لوحات الدوائر المطبوعة تتميز هياكل لوحات الدوائر المطبوعة ذات الرقائق عالية السرعة والموجات الدقيقة بالعديد من المعايير التي تختلف اختلافًا كبيرًا عن معايير لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، الصلبة والمرنة. تم شرح هذه الاختلافات في المعيار IPC-6018B، "مواصفات تأهيل وأداء لوحات الدوائر المطبوعة ذات الترددات الراديوية (الموجات الدقيقة)". يُعد "التردد العالي" أحد التصنيفات الرئيسية الثلاثة للوحات الدوائر في IPC (التصنيفان الآخران هما "r" و"r")."اللوحات الكهربائية المرنة" و"اللوحات الكهربائية المتجانسة").
تصميم لوحة الدوائر المطبوعة للميكروويف
متطلبات خاصة
أي شخص لا يعرف شيئًا عن خصائص نطاقات التردد هذه سيُصدم أولًا بهذا الفصل. ليس فقط بسبب الخسائر التي تحدث، بل بسبب ضرورة استخدام مواد أخرى للوحات الدوائر غير المستخدمة في الترددات المنخفضة (غالبًا ما تكون مصنوعة من التفلون أو السيراميك، بل أيضًا من مواد عضوية جديدة مُطورة خصيصًا). تختلف مكونات لوحات الدوائر المطبوعة للميكروويف (الأفضل حاليًا هو استخدام مكونات شرائح SMD بمقاسات 0603 أو 0402، حيث يعني "0402" حجمًا 1 مم × 0.5 مم)، ويتم إضافة مكونات جديدة باستمرار. بالإضافة إلى ذلك، يجب استخدام "تقنية أسلاك" مختلفة تمامًا في لوحات الدوائر المطبوعة لضمان عمل الدوائر بشكل صحيح.
إن "خيار التعبئة الشاملة" الذي توفره شركة Target (والذي يتم نشره لهذا الغرض) في مثل هذه الدوائر كافٍ فقط حتى بضع مئات من ميغا هرتز قبل أن تبدأ مشاكل جديدة ويجب تغيير الطريقة الموضحة أدناه نهائيًا.
تمرير منخفض بسيط LC لمقاومة الموجة
لنلقِ نظرة على مُرسِل تمرير منخفض بسيط لمقاومة الموجة Z = 50 وتردد قطع 100 ميجاهرتز. تُحصَل قيم مُكوّنات لوحة الدوائر المطبوعة للموجات الدقيقة نفسها بعد إدخال مُعاملات المُرشِّح في أحد برامج المُرشِّحات الحديثة. لا يُمكن استخدام جميع المُكوّنات إلا في إصدار SMD (هنا: 1206 للمُكثِّفات، بينما تُمثّل الملفات "2220" مع توصيل أرضي إضافي لغلاف الحماية).
كل ذلك لا يزال ممكنًا ويبدو طبيعيًا. فقط مع لوحة الدوائر المطبوعة، يصبح الأمر أكثر إثارة للاهتمام.
يتم توفير الجزء السفلي من لوحة الدائرة مع سطح أرضي مستمر (= GND) وكل شيء يحتاج إلى التأريض يحصل على "وسادة تأريض" خاصة به في الأعلى مع أكبر عدد ممكن من الثقوب المطلية.
في هذه السلسلة، صُممت الثقوب المطلية نفسها لتكون "ثقوبًا مطلية حقيقية". استخدام مسامير برشام مجوفة مطلية بالفضة بقطر 0.8 مم (حتى عند اختبارها حتى تردد 10 جيجاهرتز) كان فعالًا جدًا مع لوحة الاختبار الأولى.
لا يمكن إجراء توصيلات الإدخال والإخراج إلا عبر خطوط الميكروستريب ذات معاوقة الموجة الصحيحة Z والعرض الصحيح المقابل (والذي يعتمد بالطبع على مادة الموصل وسمك اللوحة - وللأسف - أيضًا إلى حد ما على تردد التشغيل.
