Circuiti stampati Le strutture PCB con chip ad alta velocità e microonde presentano numerosi parametri che differiscono significativamente da quelli dei circuiti stampati convenzionali, rigidi e flessibili. Queste differenze sono spiegate nell'IPC-6018B, Specifiche di qualificazione e prestazioni per circuiti stampati a radiofrequenza (microonde). "Alta frequenza" è una delle tre principali classificazioni dei circuiti stampati dell'IPC (le altre due classificazioni sono "rcircuiti stampati “rigidi” e “flessibili”).
Progettazione PCB a microonde
Requisiti speciali
Chi non conosce le peculiarità di queste gamme di frequenza scuoterà la testa leggendo questo capitolo. Non solo, a causa delle perdite che si verificano, è necessario utilizzare materiali per circuiti stampati diversi da quelli utilizzati per le basse frequenze (molto spesso a base di Teflon o ceramica), ma anche nuovi materiali organici appositamente sviluppati. I componenti dei PCB per microonde hanno un aspetto diverso (l'ideale al momento è l'uso di componenti chip SMD di dimensioni 0603 o, meglio, 0402, dove "0402" indica una dimensione di 1 mm x 0.5 mm) e ne vengono aggiunti costantemente di nuovi. Inoltre, per il corretto funzionamento dei circuiti, sui circuiti stampati deve essere utilizzata una "tecnologia di cablaggio" completamente diversa.
L'opzione "mass fill" fornita da Target (e propagata a questo scopo) in tali circuiti è sufficiente solo fino a poche centinaia di megahertz, prima che inizino nuovi problemi e il metodo descritto di seguito debba essere definitivamente modificato.
Semplice passa-basso LC per la resistenza delle onde
Diamo un'occhiata a un semplice filtro passa-basso LC per una resistenza d'onda Z = 50 e una frequenza di taglio di 100 MHz. I valori dei componenti del PCB per microonde si ottengono inserendo i parametri del filtro in uno dei moderni programmi di filtraggio. Tutti i componenti possono essere utilizzati solo nella versione SMD (in questo caso: 1206 per i condensatori, le bobine invece come "2220" con un collegamento di terra aggiuntivo per l'alloggiamento della schermatura).
Tutto ciò è ancora possibile e sembra del tutto normale. È solo con il circuito stampato che la cosa diventa più interessante:
La parte inferiore del circuito stampato è dotata di una superficie di terra continua (= GND) e tutto ciò che deve essere messo a terra ha il suo "pad di terra" sulla parte superiore con il maggior numero possibile di fori passanti.
Nella serie, i fori passanti placcati sono ovviamente progettati come "veri fori passanti placcati". L'utilizzo di rivetti cavi argentati con un diametro di 0.8 mm (= testati anche fino a 10 GHz) funziona molto bene con la prima scheda di prova.
I collegamenti di ingresso e di uscita possono essere realizzati solo tramite linee microstrip con la corretta impedenza d'onda Z e la corrispondente larghezza corretta (che naturalmente dipende dal materiale del conduttore, dallo spessore della scheda e, purtroppo, anche in parte dalla frequenza di esercizio).
Naturalmente, con i condensatori di filtro con i loro valori spesso distorti, non si cerca di trovare soluzioni così esotiche da nessuna parte. Sono facilmente realizzabili collegando in parallelo fino a tre condensatori SMD con valori standard della serie E12. Riduce persino l'autoinduttanza complessiva, spostando così la risonanza naturale a frequenze più alte. Deviazioni fino all'1...2% del valore totale sono tollerabili, motivo per cui nel nostro esempio sostituiamo il valore di 33.2 pF con 33 pF e il valore di 57.2 pF con 56 pF.
