Printplaten Met hogesnelheidschips en microgolf-PCB-structuren hebben talrijke parameters die aanzienlijk verschillen van die van conventionele, stijve en flexibele printplaten. Deze verschillen worden uitgelegd in IPC-6018B, Kwalificatie- en prestatie-specificaties voor radiofrequentie (microgolf) printplaten. "Hoogfrequent" is een van de drie primaire classificaties van printplaten van de IPC (de andere twee classificaties zijn "r“igid” en “flexibele” printplaten).
Magnetron PCB-ontwerp
Speciale vereisten
Wie niets weet over de eigenaardigheden van deze frequentiebereiken, zal eerst zijn hoofd schudden over dit hoofdstuk. Want niet alleen – vanwege de optredende verliezen – moeten er andere printplaatmaterialen dan die voor lage frequenties worden gebruikt (vaak op basis van teflon of keramiek, maar ook van nieuwe, speciaal ontwikkelde organische materialen). De componenten van microgolfprintplaten zien er anders uit (het optimum is momenteel het gebruik van SMD-chipcomponenten met afmetingen 0603 of beter 0402, waarbij "0402" een afmeting van 1 mm x 0.5 mm betekent) en er komen voortdurend nieuwe bij. Bovendien moet er een compleet andere "bedradingstechnologie" op de printplaten worden gebruikt om de schakelingen goed te laten werken.
De “mass fill option” die Target biedt (en voor dit doel propageert) in dergelijke schakelingen is alleen voldoende tot een paar honderd megahertz voordat er nieuwe problemen ontstaan en de hieronder beschreven methode definitief moet worden gewijzigd.
Eenvoudige LC-laagdoorlaat voor de golfweerstand
Laten we eens kijken naar een eenvoudige LC-laagdoorlaat voor de golfweerstand Z = 50 en een afsnijfrequentie van 100 MHz. De waarden van de componenten van de microgolfprintplaat zelf worden verkregen na het invoeren van de filterparameters in een van de moderne filterprogramma's. Alle componenten mogen alleen in de SMD-versie worden gebruikt (hier: 1206 voor de condensatoren, de spoelen daarentegen als "2220" met een extra aardaansluiting voor de afschermingsbehuizing).
Dat kan allemaal nog steeds en lijkt heel normaal. Pas met de printplaat wordt het interessanter:
De onderzijde van de printplaat is voorzien van een doorlopend aardingsvlak (= GND) en alles wat geaard moet worden, heeft aan de bovenzijde een eigen “aardingspad” met zoveel mogelijk doorgemetalliseerde gaten.
In de serie zijn de doorgeplatte gaten zelf uiteraard ontworpen als "echte doorgeplatte gaten". Het gebruik van verzilverde holle klinknagels met een diameter van 0.8 mm (= zelfs getest tot 10 GHz) werkt uitstekend op het eerste testbord.
In- en uitgangsverbindingen mogen uitsluitend via microstripkabels met de juiste golfimpedantie Z en de bijbehorende juiste breedte worden gemaakt (wat natuurlijk afhankelijk is van het geleidermateriaal, de dikte van de printplaat en helaas ook enigszins van de werkfrequentie).
Natuurlijk, met filtercondensatoren met hun vaak scheve waarden, probeer je zulke exotische dingen nergens te vinden. Ze zijn eenvoudig te realiseren door maximaal drie SMD-standaardwaarden uit de E12-standaardserie parallel te schakelen. Dit vermindert zelfs de totale zelfinductie en verschuift zo de eigen resonantie naar hogere frequenties. Afwijkingen tot 1...2% van de totale waarde zijn acceptabel, daarom vervangen we in ons voorbeeld de 33.2 pF door 33 pF en de 57.2 pF door 56 pF.