بالطبع، مع مكثفات الترشيح ذات القيم غير المتناسقة غالبًا، لا تجد مثل هذه الخصائص الغريبة في أي مكان. يمكن تحقيقها بسهولة بتوصيل ما يصل إلى ثلاث قيم قياسية SMD من سلسلة E12 القياسية على التوازي. هذا يقلل أيضًا من المحاثة الذاتية الكلية، وبالتالي ينقل الرنين الطبيعي إلى ترددات أعلى. الانحرافات التي تصل إلى 1% أو 2% من القيمة الإجمالية مقبولة، ولهذا السبب استبدلنا 33.2 بيكو فاراد بـ 33 بيكو فاراد، و57.2 بيكو فاراد بـ 56 بيكو فاراد في مثالنا.
المطالب الجديدة
تتغير معالجة برنامج تصميم لوحات الدوائر المطبوعة بمساعدة الحاسوب (PCB CAD) وخصائصه بشكل كبير. تبدو المتطلبات الجديدة لهذه العملية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة بالموجات الدقيقة كما يلي:
أ) لا يُسمح باستخدام جهاز التوجيه التلقائي أو جهاز التثبيت التلقائي. يجب أن يضمن موضع كل مكون على لوحة الدائرة أقصر كابلات توصيل للمكون التالي (لأن كل مليمتر إضافي من الكابل قد يعني زيادة في المحاثة). هذا يعني أنه يجب أن تكون المكونات قابلة للتحريك بأقصى دقة ممكنة دون مشاكل، أو تدويرها بأي زاوية. وكل ذلك يدويًا.
ب) من ناحية أخرى، يجب أن تكون وسادات اللحام لمكونات SMD صغيرة قدر الإمكان، لأنها تُضيف سعات إضافية إلى الدائرة. يجب أخذ هذه السعات في الاعتبار عند تصميم الدائرة ومحاكاتها.
ج) غالبًا ما تُضطر إلى تصميم وسادات لحام SMD جديدة أو حتى أغلفة جديدة، نظرًا لعدم وجود مخزون كافٍ للمكونات الخاصة المطلوبة. لا ينبغي أن يكون هذا علمًا سريًا، بل يجب أن يتم بسرعة كبيرة.
د) يجب أن تكون إمكانية إنشاء "الفتحات" (= الطلاء المتواصل) متاحة.
هـ) يجب أن تكون الأسطح الأرضية المطلوبة سهلة الإنشاء وتنظف فتحات الثقوب تلقائيًا.
و) في النهاية، يجب ألا تكون مسارات الموصلات مستديرة، ويجب أن يكون عرضها وطولها قابلين للتعديل في حدود جزء من مائة من المليمتر.
ز) المستوى الأدنى من لوحة الدائرة مزود بالكامل بطبقة نحاسية، متصلة بـ "GND" (= الأرض) عبر الفتحات.
ح) وبالتالي، يُجرى التوصيل فقط في الجزء العلوي (عادةً: المستوى ١). بالطبع، يجب توخي الحذر الشديد لضمان انعكاس أغلفة الدوائر المتكاملة أو الترانزستورات بشكل صحيح إذا كانت مصممة للاستخدام في أدنى مستوى.
مثال التصميم (لوحة الدوائر المطبوعة للميكروويف): 100 ميجا هرتز – تردد منخفض
نريد الآن أن نفهم عملية التصميم الكاملة للتردد المنخفض أعلاه.
الخطوة الثالثة:
نبدأ مشروعًا جديدًا "لوحة الدائرة مع مخطط الدائرة" ونعطيه اسمًا مناسبًا.
الخطوة الثالثة:
ننتقل إلى مخطط الدائرة، ونحصل على "ورقة DIN A4 عمودية" من "مكتبة الإطارات" (RAHMEN.BTL3001) ونعرضها على الشاشة. يُفضل وضع علامة على حقل النص فورًا، وإلا ستنساه لاحقًا.