Le nuove richieste
La gestione del programma CAD per PCB e le sue proprietà cambiano in modo significativo. I nuovi requisiti per questo processo di PCB a microonde si presentano come segue:
a) Non è consentito l'utilizzo di un autorouter né di un autoplacer. La posizione di ciascun componente sul circuito stampato deve garantire la massima lunghezza dei cavi di collegamento al componente successivo (perché ogni millimetro di cavo aggiuntivo può comportare un'induttanza aggiuntiva). Ciò significa che i componenti devono poter essere spostati con la massima precisione senza problemi o ruotati di qualsiasi angolazione. E tutto a mano.
b) D'altra parte, le piazzole di saldatura per i componenti SMD devono essere il più piccole possibile, poiché apportano capacità aggiuntive al circuito. Queste capacità devono essere già considerate nella progettazione e nella simulazione del circuito...
c) Molto spesso si è costretti a progettare nuove piazzole di saldatura SMD o persino nuovi alloggiamenti, perché di solito non c'è nulla in libreria per i componenti speciali richiesti. Questa non dovrebbe essere una scienza segreta e dovrebbe avvenire molto rapidamente.
d) Deve essere disponibile la possibilità di realizzare le “vias” (= placcature passanti).
e) Le superfici rettificate richieste devono essere facili da creare e liberare automaticamente i fori dei fori passanti.
f) Le piste conduttrici, all'estremità, non devono essere arrotondate, la loro larghezza e lunghezza devono essere regolabili con una precisione di un centesimo di millimetro.
g) Il livello più basso del circuito stampato è completamente dotato di uno strato di rame, che è collegato a “GND” (= terra) tramite i fori di via.
h) Di conseguenza, il cablaggio viene eseguito solo in alto (solitamente: livello 1). Naturalmente, è necessario prestare molta attenzione affinché gli alloggiamenti di circuiti integrati o transistor possano essere specchiati correttamente se sono stati progettati per l'uso al livello più basso.
Esempio di progettazione (PCB a microonde): 100 MHz – passa basso
Vogliamo ora comprendere il processo di progettazione completo del filtro passa-basso di cui sopra.
Passo 1:
Avviamo un nuovo progetto "Scheda elettronica con schema elettrico" e gli diamo un nome adatto.
Passo 2:
Passiamo allo schema elettrico, prendiamo un "foglio DIN A4 verticale" dalla "libreria di cornici" (RAHMEN.BTL3001) e lo mostriamo sullo schermo. È meglio etichettare subito il campo di testo, altrimenti lo dimenticherete in seguito.
Passo 3:
Ora è disegnato lo schema del circuito stampato del microonde. I condensatori sono identificati come "C 1206" dalla libreria "C.BTL3001", le bobine come "L" dalla libreria "L.BTL3001".
I marcatori di ingresso e uscita si trovano come "riferimenti" nel menu a tendina "Altri componenti". Per trovarli, posiziona il cursore sul simbolo del transistor nella barra di scorrimento e poi fai scorrere il puntatore del mouse leggermente verso destra.
Lì troverete anche i simboli di massa.
Non dimenticare: ogni componente del PCB del microonde viene ora prima cliccato per contrassegnarlo. Quindi premi "w" finché il mirino non lampeggia. Con "ä" accedi al menu di modifica e inserisci il valore esatto del componente.
Passo 4:
Ora abbiamo bisogno del circuito stampato e passiamo alla schermata del circuito stampato cliccando sul simbolo corrispondente. Lì, cancelliamo prima la cornice a volte disegnata per ottenere una schermata completamente vuota. Quindi clicchiamo sul simbolo del circuito integrato nella barra di scorrimento e selezioniamo una scheda con dimensioni 30 mm x 50 mm tramite "Free housing" e la libreria "PLATINEN.GHS3001".
Passo 5:
Ora la scheda viene ingrandita per riempire il formato. Quindi, si dovrebbe andare rapidamente dietro il "pulsante con l'occhio" per modificare brevemente la griglia dello schermo a 1 mm. Questo facilita l'avvicinamento alla posizione dei 4 fori di montaggio, poiché dovrebbero trovarsi a 3 mm dal bordo della scheda.
Una volta fatto questo, il cursore viene fatto scorrere il più precisamente possibile sull'angolo inferiore sinistro della scheda. Il tasto "Pos1" sulla tastiera dichiara immediatamente questo angolo come punto zero relativo del nostro sistema (coordinate 0 | 0) e spostiamo il mouse nella posizione "3 mm | 3 mm". Lì premiamo il "punto" sulla tastiera due volte di seguito (per impostare il via) e poi interrompiamo il filo di collegamento in svolgimento con "Esc".
