Технологии в электронной промышленности №2'2014

Электрическое конструирование печатных плат высокопроизводительных устройств

Медведев Аркадий


Электрические характеристики печатных плат и монтажных подложек многокристальных модулей настолько же важны, как и параметры, определяемые отечественными и зарубежными стандартами, в которых приведены нормы и основы расчетов ширины проводников и зазоров печатного рисунка в плоскости X‑Y, соединений в трансверсальном направлении по оси Z, толщины плат. Но в связи с ростом производительности процессов обработки информации и необходимости повышения надежности передачи высокочастотных сигналов стали важны другие дополнительные факторы, сказывающиеся на работоспособности электронных систем. В этой статье мы попытались упорядочить информацию о работоспособности печатных плат применительно к требованиям обеспечения высокой производительности передачи сигналов.

Полнота проектирования цепей

Аналоговые и цифровые сигналы подвергаются всевозможным воздействиям, которые могут вызвать искажение сигналов и снизить степень его целостности. Часто линия связи указывается на принципиальной схеме, а обратный проводник либо просто не указан, либо указан условно значком заземления. Это может создать проблему при проектировании печатной платы. Некоторые CAПР просто не учитывают необходимость проектирования заземления (экрана) в качестве обратной цепи сигнала на одном из примыкающих слоев многослойной печатной платы (МПП).

Защита чувствительных цепей

Одним из ключевых методов улучшения целостности сигнала является изоляция или выделение наиболее важных или чувствительных частей схемы. Чувствительные цепи могут быть восприимчивы к внешним воздействиям, таким как электромагнитные поля, высокое напряжение, системы заземления, механические удары и вибрация, нагрев. Иногда более чувствительные цепи перекомпоновывают заново в отдельный функциональный модуль, который обеспечивается собственной защитой, так, чтобы на его цепи не влияли условия, способствующие возникновению неполадок. Защита и выделение отдельных частей схемы могут быть выполнены физическими средствами, такими как установка электромагнитных и тепловых барьеров, улучшенным заземлением, установкой фильтров в источниках питания, изоляции сигналов, амортизаторов вибраций и ударов и использованием контролируемой среды, позволяющей повышать или понижать температуру.

ТермоЭДС

В аналоговых схемах, где могут быть чувствительные к низковольтным помехам цепи, приходится учитывать термоэлектродвижущие силы (ТЭДС). Они возникают при нагреве стыков различных металлических соединений (проводников) и могут вводить нежелательное напряжение (или индуцировать нежелательные токи) в линии электрического сигнала. Эффект термопары полезен для температурных измерений. Однако при наличии низкого уровня сигналов он нежелателен. Поэтому в требованиях к цепям слаботочных сигналов должно быть предусмотрено, чтобы все компоненты и цепи электрических межсоединений и соответствующие им электрические выводы — припаянные, сваренные, закрепленные термокомпрессией или проводящим клеем — были физически одинаковыми и изотермическими. Встроенные в плату компоненты схемы, такие как толсто- и тонкопленочные резисторы, могут иметь элементы, изготовленные из различных материалов. Поэтому, если не принять в расчет ТЭДС, можно совершить ошибку, обусловленную неудачным выбором сочетания материалов.

Цифровые схемы

К требованиям, предъявляемым к целостности электрического сигнала для цифровых интегральных схем, в первую очередь относятся требования к высокому и низкому электрическому уровню (напряжения или тока) сигнала для выходных, входных, синхронизирующих, установочных, переустановочных (сброса) сигналов, сигналов очистки и других. Следует учитывать также время нарастания и затухания, частоту синхронизации и время установления и удержания. Цепи питания и заземления тоже важны для обеспечения работоспособности схем с интегральными схемами.

Параметры и характеристики цепей ввода/вывода и передача электрического сигнала для цифровых интегральных схем варьируются от одного логического или микропроцессорного семейства к другому. Сейчас, когда время переключения логических элементов может составлять доли наносекунды, приходится считаться с конструктивными задержками сигналов в линиях связи, которые в стеклоэпоксидных основаниях печатных плат составляют 4-6 нс/м.

