Placas de circuito impreso Las estructuras de PCB con chips de alta velocidad y microondas presentan numerosos parámetros que difieren significativamente de los de las placas de circuito impreso convencionales, rígidas y flexibles. Estas diferencias se explican en el documento IPC-6018B, Especificaciones de Calificación y Rendimiento para Placas de Circuito Impreso de Radiofrecuencia (Microondas). La «alta frecuencia» es una de las tres clasificaciones principales de las placas de circuito impreso del IPC (las otras dos son «r»).placas de circuito “rígidas” y “flexibles”).
Diseño de PCB de microondas
Requisitos especiales
Cualquiera que desconozca las peculiaridades de estos rangos de frecuencia se sorprenderá al leer este capítulo. Esto se debe no solo a las pérdidas que se producen, sino también a la necesidad de utilizar materiales para placas de circuito impreso distintos a los de bajas frecuencias (a menudo basados en teflón o cerámica, sino también en nuevos materiales orgánicos especialmente desarrollados). Los componentes de las PCB para microondas tienen un aspecto diferente (actualmente, lo óptimo son los componentes SMD de tamaño 0603 o superior, 0402, donde "0402" significa 1 mm x 0.5 mm) y se añaden constantemente nuevos. Además, se requiere una tecnología de cableado completamente diferente en las placas de circuito impreso para que los circuitos funcionen correctamente.
La “opción de relleno de masa” proporcionada por Target (y propagada para este propósito) en dichos circuitos solo es suficiente hasta unos pocos cientos de megahercios antes de que comiencen nuevos problemas y el método descrito a continuación tenga que cambiarse definitivamente.
Paso bajo LC simple para la resistencia de onda
Analicemos un paso bajo LC simple para una resistencia de onda Z = 50 y una frecuencia de corte de 100 MHz. Los valores del componente de microondas en la PCB se obtienen tras introducir los parámetros del filtro en un programa de filtrado moderno. Todos los componentes solo pueden utilizarse en la versión SMD (en este caso: 1206 para los condensadores, las bobinas, por otro lado, como "2220" con una conexión a tierra adicional para la carcasa de blindaje).
Todo esto aún es posible y parece bastante normal. Solo con la placa de circuito impreso se vuelve más interesante:
La parte inferior de la placa de circuito está provista de una superficie de tierra continua (=GND) y todo lo que necesita estar conectado a tierra tiene su propio "panel de conexión a tierra" en la parte superior con tantos orificios pasantes como sea posible.
En la serie, los propios orificios pasantes chapados están, por supuesto, diseñados como auténticos orificios pasantes chapados. El uso de remaches huecos plateados de 0.8 mm de diámetro (probados incluso hasta 10 GHz) funciona muy bien con la primera placa de prueba.
Las conexiones de entrada y salida solo se pueden realizar a través de líneas de microbanda con la impedancia de onda Z correcta y el ancho correcto correspondiente (que, por supuesto, depende del material del conductor, del grosor de la placa y, lamentablemente, también en cierta medida de la frecuencia de operación).
Por supuesto, con condensadores de filtro, con sus valores a menudo distorsionados, no se buscan soluciones tan inusuales. Se implementan fácilmente conectando en paralelo hasta tres valores SMD estándar de la serie E12. Incluso reducen la autoinductancia total y, por lo tanto, desplazan la resonancia natural a frecuencias más altas. Se toleran desviaciones de hasta el 1-2 % del valor total, por lo que en nuestro ejemplo sustituimos los 33.2 pF por 33 pF y los 57.2 pF por 56 pF.