I restanti 3 fori vengono creati allo stesso modo. Le vostre posizioni sono:
3 mm | 27 mm 47 mm | 3 mm 47 mm | 27 mm
Reimposta subito la griglia dello schermo a 0.1 mm!
Passo 6:
Ora tracciate una "linea ausiliaria" orizzontale lungo la scheda PCB del microonde. Deve estendersi chiaramente a sinistra e a destra oltre il bordo della scheda e avere esattamente la stessa larghezza della linea microstrip da 50 ohm. Non preoccupatevi... dopo le seguenti azioni, questa linea verrà eliminata! Per farlo, apriamo il menu degli strumenti di disegno, clicchiamo sulla "linea retta" e poi sulla lettera "o" (per le opzioni).
Ora è necessario impostare la larghezza della linea a 1.83 mm, non arrotondare le estremità e selezionare il livello 16 (ovvero rame in alto).
Si traccia anche una linea ausiliaria verticale più stretta (larghezza leggermente inferiore, qui 0.5 mm) come asse verticale di simmetria. Ecco come appare alla fine.
Passo 7:
Ora posizionate innanzitutto il condensatore centrale C2 nel centro contrassegnato in questo modo. Non dimenticate di attivare l'opzione "Montare SMD in alto" quando selezionate l'alloggiamento "1206" e poi usate il tasto "d" per ruotare il componente di 90 gradi prima di posizionarlo.
Ecco come appare il centro della scheda PCB del microonde immediatamente prima dell'inserimento del condensatore.
Passo 8:
Per entrambe le bobine scegliamo l'alloggiamento SMD 2220 e li disponiamo come mostrato nell'immagine a lato. Tuttavia, vi preghiamo di mostrare in anticipo i condotti dell'aria (= livello 27) e di ruotare i componenti in modo che corrispondano correttamente al cablaggio. E non l'opzione "inserisci SMD in alto..."
dimenticare.
Passo 9:
Adesso è il momento di collegare i due condensatori esterni, che sono posizionati sotto i collegamenti della bobina.
Passo 10:
Ora possiamo eliminare le nostre due “linee ausiliarie” e tirare tre pezzi di cavo con una larghezza di 1.83 mm come “cablaggio microstrip” dal bordo sinistro a quello destro.
Prima così…
allora così!
Passo 11:
Ora diamo a ciascun condensatore un bel campo di 5 vie per la sua connessione di terra.
Ricordi? Devi spostare il cursore nella posizione desiderata e poi premere il "punto" sulla tastiera due volte di seguito. Quindi il filo di collegamento aggiuntivo viene tagliato con "ESCAPE".
(Sono stati selezionati un diametro del foro di 0.6 mm, un'aura di 0.3 mm e un diametro di 1.5 mm).
Passo 12:
E poiché questo sistema funziona già bene, abbiamo disposto due piccoli tappeti nella metà superiore per mettere a terra le coppette di schermatura della bobina.
Passo 13:
Dagli strumenti di disegno (= pulsante con la matita) otteniamo il "rettangolo pieno" e premiamo "o" per le opzioni. I rettangoli devono essere al livello 16 (= rame in alto) e devono combinare tutti e cinque i fori di via di una connessione di terra.
Fortunatamente, i fori nei fori via vengono automaticamente tenuti liberi dal programma: non dobbiamo fare nulla al riguardo.
Passo 14:
Non dovresti mai dimenticare che:
deve esserci un'etichetta adatta sul lato superiore in rame (livello 16), perché altrimenti il produttore del PCB del microonde non sa cosa c'è sopra e cosa c'è sotto e potremmo ottenere una scheda "specchiata" fornita.
Troviamo anche l'opzione testo dietro il pulsante con la matita.
Passo 15:
E per rendere il tutto più arrotondato, andiamo dietro al “pulsante con la bacchetta magica” per attivare l’opzione di riempimento dell’area di massa.
Rilasciamo il lato inferiore (livello 2 = rame sotto) e selezioniamo il segnale “GND”.
