16 Etapas no projeto da microonda do PWB

Placas de circuito impresso com chips de alta velocidade e estruturas de PCB de micro-ondas têm vários parâmetros que diferem significativamente dos convencionais, placas de circuito impresso rígidas e flexíveis. Essas diferenças são explicadas em IPC-6018B, Especificações de qualificação e desempenho para radiofrequência (Microondas) Placas de circuito impresso. “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).

Design de PCB de micro-ondas

Requisitos especiais

Qualquer pessoa que não saiba nada sobre as peculiaridades dessas faixas de frequência vai primeiro balançar a cabeça sobre este capítulo. Because not only – because of the losses that occur – other circuit board materials than at low frequencies have to be used (muitas vezes com base em teflon ou cerâmica, mas também de novo, materiais orgânicos especialmente desenvolvidos. Os componentes do PCB de micro-ondas parecem diferentes (o ideal no momento é o uso de componentes de chips SMD de tamanhos 0603 ou melhor 0402, where “0402” means a size of 1mm x 0.5mm) e novos são constantemente adicionados. além do que, além do mais, a completely different “wiring technology” must be used on the printed circuit boards in order to make the circuits work properly.

A “opção de preenchimento em massa” fornecida pela Target (e propagado para este propósito) em tais circuitos é apenas suficiente até algumas centenas de megahertz antes que novos problemas comecem e o método descrito abaixo tenha que ser finalmente alterado.

Passe baixo LC simples para a resistência de onda

Vamos dar uma olhada em uma passagem baixa simples LC para a resistência de onda Z = 50 e uma frequência de corte de 100 MHz. Os próprios valores dos componentes do PCB de microondas são obtidos após inserir os parâmetros do filtro em um dos programas de filtro modernos. Todos os componentes só podem ser usados ​​na versão SMD (aqui: 1206 para os capacitores, as bobinas, por outro lado, as “2220” with an additional ground connection for the shielding housing).

Tudo isso ainda é possível e parece bastante normal. Só com a placa de circuito impresso fica 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 sua própria "base de aterramento" na parte superior com tantos orifícios metalizados quanto possível.

Nas séries, os próprios orifícios revestidos são, claro, designed as “real plated-through holes”. O uso de rebites ocos prateados com um diâmetro de 0.8 milímetros (= mesmo testado até 10 GHz) funciona muito bem com a primeira placa de teste.

As conexões de entrada e saída só podem ser feitas através de linhas de microfita com a impedância de onda Z correta e a largura correta correspondente (o que, claro, depende do material condutor, the board thickness and – unfortunately – also somewhat on the operating frequency.

Claro, com capacitores de filtro com seus valores frequentemente tortos, você não tenta encontrar coisas exóticas em qualquer lugar. Eles são facilmente realizados conectando até três valores padrão SMD da série padrão E12 em paralelo. Até reduz a auto-indutância geral e, assim, muda a ressonância natural para frequências mais altas. Desvios de até 1 … 2% do valor total são toleráveis, é por isso que substituímos o 33.2 pF com 33 pF e o 57.2 pF com 56 pF em nosso exemplo.

As novas demandas

O manuseio do programa PCB CAD e suas propriedades mudam significativamente. As novas demandas para este processo de PCB de microondas são assim:

uma) Nem um autorouter nem um autoplacer podem ser usados. 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 ser capazes de ser movidos com a máxima precisão sem problemas ou girados por qualquer ângulo. E tudo a mao.

b) Por outro lado, as almofadas de solda para os componentes SMD devem ser tão pequenas quanto possível, porque eles trazem capacidades adicionais para o circuito. These capacities must already be taken into account in the design and circuit simulation …

c) Muitas vezes você é forçado a projetar novas pastilhas de solda SMD ou até mesmo novas carcaças, porque geralmente não há nada na biblioteca para os componentes especiais necessários. Isso não deve ser ciência secreta e deve acontecer muito rapidamente.

d) Possibilidade de criação de “vias” (= revestimento direto) deve estar disponível.

e) As superfícies de aterramento necessárias devem ser fáceis de criar e limpar automaticamente os orifícios das vias.

f) No final, as trilhas do condutor não devem ser arredondadas, sua largura e comprimento devem ser ajustáveis ​​dentro de um centésimo de milímetro.

g) O nível mais baixo da placa de circuito é completamente fornecido com uma camada de cobre, which is connected to “GND” (= chão) através das vias.

h) Consequentemente, a fiação é realizada apenas no topo (usualmente: nível 1). Claro, você tem que ter muito cuidado para que os invólucros dos ICs ou transistores possam ser espelhados corretamente se eles foram projetados para uso no nível mais baixo.

