Некоторые вопросы проектирования печатных плат Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.049.75

М. Е. ОСИНКИНА В. П. КИСМЕРЕШКИН

Омский научно-исследовательский институт приборостроения

Омский государственный технический университет

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Рассмотрен метод электронного конструирования, обеспечивающий экранирование сигнального проводника внутренним сплошным металлизированным потенциальным слоем в многослойной печатной плате. Произведен расчет эффективности экранирования для магнитного, электрического и электромагнитного полей в многослойной печатной плате.

Ключевые слова: экранирование, эффективность экранирования, многослойная печатная плата, потенциальный слой, магнитное поле, электрическое поле, электромагнитное поле.

На начальном этапе развития электроники при относительно низком быстродействии элементной базы и относительно невысокой сложности электронных устройств проблемы электронного конструирования не стояли так остро и само конструирование изделия сводилось в основном к обеспечению технологичности и механической прочности. Однако, с повышением быстродействия и плотности компоновки элементов, проблемы обеспечения помехоустойчивости и электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств становятся важнейшей задачей конструирования радиоэлектронной аппаратуры в целом [1].

В настоящее время ЭМС является одним из важнейших качественных показателей электронной аппаратуры.

Решение вопросов ЭМС становится неотъемлемым элементом деятельности предприятий-разработчиков и изготовителей технических средств, в том числе и монтажных узлов с многослойными печатными платами.

Экранирование является конструкторским средством ослабления электромагнитного поля (ЭМП) помех в пределах определенного пространства и предназначено для повышения помехозащищенности и обеспечения ЭМС аппаратуры [2].

Коэффициент экранирования представляет собой отношение напряженности электрического или магнитного поля в какой либо точке защищаемого пространства при наличии экрана к напряженности электрического или магнитного воздействующего поля в той же точке при отсутствии экрана [3].

На практике действия экрана принято оценивать эффективностью экранирования. Эффективность экранирования экрана как линейной системы остается неизменной независимо от расположения помехонесущего ЭМП внутри или вне экрана [4].

Для повышения устойчивости работы аппаратуры, следует повысить эффективность экранирования печатных плат входящих в аппаратуру. В этой связи необходимо проработать и смоделировать совокупность экранов в печатных платах в КВ и УКВ диапазонах, позволяющих до изготовления и про-

ведения испытаний аппаратуры сделать предварительные оценки экранирования.

В современных многослойных печатных платах системы питания и заземления выполняются на отдельных потенциальных слоях. Структура слоев в многослойных платах имеет большое значение для обеспечения возможно большей неискаженности сигнала и ЭМС. Обычно систему заземления выполняют сплошным металлизированным полигоном без каких либо прорезей для соблюдения однородности путей возвратного тока. При этом сплошной металлизированный полигон системы заземления может использоваться для экранирования от слоя питания цепей высокочастотных сигналов.

Цель данной работы — моделирование эффективности экранирования сплошного внутреннего металлизированного слоя в печатной плате.

Согласно структуре многослойной печатной платы, источником помех будем считать слой, в котором располагается система питания и/или цепи высокочастотных сигналов. Частота источника помех варьируется от 3 МГц до 3 ГГц, в диапазонах частот: 10, 30, 100, 300, 500 МГц; 1, 2, 3 ГГц. Экраном служит система заземления, расположенная на следующем слое с толщиной меди 0,035 мм. Экран характеризуется не только толщиной, но и удельной электрической проводимостью с определенной магнитной проницаемостью. Расстоянием от источника помех до экрана является толщина диэлектрика печатной платы. Толщина диэлектрика может быть различной в зависимости от количества слоев в плате. Для оценки системы экранирования рассмотрим печатные платы из 4-х, 8-и и 12-и слоев, где за основу взяты материалы, представленные

в [5].

На рис. 1 показаны типичные структуры многослойных печатных плат. При этом расстояние от источника помех до экрана может быть:

— в 4-слойной плате — 0,61 мм, 0,42 мм;

— в 8-слойной плате — 0,14 мм, 0,2 мм, 0,21 мм;

— в 12-слойной плате — 0,07 мм, 0,13 мм, 0,14 мм.