Целостность электрического сигнала в моменты его нарастания и затухания представляет собой важный фактор и проблему для быстродействующих и высокочастотных печатных плат.

Понятие об электромагнитной совместимости

Общие проблемы целостности сигналов в линиях передачи формулируются положениями электромагнитной совместимости (ЭМС), сформулированной классиком этой науки Л. Н. Кечиевым, в частности в [1]. ЭМС (Electromagnetic Compatibility, EMC) имеет частные приложения: функции регулирования электромагнитных полей (Electromagnetic Fields, EMF), регламентирования электромагнитных помех (Electromagnetic Interference, EMI) и радиочастотных помех (Radio Frequency Interference, RFI) [2].

ЭМС вместе с приложениями охватывает весь спектр электромагнитных частот от постоянного тока до 20 ГГц [3]. Повсеместно предприятия электронной промышленности вынуждены уделять все возрастающее внимание ЭМС, чтобы их продукция соответствовала национальным и международным стандартам и нормативам.

ЭМС включает в себя основные конструкторские соображения по обеспечению надлежащего функционирования электронных компонентов, узлов или систем, для того чтобы:

  • ограничить эмиссию (электромагнитную или кондуктивную) от одних элементов цепей к другим, от одних электронных компонентов к другим;
  • уменьшить чувствительность электронных компонентов, узлов или систем к внешним источникам электромагнитных полей, электромагнитных и радиочастотных помех.

Существует три ключевых подхода для решения проблем ЭМС:

  • Проектирование топологии цепей таким образом, чтобы они производили меньше паразитной электромагнитной энергии.
  • Проектирование топологии таким образом, чтобы она меньше воспринимала внешнюю электромагнитную энергию.
  • Проектирование изделия таким образом, чтобы исключить паразитную электромагнитную энергию, поглощаемую или излучаемую этим изделием.

Учет наводок и помех

При конструировании следует предварительно определить суммарные помехи, это значение включается в технические требования к изделию. Суммарные помехи являются сложением всех помех постоянного и переменного токов, и они формируют границы функционирования рассматриваемого модуля, узла или системы.

Помехи постоянного тока

Помехи постоянного тока состоят из настроек напряжения (предварительной установки) электропитания, а именно эксплуатационного допуска электропитания, а также серии падений напряжения в системе распределения электропитания постоянного тока.

Помехи переменного тока

Помехи переменного тока определяются эффективностью распределения нагрузок, величиной и распределением развязывающих конденсаторов и системой подвода электропитания, локальными падениями напряжения в цепях питания и заземления и допуском на входное напряжение компонента.

Многие из рабочих электрических, механических и тепловых характеристик, а также параметров окружающей среды могут иметь большое влияние на суммарные помехи. В цифровых конструкциях дополнительными помехами, которые, возможно, придется принимать во внимание, являются изучаемые и передаваемые кондуктивно помехи от электромагнитного оборудования и напряжение, создаваемое за счет эффекта термопары. При анализе запаса помехоустойчивости приходится учитывать: помехи при переключении, скачки напряжения питания и перекрестную помеху (для цифровых схем эти три фактора могут составлять 50-60% суммарных помех), а также рассогласованность нагрузки линий связи, неустойчивость заземления кристалла, неустойчивость соединений внутри компонента и выводов корпуса компонента.

Токи утечки

Небольшие, нежелательные и непреднамеренные токи утечки могут существенно влиять на целостность электрического сигнала некоторых аналоговых и цифровых схем. Токи утечки в несколько наноампер и менее, а также напряжения утечки в несколько микровольт и менее могут оказать воздействие на эксплуатационные характеристики электронного узла. На фоне таких утечек почти невозможно, чтобы цепь с высокоомным входом могла различать желательный и нежелательный электрические сигналы. Поэтому следует быть осторожным при проектировании, изготовлении и сборке изделий с высокоомным входом.