Las nuevas exigencias
El manejo del programa CAD de PCB y sus propiedades ha cambiado significativamente. Las nuevas exigencias para este proceso de PCB por microondas son las siguientes:
a) No se puede utilizar un enrutador automático ni un posicionador automático. La posición de cada componente en la placa de circuito debe garantizar la conexión de los cables más cortos al siguiente componente (ya que cada milímetro adicional de cable puede suponer una inductancia adicional). Esto significa que los componentes deben poder moverse con la máxima precisión sin problemas ni girarse en cualquier ángulo. Todo ello manualmente.
b) Por otro lado, las almohadillas de soldadura para los componentes SMD deben ser lo más pequeñas posible, ya que aportan capacidades adicionales al circuito. Estas capacidades ya deben tenerse en cuenta en el diseño y la simulación del circuito.
c) Con frecuencia, uno se ve obligado a diseñar nuevas almohadillas de soldadura SMD o incluso nuevas carcasas, ya que no suele haber en la biblioteca nada para los componentes especiales necesarios. Esto no debería ser un secreto y debería hacerse rápidamente.
d) Debe existir la posibilidad de crear las “vías” (=placado pasante).
e) Las superficies de terreno requeridas deben ser fáciles de crear y limpiar automáticamente los agujeros de las vías.
f) En los extremos, las pistas conductoras no deben ser redondeadas, su anchura y longitud deben ser regulables con una precisión de centésimas de milímetro.
g) El nivel más bajo de la placa de circuito está completamente provisto de una capa de cobre, que está conectada a “GND” (= tierra) a través de las vías.
h) Por lo tanto, el cableado solo se realiza en la parte superior (normalmente: nivel 1). Por supuesto, hay que tener mucho cuidado de que las carcasas de los circuitos integrados o transistores se simulen correctamente si se diseñaron para su uso en el nivel inferior.
Ejemplo de diseño (PCB de microondas): 100 MHz – paso bajo
Ahora queremos entender el proceso de diseño completo para el paso bajo mencionado anteriormente.
Paso 1:
Comenzamos un nuevo proyecto “Placa de circuito con diagrama de circuito” y le damos un nombre adecuado.
Paso 2:
Pasamos al diagrama del circuito, conseguimos una hoja vertical DIN A4 de la biblioteca de marcos (RAHMEN.BTL3001) y la colocamos en la pantalla. Es mejor etiquetar el campo de texto inmediatamente, de lo contrario, lo olvidarás más tarde.
Paso 3:
Ahora se dibuja el diagrama de la PCB de microondas. Los condensadores vienen como "C 1206" de la biblioteca "C.BTL3001", y las bobinas como "L" de la biblioteca "L.BTL3001".
Los marcadores de entrada y salida se encuentran como "referencias" en el menú desplegable "Otros componentes". Para encontrarlos, coloque el cursor sobre el símbolo del transistor en la barra de desplazamiento y deslice el puntero del ratón ligeramente hacia la derecha.
Allí también aparecen los símbolos de masas.
No olvides: ahora se hace clic primero en cada componente de la PCB del microondas para marcarlo. Luego, pulsa "w" hasta que la cruz parpadee. Con "ä" accedes al menú de cambios e introduces el valor exacto del componente.
Paso 4:
Ahora necesitamos la placa de circuito y pasamos a la pantalla de la placa haciendo clic en su símbolo. Allí, primero eliminamos el marco que a veces se dibuja para obtener una pantalla completamente en blanco. Luego, hacemos clic en el símbolo de CI en la barra de desplazamiento y buscamos una placa de 30 mm x 50 mm mediante "Free housing" y la biblioteca "PLATINEN.GHS3001".
Paso 5:
Ahora, la placa está ampliada para ajustarse al formato. A continuación, debe desplazarse rápidamente detrás del botón con forma de ojo para ajustar brevemente la cuadrícula de la pantalla a 1 mm. Esto facilita la aproximación a las posiciones de los 4 orificios de montaje, ya que deben estar a 3 mm del borde de la placa.
Una vez hecho esto, el cursor se desplaza con la mayor precisión posible hasta la esquina inferior izquierda del tablero. La tecla "Pos1" declara inmediatamente esta esquina como el punto cero relativo de nuestro sistema (coordenadas 0 | 0) y movemos el ratón a la posición "3mm | 3mm". Allí pulsamos el "punto" dos veces seguidas (para establecer la vía) y, a continuación, cortamos el cable de conexión que se está desenrollando con "Escape".