Рис. 1. Структура слоев многослойной печатной платы: а) 12 слоев; б) 8 слоев; в) 4 слоя

Количественной характеристикой экранирования является эффективность экранирования, которая определяется как отношение значений напряженности поля в точке наблюдения при отсутствии и с экраном.

На рис. 2 показано: при падении волны на границу диэлектрик — металлизированный слой часть ее отражается, а другая часть проходит в слой и ослабляется из-за прохождения в меди. Пройдя до границы металлизированный слой — диэлектрик, часть волны вновь отражается, а другая часть выходит из металлизированного слоя. Отраженные волны распространяются в обратном направлении, испытывая многочисленные переотражения от металлизированных слоев. Исходя из этого, расчет эффективности экранирования складывается из трех слагаемых [8]:

8Е=Я+А+Б,

где А — затухание за счет поглощения;

Я — затухание за счет отражения основной волны от границы раздела диэлектрик —металлизированный слой и металлизированный слой — диэлектрик;

Б — затухание за счет многократного внутреннего переотражения.

Используя известную формулу [8], получим выражения эффективности экранирования для магнитного, электрического и электромагнитного полей.

Для магнитного поля:

Жм = 2018

+ 20^1-

ю/м- -

7\2

Аю/о

ю/о -

ю/ /

ю/ /

-12,28/ д/ ю//

ю/м м

Ю/М/

е+р(- 28Л/Пм/) ■

Для электричею/о+о пмлм:

Жэ = 2018

' ю/о

юМ/

4 юм

-12,28/^

ю// +

+ 20181 -

V - ГМ/ ю/ло ю со

'ю/о

ю/ /

ехр

(- 2/ ¡ю//

Для электромагн/тн+гю /оля:

Идеальный слой опорного напряжения должен быть сплошным, без каких-либо прорезей и других пробельных элементов [6]. По технологическим соображениям в ряде случаев сплошные металлизированные слои заменяются в многослойной печатной плате сетчатыми. При этом регулярная неоднородность в слое возвратных токов изменяет значение волнового сопротивления линий передачи [7]. Но для соблюдения однородности путей возвратных токов целесообразно закладывать сплошные металлизированные слои.

Ж Эм=2018

+ 20181 -

ю/ /

///

// -/

ю/ /

ю/.

-12,28/ю

/о/с/

ехр1

(- 2/^ю// ] ,

где [ — магнитная проницаемость;

£ — диэлектрическая проницаемость;

+

Рис. 3. Частотная зависимость эффективности экранирования сплошного металлизированного слоя в печатной плате с толщиной фольги 0,012 мм: а) в электрическом поле; б) в магнитном поле (г — толщина препрега)

Рис. 4. Частотная зависимость эффективности экранирования сплошного металлизированного слоя в печатной плате с толщиной фольги 0,035 мм: а) в электрическом поле; б) в магнитном поле (г — толщина препрега)

Pис. 5. Частотная зависимость эффективности экранирования сплошного металлизированного слоя в электромагнитном поле ^ — толщина фольги)

г — толщина фольги; а — удельная проводимость меди; ю = 2к • f.

Расчет проводился для магнитного, электрического и электромагнитных полей. Результаты расчета представлены на рис. 3 — 5.

Как видно из рисунков, при конструировании многослойных печатных плат сплошной металлизированный полигон во внутренних слоях платы может быть не только сигнальным, но и несет функцию экранирования одного слоя от другого. Такой метод экранирования можно применять как в ана-логово-цифровых, так и в цифровых многослойных печатных платах. Также сплошные металлизированные полигоны можно использовать не только как

экранирование одного слоя от другого, но и экранирование одного конкретного сигнального слоя с обеих сторон полигонами.

Исходя из технологических возможностей изготовления многослойных печатных плат, сплошной металлизированный слой с большей толщиной фольги может повысить эффективность экранирования.