Quindi il programma viene avviato.
Ecco come appare.
Ultimo passo:
Per stampare la parte superiore della tavola, passiamo solo ai livelli 16 (= rame in alto), 23 (= contorno) e 24
(= Fori). Poi possiamo dare un'occhiata più da vicino a come apparirà la scheda PCB del microonde.
Specifiche di qualificazione e prestazioni del PCB a microonde
IPC-6012, specifiche di qualificazione e prestazione per circuiti stampati rigidi e IPC-6013, specifiche di qualificazione e prestazione per PCB flessibili.
In genere, l'IPC cerca di aggiornare queste tre specifiche di qualificazione e prestazione contemporaneamente. L'IPC-6018 è stato pubblicato nel numero "A" di gennaio 2002.
Materiale PCB per microonde
Il mercato della tecnologia a microonde ha un numero di utenti significativamente inferiore rispetto alle tecnologie PCB convenzionali. Esistono solo pochi fornitori di PTFE, il materiale in teflon spesso utilizzato per i substrati a onde micrometriche. In netto contrasto con le numerose aziende che producono piastre metalliche basate su laminati FR-4. Tuttavia, quando si tratta dell'utilizzo dei materiali, il termine "numero limitato" diventa rapidamente relativo nell'enorme industria elettronica. Numerose schede PCB per microonde sono attualmente in uso.
Applicazione PCB a microonde
"Questa tecnologia è oggi utilizzata in numerose applicazioni commerciali, come stazioni base per cellulari e prodotti militari", ha affermato Michael Luke, presidente del sottocomitato IPC D-22 che ha sviluppato la direttiva IPC-6018.
Con il continuo aumento della velocità dei chip semiconduttori, le tecnologie a microonde saranno necessarie anche in altri settori.
Linee guida per la produzione di PCB a microonde
Le aggiunte riguardano numerose modifiche relative ai materiali del substrato del circuito stampato e alle piste conduttrici su di essi. Le piste conduttrici nella gamma delle microonde presentano parametri prestazionali significativamente diversi rispetto a quelli utilizzati nei circuiti stampati convenzionali. Molte piste di una tipica scheda PCB per microonde possono essere progettate secondo i requisiti IPC per circuiti stampati rigidi e flessibili. Nelle aree in cui sono presenti segnali a microonde ad alta velocità, tuttavia, si applicano valori di parametro completamente diversi per larghezza, spessore e spaziatura dei conduttori. Non vi è quindi dubbio che sia necessario utilizzare linee guida diverse per l'approvvigionamento di circuiti stampati per microonde.
Esistono anche differenze nei substrati. A differenza dei substrati FR-4 dei circuiti stampati convenzionali, la maggior parte dei PCB per microonde è a base di PTFE (Teflon). I laminati in PTFE presentano proprietà specifiche quando vengono laminati i singoli strati. La stabilità dimensionale è completamente diversa, ovvero i progettisti e i produttori devono tenerne conto durante la progettazione dei circuiti stampati e il posizionamento di fori interrati, fori ciechi o altri elementi che richiedono la foratura.
Quando si praticano questi fori, possono rimanere residui di resina, noti come "sbavature di resina", una volta formata la parete del foro. "La linea guida IPC-6018B contiene criteri specifici per la rimozione dei residui di resina (sbavature di resina), che tengono conto delle proprietà specifiche dei laminati per circuiti stampati ad alta frequenza. È un problema importante con i circuiti stampati in PTFE", ha affermato Perry.
Dal completamento della Versione A all'inizio del 2002, sono state apportate numerose altre modifiche. Gli autori della direttiva hanno aggiunto informazioni di riferimento su resistori e condensatori passivi alla sezione 3 [REQUISITI]. La nuova versione ha inoltre migliorato i requisiti relativi alle rotture dei bordi di saldatura, che possono verificarsi quando non vengono praticati fori al centro delle piazzole. Anche l'argomento dello stress termico è stato rivisto per tenere conto dei progressi compiuti dai processi di rifusione a convezione per le prove di stress termico su campioni rettificati o campioni di circuiti stampati di produzione.