De nieuwe eisen
De bediening van het PCB CAD-programma en de eigenschappen ervan veranderen aanzienlijk. De nieuwe eisen voor dit proces van microgolf-PCB's zien er als volgt uit:
a) Er mag geen autorouter of autoplacer worden gebruikt. De positie van elk component op de printplaat moet zo kort mogelijk zijn, zodat de verbindingskabels naar het volgende component zo kort mogelijk zijn (omdat elke extra millimeter kabel extra inductantie kan betekenen). Dit betekent dat componenten probleemloos met maximale nauwkeurigheid moeten kunnen worden verplaatst of onder elke hoek moeten kunnen worden gedraaid. En dat alles met de hand.
b) Aan de andere kant moeten de soldeerpads voor de SMD-componenten zo klein mogelijk zijn, omdat ze extra capaciteit in het circuit brengen. Met deze capaciteiten moet al rekening worden gehouden bij het ontwerp en de circuitsimulatie …
c) Vaak moet je nieuwe SMD-soldeerpads of zelfs nieuwe behuizingen ontwerpen, omdat er meestal niets in de bibliotheek aanwezig is voor de benodigde speciale componenten. Dit zou geen geheime wetenschap moeten zijn en zou heel snel moeten gebeuren.
d) De mogelijkheid tot het creëren van “vias” (= doorplating) moet beschikbaar zijn.
e) De vereiste grondoppervlakken moeten eenvoudig te creëren zijn en de gaten van de via's automatisch vrijmaken.
f) De geleiderbanen mogen aan het einde niet afgerond zijn, de breedte en lengte moeten tot op een honderdste millimeter nauwkeurig instelbaar zijn.
g) Het onderste niveau van de printplaat is volledig voorzien van een koperlaag, die via de via’s verbonden is met “GND” (= aarde).
h) De bedrading vindt daarom alleen aan de bovenkant plaats (meestal: niveau 1). Uiteraard moet je er wel goed op letten dat de behuizingen van IC's of transistoren correct gespiegeld worden als ze ontworpen zijn voor gebruik op het laagste niveau.
Ontwerpvoorbeeld (microgolf-PCB): 100 MHz – laagdoorlaat
Nu willen we het volledige ontwerpproces voor het laagdoorlaatfilter hierboven begrijpen.
Stap 1:
We starten een nieuw project “Printplaat met schakelschema” en geven het een passende naam.
Stap 2:
We schakelen over naar het schakelschema, halen een "verticaal DIN A4-vel" uit de "framebibliotheek" (RAHMEN.BTL3001) en zetten het op het scherm. Het is het beste om je tekstveld meteen te labelen, anders vergeet je het later.
Stap 3:
Nu is het schema van de microgolfprintplaat getekend. De condensatoren zijn afkomstig als "C 1206" uit de bibliotheek "C.BTL3001", de spoelen als "L" uit de bibliotheek "L.BTL3001".
De in- en uitgangsmarkeringen zijn te vinden als "referenties" in het pulldownmenu "Overige componenten". U vindt deze door de cursor op het transistorsymbool in de schuifbalk te plaatsen en vervolgens de muisaanwijzer iets naar rechts te schuiven.
Daar krijg je ook de massasymbolen.
Vergeet niet: elk onderdeel op de microgolfprintplaat wordt nu eerst aangeklikt om het te markeren. Druk vervolgens op "w" totdat het dradenkruis knippert. Met "ä" kom je in het menu 'Wijzigen' en kun je daar de exacte componentwaarde invoeren.
Stap 4:
Nu hebben we de printplaat nodig en schakelen we over naar het printplaatscherm door op het printplaatsymbool te klikken. Daar verwijderen we eerst het soms getekende frame om een volledig leeg scherm te krijgen. Vervolgens klikken we op het IC-symbool in de schuifbalk en halen we een printplaat op met de afmetingen 30 mm x 50 mm via "Free housing" en de bibliotheek "PLATINEN.GHS3001".
Stap 5:
Nu is dit bord ingezoomd om het formaat te vullen. Ga dan snel achter de "knop met het oog" staan om het raster kort te wijzigen naar 1 mm. Dit maakt het gemakkelijker om de posities van de 4 montagegaten te benaderen, aangezien deze 3 mm van de rand van het bord moeten zitten.
Zodra dit is gebeurd, wordt de cursor zo nauwkeurig mogelijk naar de linkeronderhoek van het bord gerold. De toets "Pos1" op het toetsenbord verklaart deze hoek onmiddellijk tot het relatieve nulpunt van ons systeem (coördinaten 0 | 0) en we bewegen de muis naar de positie "3 mm | 3 mm". Daar drukken we twee keer achter elkaar op de "punt" op het toetsenbord (om de via in te stellen) en knippen vervolgens de afwikkelende aansluitdraad af met "Escape".