В проектировании печатных плат необходимо использовать решения, которые бы позволяли уменьшить и контролировать токи и напряжения утечки.

Некоторые распространенные причины появления токов и напряжений утечки в печатных узлах:

  • недостаточное (поверхностное или объемное) удельное сопротивление изоляции базового материала;
  • загрязнение из окружающей среды;
  • отпечатки пальцев и косметики, человеческое дыхание;
  • остатки химикатов от производства и обработки;
  • недостаточно отвержденный материал платы или покровного лака;
  • паяльные флюсы;
  • влага на поверхности;
  • поверхностное и подповерхностное загрязнение, какое можно найти:
    - на собранных компонентах или внутри них;
    - между влагозащитным покрытием и поверхностью, которую они защищают;
    - на паяльной маске, в ней или под ней;
    - между проводниками на монтажной подложке или в ней самой.

Главным принципом защиты высокоомного входа является ограничение и контроль нежелательных токов и напряжений утечки или ограничение их формирования. Теоретически этот принцип легко осуществить. Если нет разницы в электрическом потенциале, то нет и токов или напряжений утечки. На практике же этого очень сложно достичь, и такое решение может оказаться нежизнеспособным.

Однако, уменьшая (цель состоит в устранении) разность потенциалов между важными электрическими соединениями цепей и компонентов (выводов корпусов), можно управлять (минимальный результат) или устранять (максимальный результат) формирование нежелательных токов и напряжений. Для этого, как правило, вокруг высокоомных входов формируют клетку Фарадея, используя комбинирование проводящих рисунков (часто называемое защитой входа или защитным кольцом) и экраны. Все источники напряжения следует держать вне клетки Фарадея или в защищенной от утечек области. Электрически клетку Фарадея нужно соединить с источником питания с низким полным сопротивлением.

Выводы некоторых компонентов, примыкающих к входным контактам, оставляют неподключенными, неиспользованными или незащищенными. Следует уделять внимание балансу или согласованности контактов/выводов, поскольку в большинстве случаев контакты подключены (внутренним образом) в компоненте напрямую к дифференциалу входа усилителя; таким образом, любые нежелательные токи или напряжения утечки на этих контактах/выводах могут привести к нежелательным последствиям.

Некоторые линейные операционные усилители и другие компоненты с линейными характеристиками больше подходят для защиты входа, чем другие; некоторые имеют два (и более) неиспользованных контакта или два неиспользованных вывода, которые используются для улучшения электрической изоляции между защищаемыми контактами/выводами в самом компоненте, а также как соединения на посадочном месте компонента на монтажной подложке [2].

Простейший метод обеспечения защиты входа для контроля входных токов и напряжений утечки состоит в использовании защитных колец проводящих рисунков на всех слоях проводящего рисунка печатной платы, которые окружают контакты/выводы, и связанной с ними схемы. Защитное кольцо присоединяют к источнику напряжения с низким полным сопротивлением, которое лучше всего подходит входному сигналу, или, как рекомендуют некоторые производители интегральных схем, к металлическому кожуху компонента. В результате контакты высокоомного входа, низкий ток смещения, низкое напряжение компенсации смещения нуля операционных усилителей могут быть защищены от паразитных токов и напряжений утечки.

Цепи «земли» и питания

Существует несколько основных принципов проектирования цепей питания и заземления в печатных платах, печатных узлах и других электронных устройствах. В общем случае в наиболее состоятельных конструкциях печатных плат используют один или несколько слоев заземления для общих электрических соединений, цепей питания и опорной или обратной электрической цепи.

Ключевыми мерами по обеспечению хороших систем распределения напряжения и заземления являются:

  • применение систем распределения цепей питания и заземления с низким общим сопротивлением;
  • выполнение требования эксплуатационных характеристик изделия при его проектировании;
  • оптимизация ЭMC.

