь внизу) и выбираем сигнал «GND».
Затем программа запускается.
Вот как это выглядит.
Последний шаг:
Для печати верхней части платы мы переключаемся только на уровни 16 (= медь сверху), 23 (= контур) и 24.
(= Скважины). Затем мы сможем поближе рассмотреть, как будет выглядеть печатная плата микроволновой печи.
Квалификация и эксплуатационные характеристики СВЧ-печатной платы
IPC-6012, квалификационные и эксплуатационные характеристики для жесткие печатные платы и IPC-6013, квалификационные и эксплуатационные характеристики гибких печатных плат.
Обычно IPC пытается обновить эти три спецификации квалификации и производительности одновременно. IPC-6018 был опубликован в выпуске «A» за январь 2002 года.
Материал печатной платы для микроволновых печей
Рынок микроволновых технологий имеет значительно меньше пользователей, чем обычные технологии печатных плат. Существует лишь небольшое количество поставщиков PTFE, материала тефлона, который часто используется для микроволновых подложек. Это резко контрастирует со многими предприятиями, проволочной пластиной на основе ламинатов FR-4. Однако, когда дело доходит до использования материалов, термин «небольшое количество» быстро становится относительным в огромной электронной промышленности. В настоящее время используются многочисленные микроволновые печатные платы.
Применение печатных плат в микроволновых печах
«Эта технология сегодня используется во многих коммерческих приложениях, таких как базовые станции сотовой связи и военная продукция», — сказал Майкл Люк, председатель подкомитета IPC D-22, разработавшего директиву IPC-6018.
Поскольку скорость полупроводниковых кристаллов продолжает расти, микроволновые технологии будут востребованы и в других областях.
Руководство по производству печатных плат для микроволновых печей
Дополнения касаются многочисленных изменений в материалах подложки печатной платы и проводящих дорожек на них. Проводящие дорожки в диапазоне СВЧ имеют существенно иные эксплуатационные параметры, чем те, которые используются для обычных печатных плат. Многие трассы типичной печатной платы СВЧ могут быть спроектированы в соответствии с требованиями IPC для жестких и гибких печатных плат. Однако в областях, где присутствуют высокоскоростные микроволновые сигналы, применяются совершенно другие значения параметров для ширины, толщины и расстояния между проводниками. Поэтому нет никаких сомнений в том, что при закупке печатных плат СВЧ необходимо использовать другие руководящие принципы.
Также существуют различия в подложках. В отличие от подложек FR-4 обычных печатных плат, большинство микроволновых печатных плат основаны на PTFE (тефлоне). ПТФЭ-ламинаты имеют свои собственные свойства при ламинировании отдельных слоев. Стабильность размеров совершенно разная, т. е. проектировщикам и производителям необходимо учитывать это при компоновке печатных плат и размещении скрытых отверстий или глухих отверстий или других элементов, требующих сверления.
При сверлении этих отверстий остатки смолы, известные как «смоляные разводы», могут оставаться при формировании стенки отверстия. «Руководство IPC-6018B содержит специальные критерии для удаления остатков смолы (смоляных разводов), которые учитывают особые свойства ламинатов высокочастотных печатных плат. Это большая проблема с печатными платами из ПТФЭ», — сказал Перри.
С момента завершения выпуска A в начале 2002 года произошло множество других изменений. Разработчики директивы добавили справочную информацию о пассивных резисторах и конденсаторах в раздел 3 [ТРЕБОВАНИЯ]. В новой версии также улучшены требования к разрывам кромок пайки, которые могут возникнуть, если отверстия не просверлены в середине контактных площадок. Тема термического напряжения также была пересмотрена с учетом прогресса, достигнутого процессами конвекционного оплавления для испытаний на термическое напряжение на шлифованных образцах или образцах с производственных печатных плат.