De overige 3 gaten worden op dezelfde manier gemaakt. Je posities zijn:
3 mm | 27 mm 47 mm | 3 mm 47 mm | 27 mm
Stel het schermraster nu opnieuw in op 0.1 mm!
Stap 6:
Plaats nu een horizontale "hulplijn" over de printplaat van de microgolf. Deze moet duidelijk links en rechts over de rand van de printplaat lopen en exact dezelfde breedte hebben als de 50 ohm microstriplijn. Maak je geen zorgen... na de volgende handelingen wordt deze lijn verwijderd! Om dit te doen, openen we het menu Tekengereedschap, klikken we op de "rechte lijn" en vervolgens op de letter "o" (voor opties).
Nu is het nodig om de lijndikte in te stellen op 1.83 mm, de uiteinden niet af te ronden en niveau 16 te selecteren (d.w.z. koper aan de bovenkant).
Je tekent ook een smallere verticale hulplijn (iets smaller. Hier: 0.5 mm) als verticale symmetrie-as. Zo ziet het er uiteindelijk uit.
Stap 7:
Plaats nu eerst de middelste condensator C2 in het op deze manier gemarkeerde midden. Vergeet niet de optie "SMD bovenop monteren" te activeren wanneer u de behuizing "1206" selecteert en gebruik vervolgens de toets "d" om het component 90 graden te draaien voordat u het neerlegt.
Zo ziet het midden van de printplaat van de microgolfoven eruit vlak voordat de condensator wordt geplaatst.
Stap 8:
Voor beide spoelen kiezen we de SMD-behuizing 2220 en plaatsen deze zoals afgebeeld op de afbeelding hiernaast. Zorg er echter wel voor dat de luchtleidingen van tevoren zichtbaar zijn (= niveau 27) en draai de componenten zo dat de luchtleidingen goed aansluiten op de bedrading. En niet de optie "SMD bovenop vullen...".
vergeten.
Stap 9:
Nu is het tijd om de twee buitenste condensatoren aan te sluiten. Deze bevinden zich onder de spoelaansluitingen.
Stap 10:
Nu kunnen we onze twee “hulplijnen” verwijderen en drie stukken kabel met een breedte van 1.83 mm als “microstripbedrading” van de linker- naar de rechterrand trekken.
Eerst zo…
dan zo!
Stap 11:
Nu geven we elke condensator een mooi veld van 5 via's voor de aardverbinding.
Weet je nog? Je moet de cursor naar de gewenste positie verplaatsen en vervolgens twee keer achter elkaar op de "punt" op het toetsenbord drukken. Vervolgens knip je de extra verbindingsdraad door met "ESCAPE".
(Er werd gekozen voor een boringdiameter van 0.6 mm, een aura van 0.3 mm en een diameter van 1.5 mm).
Stap 12:
En omdat dit al goed werkt, leggen we in de bovenste helft twee kleine tapijtjes neer om de afschermcups van de spoelen te aarden.
Stap 13:
Met de tekentools (= knop met het potlood) krijgen we de "gevulde rechthoek" en drukken we op "o" voor de opties. De rechthoeken moeten op niveau 16 staan (= koper bovenop) en moeten alle vijf via's van een aardverbinding combineren.
Gelukkig houdt het programma de gaten in de via's automatisch vrij, daar hoeven we niets aan te doen.
Stap 14:
Je mag nooit vergeten dat:
er moet een passend label op de bovenste koperzijde (niveau 16) zitten, want anders weet de fabrikant van de microgolf-PCB niet wat boven of onder is en kunnen we een "gespiegelde" printplaat krijgen. Mogelijk is er een "gespiegelde" printplaat meegeleverd.
De tekstoptie vinden we ook achter de knop met het potloodje.
Stap 15:
En om het helemaal af te maken, gaan we achter de “knop met de toverstaf” staan om de optie voor het vullen van massa-oppervlakten te activeren.
We laten de onderkant los (niveau 2 = koper onderaan) en selecteren het signaal “GND”.
Vervolgens wordt het programma gestart.
Zo ziet het eruit.