Los 3 agujeros restantes se crean de la misma manera. Sus posiciones son:
3 mm | 27 mm 47 mm | 3 mm 47 mm | 27 mm
¡Restablezca la cuadrícula de la pantalla a 0.1 mm ahora!
Paso 6:
Ahora, coloque una línea auxiliar horizontal a lo largo de la placa PCB de microondas. Debe extenderse claramente a izquierda y derecha sobre el borde de la placa y tener exactamente el mismo ancho que la línea de microbanda de 50 ohmios. No se preocupe, ¡después de las siguientes acciones, esta línea se eliminará! Para ello, abra el menú de herramientas de dibujo, haga clic en "línea recta" y luego en la letra "o" (para opciones).
Ahora es necesario establecer el ancho de línea a 1.83 mm, no redondear los extremos y seleccionar el nivel 16 (es decir, cobre en la parte superior).
También dibuja una línea auxiliar vertical más estrecha (de un ancho ligeramente menor, aquí: 0.5 mm) como eje de simetría vertical. Así es como queda al final.
Paso 7:
Ahora, primero coloque el condensador central C2 en el centro marcado de esta manera. No olvide activar la opción "Montar SMD en la parte superior" al seleccionar la carcasa "1206" y luego use la tecla "d" para girar el componente 90 grados antes de colocarlo.
Así es como se ve el centro de la placa PCB de microondas inmediatamente antes de colocar el capacitor.
Paso 8:
Para ambas bobinas, elegimos la carcasa SMD 2220 y las colocamos como se muestra en la imagen opuesta. Sin embargo, muestre las líneas de aire previamente (= nivel 27) y gire los componentes para que coincidan correctamente con el cableado. Y no la opción "Poner SMD en la parte superior...".
olvidar.
Paso 9:
Ahora es el momento de conectar los dos condensadores externos, que están colocados debajo de las conexiones de la bobina.
Paso 10:
Ahora podemos eliminar nuestras dos “líneas auxiliares” y tirar tres trozos de cable con un ancho de 1.83 mm como “cableado de microtira” desde el borde izquierdo al derecho.
Primero así…
¡Entonces así!
Paso 11:
Ahora le damos a cada capacitor un bonito campo de 5 vías para su conexión a tierra.
¿Recuerdas? Tienes que mover el cursor a la posición deseada y luego presionar el punto dos veces seguidas. Luego, el cable de conexión adicional se corta con la tecla "ESC".
(Se seleccionó un diámetro de orificio de 0.6 mm, un aura de 0.3 mm y un diámetro de 1.5 mm).
Paso 12:
Y como esto ya funciona bien, colocamos dos pequeñas alfombras en la mitad superior para conectar a tierra las copas de protección de la bobina.
Paso 13:
En las herramientas de dibujo (= botón con el lápiz), seleccionamos el "rectángulo relleno" y pulsamos "o" para acceder a las opciones. Los rectángulos deben estar en el nivel 16 (= cobre en la parte superior) y deben combinar las cinco vías de una conexión a tierra.
Afortunadamente, el programa mantiene libres automáticamente los agujeros en las vías; no tenemos que hacer nada al respecto.
Paso 14:
Nunca debes olvidar que:
debe haber una etiqueta adecuada en el lado superior de cobre (nivel 16), porque de lo contrario el fabricante de PCB de microondas no sabe qué está arriba o abajo y podemos obtener Es posible que se haya suministrado una placa "espejada".
También encontramos la opción de texto detrás del botón con el lápiz.
Paso 15:
Y para redondear las cosas, nos situamos detrás del “botón con la varita mágica” para activar la opción de relleno de zona de masa.
Soltamos el lado inferior (nivel 2 = cobre debajo) y seleccionamos la señal “GND”.
Luego se inicia el programa.
Así es como se ve.
Último paso:
Para imprimir la parte superior del tablero, solo pasamos a los niveles 16 (= cobre en la parte superior), 23 (= contorno) y 24.
(= Perforaciones). Entonces podremos observar más de cerca cómo quedará la placa PCB de microondas.
Especificaciones de calificación y rendimiento de PCB de microondas
IPC-6012, especificación de calificación y desempeño para placas de circuito impreso rígidas y IPC-6013, especificación de calificación y rendimiento para PCB flexible.
Normalmente, el IPC intenta actualizar estas tres especificaciones de calificación y rendimiento simultáneamente. El IPC-6018 se publicó en la edición «A» de enero de 2002.
Material de PCB para microondas
El mercado de la tecnología de microondas tiene muchos menos usuarios que las tecnologías de PCB convencionales. Solo existen unos pocos proveedores de PTFE, el material de teflón que se utiliza a menudo para sustratos de ondas micrométricas. Esto contrasta marcadamente con la gran cantidad de empresas que fabrican placas de alambre basadas en laminados FR-4. Sin embargo, en lo que respecta al uso de materiales, el término "pequeño número" se vuelve rápidamente relativo en la enorme industria electrónica. Actualmente se utilizan numerosas placas PCB de microondas.
Aplicación de PCB de microondas
“Esta tecnología se utiliza hoy en día en muchas aplicaciones comerciales, como estaciones base celulares y productos militares”, afirmó Michael Luke, presidente del subcomité IPC D-22 que desarrolló la directiva IPC-6018.
A medida que las velocidades de los chips semiconductores continúan aumentando, las tecnologías de microondas también serán necesarias en otras áreas.
Directrices para la producción de PCB por microondas
Las adiciones abordan numerosos cambios en los materiales del sustrato de las placas de circuito impreso y sus pistas conductoras. Las pistas conductoras en el rango de microondas presentan parámetros de rendimiento significativamente diferentes a los utilizados en las placas de circuito impreso convencionales. Muchas pistas de una placa PCB de microondas típica pueden diseñarse según los requisitos del IPC para placas de circuito impreso rígidas y flexibles. Sin embargo, en las zonas con señales de microondas de alta velocidad, se aplican valores de parámetros completamente diferentes para la anchura, el grosor y la separación de los conductores. Por lo tanto, es indudable que se deben aplicar directrices diferentes al adquirir placas de circuito impreso de microondas.
También existen diferencias en los sustratos. A diferencia de los sustratos FR-4 de las placas de circuito impreso convencionales, la mayoría de las PCB para microondas se basan en PTFE (teflón). Los laminados de PTFE tienen propiedades propias al laminarse las capas individuales. La estabilidad dimensional es completamente diferente. Los diseñadores y fabricantes deben tener esto en cuenta al diseñar las placas de circuito impreso y al colocar orificios enterrados o ciegos u otros elementos que requieran perforación.
Al perforar estos orificios, pueden quedar residuos de resina, conocidos como "manchas de resina", al formarse la pared del orificio. "La norma IPC-6018B contiene criterios especiales para la eliminación de residuos de resina (manchas de resina), que tienen en cuenta las propiedades especiales de los laminados de circuitos impresos de alta frecuencia. Este es un problema importante con los circuitos impresos de PTFE", afirmó Perry.
Desde la finalización de la Versión A a principios de 2002, se han producido numerosos cambios. Los desarrolladores de la directiva han añadido información de referencia sobre resistencias y condensadores pasivos a la sección 3 [REQUISITOS]. La nueva versión también ha mejorado los requisitos para las roturas de los bordes de soldadura, que pueden producirse cuando no se perforan orificios en el centro de las almohadillas. El tema de la tensión térmica también se ha revisado para tener en cuenta los avances logrados en los procesos de reflujo por convección para ensayos de tensión térmica en muestras de tierra o de circuitos impresos de producción.