الخطوة الثالثة:
الآن، تم رسم مخطط لوحة الدوائر المطبوعة للميكروويف. المكثفات هي "C 1206" من مكتبة "C.BTL3001"، والملفات هي "L" من مكتبة "L.BTL3001".
يمكن العثور على علامات الدخول والخروج كـ "مراجع" في القائمة المنسدلة "مكونات أخرى". يمكنك العثور عليها بوضع المؤشر على رمز الترانزستور في شريط التمرير، ثم تحريك مؤشر الماوس قليلاً إلى اليمين.
هناك يمكنك أيضًا الحصول على رموز الكتلة.
تذكر: انقر الآن على كل مكون في لوحة دوائر الميكروويف لتحديده. ثم اضغط على "w" حتى يومض مؤشر التقاطع. باستخدام "ä"، ستنتقل إلى قائمة التغييرات وتُدخل قيمة المكون المطلوبة.
الخطوة الثالثة:
الآن نحتاج إلى لوحة الدائرة، وننتقل إلى شاشة لوحة الدائرة بالنقر على رمزها. هناك، نحذف أولًا الإطار المرسوم أحيانًا لنحصل على شاشة فارغة تمامًا. ثم ننقر على رمز الدائرة المتكاملة في شريط التمرير، ونحصل على لوحة بأبعاد 30 مم × 50 مم عبر "الغلاف المجاني" والمكتبة "PLATINEN.GHS3001".
الخطوة الثالثة:
الآن، تم تكبير حجم اللوحة لملء الشكل. ثم يجب عليك التوجه سريعًا خلف "الزر ذو العين" لتغيير شبكة الشاشة إلى ١ مم لفترة وجيزة. هذا يُسهّل الوصول إلى مواضع فتحات التركيب الأربعة، حيث يجب أن تكون على بُعد ٣ مم من حافة اللوحة.
بعد ذلك، يُمرر المؤشر بدقة إلى الزاوية السفلية اليسرى من اللوحة. يُعلن مفتاح لوحة المفاتيح "Pos1" فورًا أن هذه الزاوية هي نقطة الصفر النسبية لنظامنا (الإحداثيات 0 | 0)، ونحرك الماوس إلى الموضع "3 مم | 3 مم". هناك، نضغط على "النقطة" على لوحة المفاتيح مرتين متتاليتين (لضبط الفتحة)، ثم نقطع سلك التوصيل القابل للفك باستخدام زر "Escape".
يتم إنشاء الثقوب الثلاثة المتبقية بنفس الطريقة. مواقعك هي:
3 مم | 27 مم 47 مم | 3 مم 47 مم | 27 مم
يرجى إعادة تعيين شبكة الشاشة إلى 0.1 مم الآن!
الخطوة الثالثة:
الآن، ارسم خطًا أفقيًا مساعدًا عبر لوحة دوائر الميكروويف. يجب أن يمتد هذا الخط بوضوح يمينًا ويسارًا فوق حافة اللوحة، وأن يكون بنفس عرض خط الميكروستريب 50 أوم. لا تقلق، سيتم حذف هذا الخط بعد الخطوات التالية! للقيام بذلك، افتح قائمة أدوات الرسم، وانقر على "الخط المستقيم"، ثم على الحرف "o" (للخيارات).
الآن من الضروري ضبط عرض الخط إلى 1.83 ملم، وعدم تقريب الأطراف واختيار المستوى 16 (أي النحاس في الأعلى).
ارسم أيضًا خطًا رأسيًا مساعدًا أضيق (عرضه أصغر قليلًا. هنا: ٠٫٥ مم) كمحور رأسي للتناظر. هكذا يبدو في النهاية.
الخطوة الثالثة:
الآن، ضع المكثف الأوسط C2 أولاً في المنتصف المحدد بهذا الشكل. لا تنسَ تفعيل خيار "تركيب SMD في الأعلى" عند اختيار غلاف "1206"، ثم استخدم مفتاح "d" لتدوير المكون 90 درجة قبل وضعه.
هكذا يبدو مركز لوحة PCB للميكروويف مباشرة قبل وضع المكثف.
الخطوة الثالثة:
لكلا الملفين، نختار غلاف SMD 2220 ونرتبهما كما هو موضح في الصورة المقابلة. مع ذلك، يُرجى إظهار خطوط الهواء مسبقًا (= المستوى 27) وتدوير المكونات بحيث تتطابق خطوط الهواء مع الأسلاك بشكل صحيح. وليس خيار "ملء SMD في الأعلى ..."
لتنسى.
الخطوة الثالثة:
الآن حان الوقت لتوصيل المكثفين الخارجيين، اللذين يتم وضعهما أسفل توصيلات الملف.
الخطوة الثالثة:
الآن يمكننا حذف "الخطوط المساعدة" لدينا وسحب ثلاث قطع من الكابل بعرض 1.83 ملم كـ "أسلاك شريطية دقيقة" من الحافة اليسرى إلى الحافة اليمنى.
اولاً مثل هذا…
ثم مثل هذا!
الخطوة الثالثة:
الآن نعطي لكل مكثف مجالًا لطيفًا من 5 مسارات لتوصيله بالأرض.
هل تتذكر؟ عليك تحريك المؤشر إلى الموضع المطلوب، ثم الضغط على "النقطة" على لوحة المفاتيح مرتين متتاليتين. ثم يُقطع سلك التوصيل الإضافي باستخدام زر "ESCAPE".
(تم اختيار قطر ثقب 0.6 ملم وهالة 0.3 ملم وقطر 1.5 ملم).
الخطوة الثالثة:
وبما أن هذا يعمل بالفعل بشكل جيد، فقد قمنا بوضع سجادتين صغيرتين في النصف العلوي لتأريض أكواب حماية الملف.
الخطوة الثالثة:
من أدوات الرسم (= زر القلم الرصاص) نحصل على "المستطيل المملوء" ونضغط على "o" لعرض الخيارات. يجب أن تكون المستطيلات على المستوى ١٦ (= نحاس في الأعلى) وأن تجمع جميع الفتحات الخمسة لوصلة التأريض.
لحسن الحظ، يتم إبقاء الثقوب الموجودة في الفتحات خالية تلقائيًا بواسطة البرنامج - ولا يتعين علينا القيام بأي شيء حيال ذلك.
الخطوة الثالثة:
لا يجب عليك أن تنسى أبدًا أن:
يجب أن يكون هناك ملصق مناسب على الجانب النحاسي العلوي (المستوى 16)، لأنه بخلاف ذلك فإن الشركة المصنعة للوحة الدوائر المطبوعة للميكروويف لا تعرف ما هو الأعلى أو الأسفل وقد نحصل على لوحة "مرآة".
ونجد أيضًا خيار النص خلف الزر بالقلم الرصاص.
الخطوة الثالثة:
ولجعل الأمور أكثر سهولة، نذهب خلف "الزر ذو العصا السحرية" لتفعيل خيار ملء منطقة الكتلة.
نقوم بتحرير الجانب السفلي (المستوى 2 = النحاس أدناه) ونختار الإشارة “GND”.
ثم يبدأ البرنامج.
هكذا يبدو الأمر.
اخر خطوة:
لطباعة الجزء العلوي من اللوحة، نقوم بالتبديل فقط إلى المستويات 16 (= النحاس في الأعلى)، و23 (= المخطط التفصيلي) و24
(= الآبار). بعد ذلك، يُمكننا إلقاء نظرة عن كثب على شكل لوحة PCB للميكروويف.
مواصفات تأهيل وأداء لوحة الدوائر المطبوعة للميكروويف
IPC-6012، مواصفات التأهيل والأداء لـ لوحات الدوائر المطبوعة الصلبة وIPC-6013، مواصفات التأهيل والأداء للوحات الدوائر المطبوعة المرنة.
عادةً ما تسعى لجنة براءات الاختراع الدولية (IPC) إلى تحديث مواصفات التأهيل والأداء الثلاثة هذه في آنٍ واحد. نُشر المعيار IPC-6018 في العدد "أ" من يناير 2002.