Библиографический список

1. Барнс, Дж. Электронное конструирование. Методы борьбы с помехами / Дж. Барнс. — М. : Мир, 1990. — 238 с.

2. Волин, М. Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре / М. Л. Волин. — М. : Радио и связь, 1981. — 296 с.

3. Каден, Г. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике и технике электросвязи / Г. Каден. — М. : Госэнерго-издат, 1957. - 327 с.

4. Князев, А. Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А. Д. Князев, Л. Н. Кечиев, Б. В. Петров. - М. : Радио и связь, 1989. - 224 с.

5. ООО «ПСБ технологии». — Режим доступа : http:// pcbtech.ru (дата обращения: 30.05.2016).

6. Кечиев, Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры / Л. Н. Кечиев. — М. : ООО «Группа ИТД», 2007. - 616 с.

7. Кечиев, Л. Н. Анализ влияния конструкций сетчатых экранов на волновое сопротивление линий связи в многослойных печатных платах / Л. Н. Кечиев, О. С. Гардлер, А. А. Шевчук // Технологии ЭМС. - 2002. - № 2. - С. 41-43.

8. Газизов, Т. Р. Электромагнитная совместимость и безопасность радиоэлектронной аппаратуры / Т. Р. Газизов. — Томск : ТМЛ-Пресс, 2007. - 256 с.

ОСИНКИНА Марина Евгеньевна, ведущий инженер-конструктор АО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения». КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры средств связи и информационной безопасности Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: marishao@inbox.ru

Статья поступила в редакцию 10.07.2016 г. © М. Е. Осинкина, В. П. Кисмерешкин

УДК 621 3 04975 М. Е. ОСИНКИНА

В. П. КИСМЕРЕШКИН

Омский научно-исследовательский институт приборостроения

Омский государственный технический университет

ОБ УЧЁТЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Рассматривается влияние технологических покрытий на волновое сопротивление печатных плат, содержащих микрополосковые линии передачи. Рассчитана погрешность выполнения волнового сопротивления с учетом технологических покрытий.

Ключевые слова: технологическое покрытие, печатная плата, волновое сопротивление, микрополосковая линия.

Проектирование многослойных печатных плат связано с целым рядом аспектов: схемотехнические, конструкторские и технологические. Их учет позволит создать более точный топологический рисунок, от которого будет зависеть функционирование всего изделия. Чем более выверены и обоснованы будут решения на стадии проектирования, тем короче и дешевле будет этап экспериментальной отработки. Одними из основных факторов являются технологические, включающие защитные покрытия во время изготовления печатной платы, и влагозащитные покрытия после монтажа платы.

Повышение влажности воздуха, а в предельных случаях и конденсация влаги, приводят к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов и в первую очередь — оснований печатных плат. Доля отказов аппаратуры под воздействием влаги составляет 6-21 % и 19-24 % соответственно при испытании и эксплуатации [1]. Поэтому при разработке печатных плат необходимо закладывать в технологический процесс защитные покрытия.

Защитные покрытия выполняют следующие функции [2]:

— защита печатной платы от повреждений и коррозии;

— ограничение поверхностей пайки знакоместа, при которой припой в процессе пайки остается на поверхности;

— предотвращение стекания припоя на печатные проводники;

— предотвращение короткого замыкания вследствие разбрызгивания припоя или под воздействием капель припоя;

— повышение сопротивления изоляции между печатными проводниками и поверхностями пайки знакоместо.

Обычная рабочая последовательность в классической технологии производства печатных плат заключается в том, что на общий рисунок проводников наносится защитная паяльная маска.

Паяльная маска предназначена для защиты всей поверхности печатной платы кроме контактных площадок от воздействия расплавленного припоя и флюса при групповых процессах пайки компонентов и проводники от перегрева. Паяльная маска наносится на всю поверхность печатной платы за исключением контактных площадок и металлизированных отверстий, которые при групповых процессах пайки будут контактировать с расплавленным припоем [3].