В зависимости от конструкции система заземления может быть также использована для экранирования линий связи для обеспечения электрической безопасности в соответствии с требованиями электромагнитной совместимости. Из соображений целостности электрического сигнала обычно желательно иметь раздельные, но параллельно расположенные схемы межсоединений для заземленных (сигнальных и силовых) и заземляющих (электробезопасных) проводников. Подобно заземлению, распределение напряжения питания для многослойных плат обычно обеспечивается одним или несколькими слоями питания (или их частями), хотя для некоторых конструкций разводка проводников или шин может быть функционально приемлемым вариантом. Системы распределения питания и заземления на основе шин могут быть приемлемы для некоторых конструкций, но они обычно используются для плат с низкими рабочими частотами и большим временем нарастания и затухания. Распределение напряжения и заземления, а также положение и тип развязывающих конденсаторов могут иметь значительное влияние на ЭMC и целостность электрического сигнала.

Принципы заземления

Электрическое заземление является одним из наиболее важных понятий и, вероятно, хуже всего воспринимаемым фактором обеспечения целостности электрического сигнала и ЭМС. Все электрические проводники, включая цепи заземления, образуют очень утонченную, но активную схему электрических межсоединений, которая в значительной степени сказывается на целостности электрического сигнала и ЭМС.

Вообще говоря, универсального решения, которое бы подходило для всех вариантов использования заземления, не существует. Заземление считается некоторыми специалистами сродни искусству, с чем можно согласиться потому, что системы заземления часто совершенно бесструктурны и при этом некоторые из них работают, тогда как другие нет, и объяснения этому найти трудно [2]. В результате работы по поиску набора правил, которыми можно пользоваться при проектировании системы заземления, продолжаются, и, к сожалению, многие их них несовместимы.

Например, электронный модуль модема PCMCIA может иметь подходящую систему заземления, предназначенную для обычных линий дальней связи. Однако она совершенно не подходит, если в линии дальней связи возникает электрический ток 100 А — 1 кА из-за разряда молнии или падения уровня питания в линии. Аналогично подходящая система обеспечения электробезопасности для линии питания переменного тока может не подойти для высокой мощности высокочастотного телевизионного передатчика.

Но можно выделить несколько принципов проектирования заземления, не вызывающих сомнения.

Заземление в общей точке и заземление точечного источника

Заземление в общей точке является методом, в котором заземление цепи электрических межсоединений соединяют с «землей» в одной точке либо источника, либо оконечной нагрузки цепи электрических межсоединений. Система точечного источника или заземления звездочкой имеет одну общую точку заземления для всех электрических нагрузок. Точка заземления точечного источника соединяется с другой точкой заземления с помощью шины с низким полным сопротивлением или заземляющим проводником.

Многоточечное заземление

Система многоточечного заземления может быть в форме петли или древоподобной структуры. В системе заземления петлей падение напряжения в петле может варьироваться в зависимости от электрических характеристик каждой из нагрузок, прикрепленных к этой петле. Древоподобная система заземления имеет хорошее регулирование напряжения. В такой системе можно присоединять или отсоединять выводы независимо, что не оказывает существенного влияния на оставшиеся нагрузки.

«Земляные» слои

Эти слои являются системами заземления, которые выбирают при наиболее строгих требованиях к конструкции платы. «Земляные» слои могут улучшить целостность электрического сигнала систем заземления, если все критические линии связи размещены на внешнем слое печатной платы.

Разделение цепей заземлений

Идентификация и разделение естественных групп заземлений по сходным требованиям увеличивают степень соответствия типичным требованиям изделия. Перечислим некоторые из них:

  • заземление для электробезопасности;
  • заземление для источника электропитания;
  • заземление для аналоговых сигналов низкой мощности;
  • заземление для аналоговых сигналов высокой мощности;
  • заземление для цифровых сигналов;
  • заземление входов/выходов;
  • заземление для импульсного источника питания.

При определении требований к проекту печатной платы для определенной сборки следует включить результаты анализа элементов заземления, необходимых для обеспечения надлежащего функционирования.