Exemplo de design ( micro-ondas PCB ): 100 MHz – low pass

Agora queremos entender o processo completo de design para o passa-baixo acima.

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

Degrau 2:
Mudamos para o diagrama de circuito, get a “vertical DIN A4 sheet” from the “frame library” (FRAME.BTL3001) e colocar na tela. É melhor rotular seu campo de texto imediatamente, caso contrário, você vai esquecer mais tarde.

Degrau 3:
Agora o diagrama do PCB do micro-ondas está desenhado. 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”. Você pode encontrá-lo colocando o cursor no símbolo do transistor na barra de rolagem e depois deslizando o ponteiro do mouse um pouco para a direita.

Lá você também obtém os símbolos de massa.

Não se esqueça: cada componente no PCB de micro-ondas agora é clicado primeiro para marcá-lo. Then press “w” until the crosshair flashes. With “ä” you get into the change menu and enter the exact component value there.

Degrau 4:
Agora precisamos da placa de circuito e mudar para 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 absolutamente em branco. 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”.

Degrau 5:
Agora este quadro foi ampliado para preencher o formato. Then you should quickly go behind the “button with the eye” to briefly change the screen grid to 1mm. Isso torna mais fácil abordar as posições do 4 furos de montagem, como eles deveriam sentar 3 mm da borda do tabuleiro.

Uma vez feito isso, o cursor é rolado com a maior precisão possível para o canto esquerdo inferior do quadro. The keyboard key “Pos1” immediately declares this corner as the relative zero point of our system (coordenadas 0 | 0) and we move the mouse to the position “3mm | 3mm “. There we press the “dot” on the keyboard twice in succession (para definir a via) and then cut off the unwinding connecting wire with “Escape”.

O restante 3 buracos são criados da mesma maneira. Suas posições são:
3milímetros | 27mm 47 mm | 3mm 47 mm | 27milímetros

Redefina a grade da tela para 0,1 mm agora!

Degrau 6:

You now place a horizontal “auxiliary line” across the microwave PCB board. Deve ir claramente para a esquerda e direita sobre a borda do tabuleiro e ter exatamente a mesma largura que o 50 linha de microstrip ohm. Don’t worry … after the following actions this line will be deleted! Para fazer isso, abrimos o menu de ferramentas de desenho, click on the “straight line” and then on the letter “o” (para opções).

Agora é necessário definir a largura da linha para 1.83 milímetros, não arredondar as pontas e selecionar o nível 16 (isto é. cobre em cima).

Você também desenha uma linha auxiliar vertical mais estreita (largura ligeiramente menor. Aqui: 0.5 milímetros) como um eixo vertical de simetria. É assim que parece no final.

Degrau 7:

Agora você primeiro coloca o capacitor médio C2 no centro marcado desta forma. 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 graus antes de colocá-lo para baixo.

É assim que o centro da placa do PCB do micro-ondas fica imediatamente antes do capacitor ser colocado.

Degrau 8:

Para ambas as bobinas, escolhemos a caixa SMD 2220 e arrume-os como mostrado na imagem ao lado. Contudo, por favor mostre as linhas aéreas com antecedência (= nível 27) e gire os componentes para que as linhas de ar correspondam à fiação corretamente. And not the option “populate SMD on top …”
esquecer.

Degrau 9:

Agora é hora de conectar os dois capacitores externos, que são colocados abaixo das conexões da bobina.

Degrau 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 …

então assim!

Degrau 11:

Agora damos a cada capacitor um bom campo de 5 vias para sua conexão terra.
Você se lembra? 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”.

(Um diâmetro de furo de 0.6 milímetros, uma aura de 0.3 mm e um diâmetro de 1.5 mm foram selecionados).

Degrau 12:

E porque isso já está funcionando bem, colocamos dois pequenos tapetes na metade superior para aterrar os copos de proteção da bobina.

Degrau 13:

Das ferramentas de desenho (= botão com o lápis) we get the “filled rectangle” and press “o” for the options. Os retângulos devem estar nivelados 16 (= cobre no topo) e deve combinar todas as cinco vias de uma conexão de aterramento.

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

Degrau 14:

Você nunca deve esquecer isso:
uma etiqueta adequada no lado superior de cobre (nível 16) devemos ser, 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.
Também encontramos a opção de texto atrás do botão com o lápis.

Degrau 15:

E para tornar as coisas redondas, we go behind the “button with the magic wand” to activate the mass area filling option.

Liberamos o lado inferior (nível 2 = cobre abaixo) and select the signal “GND”.

Então o programa é iniciado.

É assim que parece.

Último passo:

Para imprimir a parte superior do quadro, nós apenas mudamos para níveis 16 (= cobre no topo), 23 (= esboço) e 24
(= Furos). Então, podemos dar uma olhada mais de perto na aparência da placa PCB de 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, qualificação e especificação de desempenho para PCB flexível.

Tipicamente, o IPC tenta atualizar essas três especificações de qualificação e desempenho ao mesmo tempo. IPC-6018 foi publicado em janeiro 2002 um problema".

Material de PCB de micro-ondas

O mercado de tecnologia de microondas tem significativamente menos usuários do que as tecnologias convencionais de PCB. Há apenas um pequeno número de fornecedores de PTFE, o material de Teflon que é frequentemente usado para substratos de ondas de mícron. O está em alto contraste com as muitas empresas, a placa de arame com base em laminados FR-4. Contudo, quando se trata do uso de materiais, o termo "pequeno número" rapidamente se torna relativo na enorme indústria de eletrônicos. Numerosas placas de micro-ondas PCB estão agora em uso.

Aplicação de micro-ondas PCB

“This technology is used in many commercial applications such as cellular base stations and military products today,” said Michael Luke, presidente do subcomitê IPC D-22 que desenvolveu a diretiva IPC-6018.

Conforme as velocidades do chip semicondutor continuam a aumentar, tecnologias de microondas também serão necessárias em outras áreas.

Diretrizes para produção de PCB de micro-ondas

As adições lidam com inúmeras mudanças em relação aos materiais do substrato da placa de circuito e as trilhas condutoras sobre eles. As trilhas do condutor na faixa de micro-ondas têm parâmetros de desempenho significativamente diferentes daqueles usados ​​para placas de circuito convencionais. Muitos traços de uma placa PCB de micro-ondas típica podem ser projetados de acordo com os requisitos do IPC para placas de circuito rígido e flexível. Nas áreas em que os sinais de micro-ondas de alta velocidade estão presentes, Contudo, valores de parâmetros completamente diferentes se aplicam à largura do condutor, espessura e espaçamento. Portanto, não há dúvida de que uma orientação diferente deve ser usada ao adquirir placas de circuito impresso de micro-ondas.

Também existem diferenças nos substratos. Em contraste com os substratos FR-4 de placas de circuito impresso convencionais, a maioria dos PCBs de micro-ondas são baseados em PTFE (Teflon). Os laminados de PTFE têm suas próprias propriedades quando camadas individuais são laminadas. A estabilidade dimensional é completamente diferente, Eu. H. Os projetistas e fabricantes precisam levar isso em consideração ao fazer o layout das placas de circuito e posicionar os orifícios enterrados ou cegos ou outros elementos que requeiram perfuração.

Quando esses furos são perfurados, resin residue known as “resin smear” may remain when the hole wall is formed. “A diretriz IPC-6018B contém critérios especiais para a remoção de resíduos de resina (esfregaço de resina), que levam em consideração as propriedades especiais dos laminados de placa de circuito de alta frequência. É um grande problema com placas de circuito de PTFE, ”Disse Perry.

Desde a conclusão da Edição A no início 2002, inúmeras outras mudanças ocorreram. Os desenvolvedores da diretiva adicionaram informações de referência sobre resistores passivos e capacitores para a seção 3 [REQUISITOS]. A nova versão também melhorou os requisitos para quebras de borda de solda, que pode surgir sempre que os orifícios não são perfurados no meio das almofadas. O assunto do estresse térmico também foi revisado para levar em conta o progresso feito por processos de refluxo por convecção para testes de estresse térmico em corpos de prova ou amostras de placas de circuito impresso de produção.