Laatste stap:
Om de bovenkant van het bord te printen, schakelen we alleen over naar niveaus 16 (= koper bovenop), 23 (= omtrek) en 24
(= Boorgaten). Dan kunnen we eens nader bekijken hoe de printplaat van de microgolfoven eruit zal zien.
Kwalificatie- en prestatie-specificaties van microgolf-PCB
IPC-6012, kwalificatie- en prestatie-specificatie voor stijve printplaten en IPC-6013, kwalificatie- en prestatie-specificatie voor flexibele PCB's.
Normaal gesproken probeert de IPC deze drie kwalificatie- en prestatie-specificaties tegelijkertijd bij te werken. IPC-6018 werd gepubliceerd in januari 2002, nummer "A".
Magnetron PCB-materiaal
De markt voor microgolftechnologie kent aanzienlijk minder gebruikers dan conventionele PCB-technologieën. Er is slechts een klein aantal leveranciers van PTFE, het teflonmateriaal dat vaak wordt gebruikt voor microgolfsubstraten. Dit staat in schril contrast met de vele ondernemingen die draadplaat produceren op basis van FR-4-laminaten. Als het echter om materiaalgebruik gaat, wordt de term "klein aantal" al snel relatief in de enorme elektronica-industrie. Er zijn tegenwoordig talloze microgolf-PCB-platen in gebruik.
Toepassing van microgolf-PCB
"Deze technologie wordt tegenwoordig in veel commerciële toepassingen gebruikt, zoals mobiele basisstations en militaire producten", aldus Michael Luke, voorzitter van de IPC D-22-subcommissie die de IPC-6018-richtlijn heeft ontwikkeld.
Naarmate de snelheid van halfgeleiderchips blijft toenemen, zullen microgolftechnologieën ook op andere gebieden nodig zijn.
Richtlijnen voor de productie van microgolf-PCB's
De aanvullingen hebben betrekking op talrijke wijzigingen met betrekking tot de substraatmaterialen van de printplaat en de geleiderbanen daarop. De geleiderbanen in het microgolfbereik hebben aanzienlijk andere prestatieparameters dan die voor conventionele printplaten. Veel sporen van een typische microgolf-printplaat kunnen worden ontworpen volgens de IPC-eisen voor stijve en flexibele printplaten. In gebieden waar hogesnelheidsmicrogolfsignalen aanwezig zijn, gelden echter volledig andere parameterwaarden voor de breedte, dikte en afstand tussen de geleiders. Het lijdt dan ook geen twijfel dat bij de aanschaf van microgolf-printplaten een andere richtlijn moet worden gehanteerd.
Er zijn ook verschillen in de substraten. In tegenstelling tot de FR-4-substraten van conventionele printplaten zijn de meeste microgolfprintplaten gebaseerd op PTFE (Teflon). PTFE-laminaten hebben hun eigen eigenschappen wanneer afzonderlijke lagen worden gelamineerd. De maatvastheid is compleet anders, d.w.z. ontwerpers en fabrikanten moeten hier rekening mee houden bij het ontwerpen van printplaten en het positioneren van begraven of blinde gaten of andere elementen die geboord moeten worden.
Bij het boren van deze gaten kunnen harsresten, ook wel "harssmeer" genoemd, achterblijven wanneer de gatwand wordt gevormd. "De IPC-6018B-richtlijn bevat speciale criteria voor het verwijderen van harsresten (harssmeer), die rekening houden met de speciale eigenschappen van hoogfrequente printplaatlaminaten. Dit is een groot probleem bij PTFE-printplaten", aldus Perry.
Sinds de afronding van Issue A begin 2002 zijn er talloze andere wijzigingen doorgevoerd. De ontwikkelaars van de richtlijn hebben referentie-informatie over passieve weerstanden en condensatoren toegevoegd aan hoofdstuk 3 [EISEN]. De nieuwe versie heeft ook de eisen voor het solderen van randbreuken verbeterd, die kunnen ontstaan wanneer er geen gaten in het midden van de pads zijn geboord. Het onderwerp thermische belasting is ook herzien om rekening te houden met de vooruitgang die is geboekt met convectiereflowprocessen voor thermische belastingstests op geaarde proefstukken of monsters van productieprintplaten.
