16 Stappen op magnetron PCB-ontwerp

Printplaten met high-speed chips en microgolf PCB-structuren hebben talrijke parameters die aanzienlijk verschillen van die van conventionele, stijve en flexibele printplaten. Deze verschillen worden verklaard in IPC-6018B, Kwalificatie- en prestatiespecificaties voor radiofrequentie (Magnetron) Printplaten. “High frequency” is one of the three primary classifications of circuit boards of the IPC (the other two classifications are “rigid” and “flexible” circuit boards).

Magnetron PCB-ontwerp

Speciale vereisten

Iedereen die niets weet van de eigenaardigheden van deze frequentiebereiken, zal eerst zijn hoofd schudden over dit hoofdstuk. Because not only – because of the losses that occur – other circuit board materials than at low frequencies have to be used (heel vaak op basis van teflon of keramiek, maar ook vanaf nieuw, speciaal ontwikkelde organische materialen. De componenten van de microgolfprintplaat zien er anders uit (het optimale op dit moment is het gebruik van SMD-chipcomponenten van grote afmetingen 0603 of beter 0402, where “0402” means a size of 1mm x 0.5mm) en er komen voortdurend nieuwe bij. Daarnaast, a completely different “wiring technology” must be used on the printed circuit boards in order to make the circuits work properly.

De "massa-vuloptie" die wordt aangeboden door Target (en voor dit doel gepropageerd) in dergelijke circuits is slechts tot een paar honderd megahertz voldoende voordat nieuwe problemen beginnen en de hieronder beschreven methode eindelijk moet worden gewijzigd.

Simpele LC low pass voor de golfweerstand

Laten we eens kijken naar een eenvoudige LC-laagdoorlaat voor de golfweerstand Z = 50 en een afsnijfrequentie van 100 MHz. De component van de microgolf-PCB-waarden zelf wordt verkregen na het invoeren van de filterparameters in een van de moderne filterprogramma's. Alle componenten mogen alleen in de SMD-versie worden gebruikt (hier: 1206 voor de condensatoren, de spoelen, aan de andere kant, as “2220” with an additional ground connection for the shielding housing).

Dat alles is nog steeds mogelijk en lijkt heel normaal. Pas met de printplaat wordt het interessanter:

De onderzijde van de printplaat is voorzien van een doorlopend geslepen oppervlak (= GND) en alles wat geaard moet worden, krijgt zijn eigen "aardingspad" aan de bovenkant met zoveel mogelijk doorlopende gaten.

In de serie, de doorlopende gaten zelf zijn, natuurlijk, designed as “real plated-through holes”. Het gebruik van verzilverde holle klinknagels met een diameter van 0.8 mm (= zelfs getest tot 10 GHz) werkt erg goed met het eerste testbord.

Ingangs- en uitgangsverbindingen mogen alleen worden gemaakt via microstriplijnen met de juiste golfimpedantie Z en de bijbehorende juiste breedte (wat natuurlijk afhangt van het geleidermateriaal, the board thickness and – unfortunately – also somewhat on the operating frequency.

Natuurlijk, met filtercondensatoren met hun vaak kromme waarden, je probeert nergens zulke exotische dingen te vinden. Ze zijn eenvoudig te realiseren door maximaal drie SMD-standaardwaarden uit de E12-standaardserie parallel te schakelen. Vermindert zelfs de algehele zelfinductie en verschuift zo de natuurlijke resonantie naar hogere frequenties. Afwijkingen tot 1 … 2% van de totale waarde zijn aanvaardbaar, daarom vervangen we de 33.2 pF met 33 pF en de 57.2 pF met 56 pF in ons voorbeeld.

De nieuwe eisen

De omgang met het PCB CAD-programma en zijn eigenschappen verandert aanzienlijk. De nieuwe eisen voor dit proces van microgolf-PCB zien er als volgt uit:

een) Noch een autorouter, noch een autoplacer mag worden gebruikt. De positie van elk onderdeel op de printplaat moet zorgen voor de kortste verbindingskabels naar het volgende onderdeel (omdat elke millimeter extra kabel extra inductie kan betekenen). Dit betekent dat componenten probleemloos met maximale nauwkeurigheid moeten kunnen worden verplaatst of onder elke hoek moeten kunnen worden gedraaid. En dat allemaal met de hand.

b) Aan de andere kant, de soldeerpads voor de SMD-componenten moeten zo klein mogelijk zijn, omdat ze extra capaciteiten in het circuit brengen. These capacities must already be taken into account in the design and circuit simulation …

c) Heel vaak wordt u gedwongen om nieuwe SMD-soldeerpads of zelfs nieuwe behuizingen te ontwerpen, omdat er meestal niets in de bibliotheek staat voor de benodigde speciale componenten. Dit zou geen geheime wetenschap moeten zijn en zou heel snel moeten gebeuren.

d) De mogelijkheid om de "via's" te maken (= doorplateren) moet beschikbaar zijn.

e) Vereiste grondoppervlakken moeten eenvoudig te maken zijn en automatisch de gaten van de via's vrijmaken.

f) Op het eind, geleidersporen mogen niet afgerond zijn, hun breedte en lengte moeten instelbaar zijn tot op een honderdste van een millimeter.

g) Het onderste niveau van de printplaat is volledig voorzien van een koperlaag, which is connected to “GND” (= grond) via de vias.

h) bijgevolg, bedrading wordt alleen aan de bovenkant uitgevoerd (meestal: niveau 1). Natuurlijk, je moet heel voorzichtig zijn dat de behuizingen van IC's of transistors correct kunnen worden gespiegeld als ze zijn ontworpen voor gebruik op het laagste niveau.

Ontwerpvoorbeeld ( magnetron PCB ): 100 MHz – low pass

We willen nu het volledige ontwerpproces voor de laagdoorlaat hierboven begrijpen.

Stap 1:
We start a new project “Circuit board with circuit diagram” and give it a suitable name.

Stap 2:
We schakelen over naar het schakelschema, get a “vertical DIN A4 sheet” from the “frame library” (KADER.BTL3001) en zet het op het scherm. U kunt uw tekstveld het beste meteen een label geven, anders vergeet je het later wel.

Stap 3:
Nu wordt het microgolf-PCB-diagram getekend. The capacitors come as “C 1206” from the “C.BTL3001” library, the coils as “L” from the “L.BTL3001” library.

Entry and exit markers can be found as “references” in the pull-down menu “Other components”. Je kunt het vinden door de cursor op het transistorsymbool in de schuifbalk te plaatsen en vervolgens de muisaanwijzer een beetje naar rechts te schuiven.

Daar krijg je ook de massasymbolen.

Vergeet niet: elk onderdeel in de microgolfprintplaat wordt nu eerst geklikt om het te markeren. Then press “w” until the crosshair flashes. With “ä” you get into the change menu and enter the exact component value there.

Stap 4:
Nu hebben we de printplaat nodig en schakelen we over naar het printplaatscherm door op het printplaatsymbool te klikken. Daar verwijderen we eerst het soms getekende frame om een ​​absoluut leeg scherm te krijgen. Then we click on the IC symbol in the scroll bar and fetch a board with the dimensions 30mm x 50mm via “Free housing” and the library “PLATINEN.GHS3001”.

Stap 5:
Nu is dit bord ingezoomd om het formaat te vullen. Then you should quickly go behind the “button with the eye” to briefly change the screen grid to 1mm. Dit maakt het gemakkelijker om de posities van de 4 bevestigingsgaten, zoals ze zouden moeten zitten 3 mm vanaf de rand van het bord.

Zodra dit is gebeurd, de cursor wordt zo nauwkeurig mogelijk naar de linker benedenhoek van het bord gerold. The keyboard key “Pos1” immediately declares this corner as the relative zero point of our system (coördinaten 0 | 0) and we move the mouse to the position “3mm | 3mm “. There we press the “dot” on the keyboard twice in succession (om de via in te stellen) and then cut off the unwinding connecting wire with “Escape”.

De resterende 3 gaten worden op dezelfde manier gemaakt. Uw posities zijn:
3mm | 27mm 47 mm | 3mm 47 mm | 27mm

Stel het schermraster nu opnieuw in op 0,1 mm!

Stap 6:

You now place a horizontal “auxiliary line” across the microwave PCB board. Het moet duidelijk links en rechts over de rand van het bord gaan en exact dezelfde breedte hebben als het 50 ohm microstrip lijn. Don’t worry … after the following actions this line will be deleted! Om dit te doen, we openen het menu met tekengereedschappen, click on the “straight line” and then on the letter “o” (voor opties).

Nu is het nodig om de lijndikte in te stellen op 1.83 mm, om de uiteinden niet af te ronden en om een ​​niveau te selecteren 16 (d.w.z. koper bovenop).

U tekent ook een smallere verticale hulplijn (breedte iets kleiner. Hier: 0.5 mm) als een verticale symmetrieas. Dit is hoe het er aan het eind uitziet.

Stap 7:

Nu plaats je eerst de middelste condensator C2 in het op deze manier gemarkeerde midden. Please do not forget to activate the “Mount SMD on top” option when selecting the “1206” housing and then use the “d” key to turn the component 90 graden voordat u het neerlegt.

Dit is hoe het midden van de microgolfprintplaat eruitziet onmiddellijk voordat de condensator wordt neergezet.

Stap 8:

Voor beide spoelen kiezen we voor de SMD-behuizing 2220 en rangschik ze zoals weergegeven in de afbeelding hiernaast. Echter, laat de luchtleidingen van tevoren zien (= niveau 27) en draai de componenten zodat de luchtleidingen correct aansluiten op de bedrading. And not the option “populate SMD on top …”
vergeten.

Stap 9:

Nu is het tijd om de twee buitenste condensatoren aan te sluiten, die onder de spoelaansluitingen worden geplaatst.

Stap 10:

Now we can delete our two “auxiliary lines” and pull three pieces of cable with a width of 1.83 mm as “microstrip wiring” from the left to the right edge.

First like this …

dan zo!

Stap 11:

Nu geven we elke condensator een mooi veld van 5 via's voor de aardverbinding.
Weet je nog? You have to move the cursor to the intended position and then press the “dot” on the keyboard twice in succession. Then the additional connecting wire is cut with “ESCAPE”.

(Een boringdiameter van 0.6 mm, een aura van 0.3 mm en een diameter van 1.5 mm werden geselecteerd).

Stap 12:

En omdat dit al goed werkt, we leggen twee kleine tapijten in de bovenste helft om de afschermkappen van de spoel te aarden.

Stap 13:

Van de tekengereedschappen (= knoop met het potlood) we get the “filled rectangle” and press “o” for the options. De rechthoeken moeten waterpas staan 16 (= koper bovenop) en moet alle vijf via's van een aardverbinding combineren.

gelukkig, the holes in the vias are automatically kept free by the program – we don’t have to do anything about that.

Stap 14:

Dat mag u nooit vergeten:
een geschikt label op de koperen bovenkant (niveau 16) moet zijn, because otherwise the microwave PCB manufacturer does not know what is up or down and we may get A “mirrored” board may have been supplied.
Ook vinden we de tekstoptie achter de knop met het potlood.

Stap 15:

En om dingen rond te maken, we go behind the “button with the magic wand” to activate the mass area filling option.

We laten de onderkant los (niveau 2 = koper hieronder) and select the signal “GND”.

Daarna wordt het programma gestart.

Zo ziet het eruit.

Laatste stap:

Om de bovenkant van het bord af te drukken, we schakelen alleen naar niveaus 16 (= koper bovenop), 23 (= overzicht) en 24
(= Boorgaten). Daarna kunnen we nader bekijken hoe de microgolfprintplaat eruit zal zien.

Kwalificatie- en prestatiespecificaties van microgolfprintplaten

IPC-6012, kwalificatie- en prestatiespecificatie voor stijve printplaten en IPC-6013, kwalificatie en prestatiespecificatie voor flexibele PCB.

Typisch, de IPC probeert deze drie kwalificatie- en prestatiespecificaties tegelijkertijd bij te werken. IPC-6018 werd in januari gepubliceerd 2002 probleem "A".

Magnetron PCB-materiaal

De markt voor microgolftechnologie heeft aanzienlijk minder gebruikers dan conventionele PCB-technologieën. Er is slechts een klein aantal PTFE-leveranciers, het Teflon-materiaal dat vaak wordt gebruikt voor micron-golfsubstraten. Het staat in schril contrast met de vele ondernemingen, de draadplaat op basis van FR-4 laminaten. Echter, als het gaat om materiaalgebruik, de term "klein aantal" wordt al snel relatief in de enorme elektronica-industrie. Er zijn inmiddels talloze microgolfprintplaten in gebruik.

Magnetron PCB-toepassing

“This technology is used in many commercial applications such as cellular base stations and military products today,” said Michael Luke, voorzitter van de IPC D-22-subcommissie die de IPC-6018-richtlijn heeft ontwikkeld.

Naarmate de halfgeleiderchipsnelheden blijven toenemen, microgolftechnologieën zullen ook op andere gebieden nodig zijn.

Richtlijnen voor het produceren van microgolfprintplaten

De toevoegingen hebben betrekking op tal van wijzigingen met betrekking tot de substraatmaterialen van de printplaat en de geleiderbanen daarop. De geleidersporen in het microgolfbereik hebben significant andere prestatieparameters dan die gebruikt worden voor conventionele printplaten. Veel sporen van een typische microgolf-printplaat kunnen worden ontworpen volgens de IPC-vereisten voor stijve en flexibele printplaten. In de gebieden waar snelle microgolfsignalen aanwezig zijn, echter, voor de geleiderbreedte gelden geheel andere parameterwaarden, dikte en afstand. Het lijdt dan ook geen twijfel dat bij de aanschaf van microgolfprintplaten een andere richtlijn moet worden gehanteerd.

Er zijn ook verschillen in de ondergronden. In tegenstelling tot de FR-4-substraten van conventionele printplaten, de meeste microgolf-PCB's zijn gebaseerd op PTFE (Teflon). PTFE-laminaten hebben hun eigen eigenschappen wanneer afzonderlijke lagen worden gelamineerd. De maatvastheid is totaal anders, ik. H. Ontwerpers en fabrikanten moeten hier rekening mee houden bij het ontwerpen van printplaten en het plaatsen van ingegraven gaten of blinde gaten of andere elementen die moeten worden geboord.

Wanneer deze gaten worden geboord, resin residue known as “resin smear” may remain when the hole wall is formed. “De richtlijn IPC-6018B bevat speciale criteria voor het verwijderen van harsresten (hars uitstrijkje), die rekening houden met de bijzondere eigenschappen van hoogfrequente printplaatlaminaten. Het is een groot probleem met PTFE-printplaten, 'Zei Perry.

Sinds de voltooiing van probleem A in het begin van 2002, tal van andere veranderingen hebben plaatsgevonden. De ontwikkelaars van de richtlijn hebben referentie-informatie over passieve weerstanden en condensatoren toegevoegd aan sectie 3 [VOORWAARDEN]. De nieuwe versie heeft ook de vereisten voor soldeerrandbreuken verbeterd, die kunnen optreden als er geen gaten in het midden van de pads worden geboord. Het onderwerp thermische spanning is ook herzien om rekening te houden met de vooruitgang die is geboekt door convectie-reflow-processen voor thermische stresstests op grondmonsters of monsters van geprinte printplaten..