مادة PCB للميكروويف
سوق تقنية الميكروويف أقل استخدامًا بكثير من تقنيات لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية. لا يوجد سوى عدد قليل من موردي مادة PTFE، وهي مادة التفلون المستخدمة غالبًا في ركائز الموجات الميكرونية. على عكس العديد من الشركات، تستخدم ألواح الأسلاك المصنوعة من صفائح FR-4. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر باستخدام المواد، سرعان ما يصبح مصطلح "عدد قليل" نسبيًا في صناعة الإلكترونيات الضخمة. تُستخدم الآن العديد من لوحات الدوائر المطبوعة للموجات الدقيقة.
تطبيق PCB للميكروويف
وقال مايكل لوك، رئيس اللجنة الفرعية D-22 التابعة للجنة IPC التي طورت التوجيه IPC-6018: "تستخدم هذه التكنولوجيا في العديد من التطبيقات التجارية مثل محطات القاعدة الخلوية والمنتجات العسكرية اليوم".
ومع استمرار زيادة سرعات شرائح أشباه الموصلات، ستكون هناك حاجة أيضًا إلى تقنيات الميكروويف في مجالات أخرى.
إرشادات إنتاج PCB باستخدام الميكروويف
تتناول الإضافات العديد من التغييرات المتعلقة بمواد ركيزة لوحة الدوائر ومسارات الموصلات عليها. تختلف معايير أداء مسارات الموصلات في نطاق الموجات الدقيقة اختلافًا كبيرًا عن تلك المستخدمة في لوحات الدوائر التقليدية. يمكن تصميم العديد من مسارات لوحة الدوائر المطبوعة التقليدية للموجات الدقيقة وفقًا لمتطلبات IPC للوحات الدوائر الصلبة والمرنة. ومع ذلك، في المناطق التي توجد فيها إشارات الموجات الدقيقة عالية السرعة، تختلف قيم المعلمات اختلافًا تامًا فيما يتعلق بعرض الموصل وسمكه وتباعده. لذلك، لا شك في ضرورة اتباع إرشادات مختلفة عند شراء لوحات الدوائر المطبوعة للموجات الدقيقة.
هناك أيضًا اختلافات في المواد الخام. فعلى عكس مواد FR-4 المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة التقليدية، تعتمد معظم لوحات الدوائر المطبوعة بالموجات الدقيقة على مادة PTFE (التيفلون). تتميز صفائح PTFE بخصائصها الخاصة عند تصفيح الطبقات الفردية. كما أن ثبات الأبعاد يختلف تمامًا. لذا، يجب على المصممين والمصنّعين مراعاة ذلك عند تصميم لوحات الدوائر وتحديد مواقع الثقوب المدفونة أو العمياء أو العناصر الأخرى التي تتطلب الحفر.
عند حفر هذه الثقوب، قد تبقى بقايا راتنج تُعرف باسم "لطخة الراتنج" عند تشكيل جدار الثقب. يقول بيري: "يتضمن دليل IPC-6018B معايير خاصة لإزالة بقايا الراتنج (لطخة الراتنج)، والتي تأخذ في الاعتبار الخصائص الخاصة لصفائح لوحات الدوائر عالية التردد. إنها مشكلة كبيرة مع لوحات دوائر PTFE".
منذ اكتمال الإصدار "أ" في أوائل عام ٢٠٠٢، طرأ العديد من التغييرات الأخرى. أضاف مطورو التوجيه معلومات مرجعية حول المقاومات والمكثفات السلبية إلى القسم ٣ [المتطلبات]. كما حسّن الإصدار الجديد متطلبات كسر حواف اللحام، والتي قد تحدث عند عدم حفر ثقوب في منتصف الوسادات. كما تمت مراجعة موضوع الإجهاد الحراري لمراعاة التقدم المحرز في عمليات إعادة التدفق بالحمل الحراري لاختبارات الإجهاد الحراري على العينات الأرضية أو عينات من لوحات الدوائر المطبوعة الإنتاجية.