Развязывающие конденсаторы

Выбор размещения, число и емкость развязывающих конденсаторов в конструкциях печатных плат могут существенно сказываться на эксплуатационных характеристиках схемы. Назначение развязывающих конденсаторов состоит в обеспечении необходимой электрической энергии для минимизации влияния обычного переходного процесса при переключении логических элементов компонентов и токов нагрузки при функционировании. Выбор и размещение развязывающих конденсаторов могут иметь существенное влияние на ЭМС. Одним из ключевых назначений управления ЭМС является устранение или минимизация генерации и последующего излучения электромагнитных полей.

Шины электропитания и заземления

По мере роста рабочих частот и быстродействия системы распределения напряжения питания и заземления на базе шин могут функционировать как генератор ударного возбуждения с сосредоточенными параметрами. Частота колебаний зависит от избыточной индуктивности систем питания и заземления на основе шин и шунтирующих конденсаторов. В наихудшем варианте эти шины напряжения и заземления помещаются как рельсы железной дороги с развязывающими конденсаторами, а цифровые интегральные цепи чередуются по положению, как железнодорожные шпалы между рельсами [2].

Слои электропитания и заземления

Слои питания и «земли» могут быть эффективным средством обеспечения относительно низкого удельного сопротивления и полного сопротивления [1] для распределения напряжения и заземления в пределах печатной платы. Однако максимальная эффективность — цельный металл без отверстий или окон для сквозных металлизированных отверстий или других необходимых элементов — является недостижимым условием. Поэтому слои питания и «земли» являются компромиссом в проектировании из-за необходимости использования отверстий на плоскостях для электрических межсоединений и монтажа компонентов.

Сопротивление слоев электропитания и заземления

Поверхностное сопротивление слоя медной фольги слоев питания и заземления относительно низкое для большинства используемых значений толщины фольги. Для 35-мкм медной фольги (сплошной) поверхностное сопротивление постоянному току составляет менее 1 мОм на единицу площади. Поверхностное сопротивление медной фольги постоянному току определяется следующим уравнением:

где Δ — толщина медной фольги в мкм.

Поверхностное сопротивление сплошной медной фольги при разных значениях толщины приведено в таблице.

Таблица. Поверхностное сопротивление сплошной медной фольги

Толщина меди, мкм Поверхностное сопротивление, мОм,
на единицу площади
5 3,44
9 1,911
12 1,433
17 1,012
26 0,662
35 0,491
70 0,246

Из-за почти бесконечного числа возможных вариантов размера, расположения и формы сеток перфорации проводящих поверхностей эти данные приводятся только к сведению и для сравнительных целей. Модели удельного сопротивления для плоскостей с регулярной заземляющей сеткой применимы только для равномерных сеток. Для сетчатых проводящих плоскостей, которые не имеют регулярной структуры, расчет сопротивления цепей заземления и питания крайне затруднен из-за многочисленности возможных вариаций размера, расположения и формы перфорации проводящих плоскостей [4].

Заключение

Об электрическом проектировании печатных плат применительно к требованиям обеспечения быстродействия можно говорить долго. Безусловно, это процесс, требующий навыков, которые приобретаются путем тщательного анализа проб и ошибок проектирования и реализованных проектов. Часто эти процессы (проектирование и функциональные испытания) разорваны, что дает повод для конфликтов между разработчиками и изготовителями. Автор привел в этой статье правила лишь для того, чтобы показать сложность электрического проектирования плат.

Литература

  1. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: Группа ИДТ, 2007. (Библиотека ЭМС.)
  2. Печатные платы: Справочник / В двух книгах. Пер. с англ. под ред. А. Медведева. М.: Техносфера, 2011.
  3. White D. R. J., Mardiguian М. EMI Control, Methodology and Procedures. Interference Control Technologies, emf-emi Control. 4th ed. Gainsville, Va.
  4. Wu R.-B. Resistance Modeling of Periodically Perforated Mesh Planes in Multilayer Packaging Structures. IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology. Vol. 12, No. 3. Sept. 1989.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо