16 Kroki na projektowaniu płytki mikrofalowej

Obwody drukowane z szybkimi chipami i mikrofalowymi strukturami PCB posiadają liczne parametry znacznie różniące się od konwencjonalnych, sztywne i elastyczne płytki drukowane,. Te różnice wyjaśniono w IPC-6018B, Specyfikacje kwalifikacji i wydajności dla częstotliwości radiowych (kuchenka mikrofalowa) Płytki drukowane. “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).

Projekt płytki mikrofalowej

Specjalne wymagania

Każdy, kto nic nie wie o specyfice tych zakresów częstotliwości, najpierw potrząsnie głową nad tym rozdziałem. Because not only – because of the losses that occur – other circuit board materials than at low frequencies have to be used (bardzo często na bazie teflonu lub ceramiki, ale też od nowości, specjalnie opracowane materiały organiczne. Elementy płytki mikrofalowej wyglądają inaczej (optymalne w tej chwili jest zastosowanie elementów chipowych SMD o rozmiarach 0603 albo lepiej 0402, where “0402” means a size of 1mm x 0.5mm) i ciągle dodawane są nowe. Dodatkowo, a completely different “wiring technology” must be used on the printed circuit boards in order to make the circuits work properly.

„Opcja wypełnienia masy” dostarczona przez Target (i propagowane w tym celu) w takich obwodach wystarcza tylko do kilkuset megaherców przed pojawieniem się nowych problemów i opisana poniżej metoda musi zostać ostatecznie zmieniona.

Prosty dolnoprzepustowy LC dla rezystancji fali

Rzućmy okiem na prosty dolnoprzepustowy LC dla rezystancji falowej Z = 50 i częstotliwość odcięcia 100 MHz. Same wartości składowej mikrofalowej PCB uzyskuje się po wprowadzeniu parametrów filtra w jednym z nowoczesnych programów filtrujących. Wszystkie komponenty mogą być używane tylko w wersji SMD (tutaj: 1206 dla kondensatorów, cewki, z drugiej strony, as “2220” with an additional ground connection for the shielding housing).

Wszystko to jest nadal możliwe i wydaje się całkiem normalne. Dopiero z płytką drukowaną robi się ciekawiej:

Spód płytki drukowanej ma ciągłą powierzchnię uziemienia (= GND) a wszystko, co musi być uziemione, ma swoją własną „podkładkę uziemiającą” na górze z jak największą liczbą przewierconych otworów.

W serii, same platerowane otwory są, oczywiście, designed as “real plated-through holes”. Zastosowanie posrebrzanych nitów drążonych o średnicy 0.8 mm (= nawet testowane do 10 GHz) działa bardzo dobrze z pierwszą płytką testową.

Połączenia wejściowe i wyjściowe można wykonać tylko za pomocą linii mikropaskowych o prawidłowej impedancji falowej Z i odpowiedniej prawidłowej szerokości (co oczywiście zależy od materiału przewodnika, the board thickness and – unfortunately – also somewhat on the operating frequency.

Oczywiście, z kondensatorami filtrującymi o często krzywych wartościach, nigdzie nie próbujesz znaleźć takich egzotycznych rzeczy. Można je łatwo zrealizować, łącząc równolegle do trzech standardowych wartości SMD ze standardowej serii E12. Zmniejsza nawet ogólną indukcyjność własną, a tym samym przenosi naturalny rezonans na wyższe częstotliwości. Odchylenia do 1 … 2% całkowitej wartości są tolerowane, dlatego zastępujemy 33.2 pF z 33 pF i 57.2 pF z 56 pF w naszym przykładzie.

Nowe wymagania

Obsługa programu CAD PCB i jego właściwości ulegają znacznym zmianom. Nowe wymagania dotyczące tego procesu mikrofalowego PCB wyglądają tak:

za) Nie można używać autoroutera ani autoplacera. Pozycja każdego komponentu na płytce drukowanej musi zapewniać najkrótsze kable łączące z następnym komponentem (bo każdy dodatkowy milimetr przewodu może oznaczać dodatkową indukcyjność). Oznacza to, że elementy muszą mieć możliwość bezproblemowego przesuwania z maksymalną dokładnością lub obracania o dowolny kąt. A wszystko ręcznie.

b) Z drugiej strony, pola lutownicze elementów SMD muszą być jak najmniejsze, ponieważ wnoszą do obwodu dodatkowe pojemności. These capacities must already be taken into account in the design and circuit simulation …

do) Bardzo często jesteś zmuszony do zaprojektowania nowych punktów lutowniczych SMD lub nawet nowych obudów, ponieważ w bibliotece zwykle nie ma nic dla wymaganych komponentów specjalnych. To nie powinno być tajemną nauką i powinno nastąpić bardzo szybko.

re) Możliwość tworzenia „przelotek” (= poszycie przelotowe) musi być dostępny.

mi) Wymagane powierzchnie podłoża muszą być łatwe do utworzenia i automatycznie usuwać otwory przelotek.

fa) Na końcu, tory przewodzące nie mogą być zaokrąglone, ich szerokość i długość muszą być regulowane z dokładnością do jednej setnej milimetra.

g) Najniższy poziom płytki drukowanej jest całkowicie pokryty warstwą miedzi, which is connected to “GND” (= ziemia) vias.

h) w konsekwencji, okablowanie odbywa się tylko od góry (zazwyczaj: poziom 1). Oczywiście, trzeba bardzo uważać, aby obudowy układów scalonych lub tranzystorów mogły być poprawnie zwierciadlane, jeśli zostały zaprojektowane do użytku na najniższym poziomie.

Przykład projektu ( mikrofalowa płytka drukowana ): 100 MHz – low pass

Chcemy teraz zrozumieć cały proces projektowania dla dolnoprzepustowego powyżej.

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

Krok 2:
Przechodzimy do schematu obwodu, get a “vertical DIN A4 sheet” from the “frame library” (RAMA.BTL3001) i umieść to na ekranie. Najlepiej od razu oznaczyć pole tekstowe, inaczej zapomnisz o tym później.

Krok 3:
Teraz rysowany jest schemat płytki mikrofalowej. 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”. Możesz go znaleźć, umieszczając kursor na symbolu tranzystora na pasku przewijania, a następnie przesuwając wskaźnik myszy nieco w prawo.

Tam również dostajesz symbole mszy.

Nie zapomnij: każdy element w płytce mikrofalowej jest teraz klikany jako pierwszy, aby go zaznaczyć. Then press “w” until the crosshair flashes. With “ä” you get into the change menu and enter the exact component value there.

Krok 4:
Teraz potrzebujemy płytki drukowanej i przejdź do ekranu płytki drukowanej, klikając symbol płytki drukowanej. Tam najpierw usuwamy czasami narysowaną ramkę, aby uzyskać całkowicie pusty ekran. 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”.

Krok 5:
Teraz ta tablica jest powiększona, aby wypełnić format. Then you should quickly go behind the “button with the eye” to briefly change the screen grid to 1mm. Ułatwia to podejście do pozycji 4 otwory montażowe, jak powinni siedzieć 3 mm od krawędzi deski.

Kiedy to zrobisz, kursor jest przesunięty jak najdokładniej na lewy dolny róg planszy. The keyboard key “Pos1” immediately declares this corner as the relative zero point of our system (współrzędne 0 | 0) and we move the mouse to the position “3mm | 3mm “. There we press the “dot” on the keyboard twice in succession (ustawić przelotkę) and then cut off the unwinding connecting wire with “Escape”.

Pozostałe 3 dziury są tworzone w ten sam sposób. Twoje pozycje są:
3mm | 27mm 47mm | 3mm 47mm | 27mm

Zresetuj teraz siatkę ekranu do 0,1 mm!

Krok 6:

You now place a horizontal “auxiliary line” across the microwave PCB board. Musi przebiegać wyraźnie w lewo i w prawo poza krawędź planszy i mieć dokładnie taką samą szerokość jak 50 omowa linia mikropaskowa. Don’t worry … after the following actions this line will be deleted! Aby to zrobić, otwieramy menu narzędzi do rysowania, click on the “straight line” and then on the letter “o” (dla opcji).

Teraz należy ustawić szerokość linii na 1.83 mm, nie zaokrąglać końcówek i wybierać poziom 16 (to znaczy. miedź na wierzchu).

Rysujesz również węższą pionową linię pomocniczą (szerokość nieco mniejsza. Tutaj: 0.5 mm) jako pionowa oś symetrii. Tak to wygląda na koniec.

Krok 7:

Teraz najpierw umieść środkowy kondensator C2 w tak oznaczonym środku. 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 stopni przed odłożeniem.

Tak wygląda środek płytki PCB mikrofalówki tuż przed odłożeniem kondensatora.

Krok 8:

Do obu cewek dobieramy obudowę SMD 2220 i ułóż je tak, jak pokazano na rysunku obok. jednak, proszę wcześniej pokazać linie lotnicze (= poziom 27) i obróć komponenty tak, aby przewody powietrzne pasowały do ​​​​okablowania prawidłowo. And not the option “populate SMD on top …”
zapomnieć.

Krok 9:

Teraz czas na podłączenie dwóch zewnętrznych kondensatorów, które są umieszczone pod połączeniami cewek.

Krok 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 …

to jak to!

Krok 11:

Teraz dajemy każdemu kondensatorowi ładne pole 5 przelotki do uziemienia.
Pamiętasz? 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”.

(Średnica otworu 0.6 mm, aura 0.3 mm i średnicy 1.5 mm zostały wybrane).

Krok 12:

A ponieważ to już działa dobrze, w górnej połowie kładziemy dwa małe dywaniki do uziemienia miseczek ekranujących cewki.

Krok 13:

Z narzędzi do rysowania (= guzik z ołówkiem) we get the “filled rectangle” and press “o” for the options. Prostokąty muszą być na poziomie 16 (= miedź na wierzchu) i powinien łączyć wszystkie pięć przelotek połączenia uziemiającego.

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

Krok 14:

Nigdy nie powinieneś o tym zapominać:
odpowiednia etykieta na górnej miedzianej stronie (poziom 16) musi być, 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.
Znajdziemy również opcję tekstową za przyciskiem z ołówkiem.

Krok 15:

I żeby wszystko było okrągłe, we go behind the “button with the magic wand” to activate the mass area filling option.

Wypuszczamy dolną stronę (poziom 2 = miedź poniżej) and select the signal “GND”.

Następnie program jest uruchamiany.

Tak to wygląda.

Ostatni krok:

Aby wydrukować górę planszy, przełączamy się tylko na poziomy 16 (= miedź na wierzchu), 23 (= zarys) i 24
(= Odwierty). Następnie możemy przyjrzeć się bliżej, jak będzie wyglądać płytka PCB w mikrofalówce.

Kwalifikacje i specyfikacje wydajności mikrofalowej PCB

IPC-6012, specyfikacja kwalifikacji i wydajności dla sztywne płytki drukowane i IPC-6013, kwalifikacja i specyfikacja wydajności dla elastycznej płytki drukowanej.

Zazwyczaj, IPC próbuje jednocześnie aktualizować te trzy specyfikacje kwalifikacji i wydajności. IPC-6018 został opublikowany w styczniu 2002 wydanie „A”.

Materiał płytki mikrofalowej

Rynek technologii mikrofalowej ma znacznie mniej użytkowników niż konwencjonalne technologie PCB. Istnieje tylko niewielka liczba dostawców PTFE, materiał teflonowy, który jest często używany do podłoży fal mikronowych. Jest to w dużym kontraście do wielu przedsiębiorstw, płyta druciana na bazie laminatów FR-4. jednak, jeśli chodzi o wykorzystanie materiałów, termin „mała liczba” szybko staje się względny w ogromnym przemyśle elektronicznym. Obecnie w użyciu jest wiele płytek PCB mikrofalowych.

Zastosowanie mikrofalowej płytki drukowanej

“This technology is used in many commercial applications such as cellular base stations and military products today,” said Michael Luke, przewodniczący podkomisji IPC D-22, która opracowała dyrektywę IPC-6018.

Wraz ze wzrostem prędkości chipów półprzewodnikowych, technologie mikrofalowe będą wymagane również w innych obszarach.

Wskazówki dotyczące produkcji mikrofalowych płytek PCB

Dodatki dotyczą licznych zmian dotyczących materiałów podłoża płytek drukowanych i ścieżek przewodzących na nich. Ścieżki przewodzące w zakresie mikrofal mają znacznie inne parametry wydajności niż te stosowane w konwencjonalnych obwodach drukowanych. Wiele śladów typowej mikrofalowej płytki PCB można zaprojektować zgodnie z wymaganiami IPC dla sztywnych i elastycznych płytek drukowanych. W obszarach, w których obecne są szybkie sygnały mikrofalowe, jednak, zupełnie inne wartości parametrów dotyczą szerokości przewodu, grubość i rozstaw. Nie ma zatem wątpliwości, że przy zamawianiu mikrofalowych obwodów drukowanych należy zastosować inne wytyczne.

Istnieją również różnice w podłożach. W przeciwieństwie do podłoży FR-4 konwencjonalnych płytek drukowanych, większość PCB mikrofalowych jest oparta na PTFE (Teflon). Laminaty PTFE mają swoje własne właściwości, gdy laminowane są poszczególne warstwy. Stabilność wymiarowa jest zupełnie inna, i. h. Projektanci i producenci muszą wziąć to pod uwagę podczas rozmieszczania płytek drukowanych i rozmieszczania zakopanych lub ślepych otworów lub innych elementów wymagających wiercenia.

Kiedy te otwory są wiercone, resin residue known as “resin smear” may remain when the hole wall is formed. „Wytyczne IPC-6018B zawierają specjalne kryteria usuwania pozostałości żywicy (rozmaz żywicy), które uwzględniają specjalne właściwości laminatów płytek drukowanych wysokiej częstotliwości. To duży problem z obwodami z PTFE, ”powiedział Perry.

Od zakończenia wydania A na początku 2002, zaszło wiele innych zmian. Twórcy dyrektywy dodali do sekcji informacje referencyjne dotyczące pasywnych rezystorów i kondensatorów 3 [WYMAGANIA]. Nowa wersja poprawiła również wymagania dotyczące złamań krawędzi lutowniczych, które mogą powstać, gdy otwory nie są wiercone w środku podkładek. Zrewidowano również temat naprężeń termicznych w celu uwzględnienia postępów poczynionych przez konwekcyjne procesy rozpływowe w testach naprężeń termicznych na próbkach gruntowych lub próbkach z produkcyjnych płytek drukowanych.