Средства разработки печатных плат. Разводка печатной платы

Прибыль в области потребительской электроники невысока, и производители стараются поддерживать невысокую стоимость изделий для сохранения конкурентоспособности. По этой причине они требуют от разработчиков использования недорогих печатных плат (ПП) и компонентов при сохранении желаемого функционала устройств. Производители считают, что обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) при разработке ПП и применение компонентов с высоким уровнем ЭМС - это роскошь, которую они не могут себе позволить.

Многие полагают, что проблемы с ЭМС могут быть решены в конце цикла разработки за счет дополнительных компонентов, подавляющих электромагнитные помехи. Не всегда очевидно, что стоимость подобных исправлений на завершающих стадиях разработки будет во много раз превышать затраты на обеспечение электромагнитной совместимости на начальных этапах проектирования при создании ПП. Таким образом, стремление сократить затраты на материалы и компоненты фактически приведет к значительному увеличению стоимости изделия.

Чтобы разработать печатную плату с малым уровнем шумов и минимальной чувствительностью к помехам, необходимо, во-первых, правильно организовать цепь земли, и во-вторых - грамотно скомпоновать печатную плату. Для любой ПП желательно иметь минимальный импеданс земли, чтобы обеспечить эффективное протекание токов при возникновении помех. С другой стороны, именно грамотная компоновка является обязательным условием создания хорошей печатной платы. Правильная трассировка не только уменьшает импеданс проводников, но также позволяет избежать общей импедансной связи.

Высокочастотная печатная плата: цифровые цепи и шумы

Цифровые интегральные микросхемы (ИС), содержащие логические вентили, являются источником импульсных помех из-за задержек при выключении транзисторов. Каждый раз, когда логический вентиль меняет состояние, короткий импульс сквозного тока протекает через комплементарные транзисторы выходного каскада. Индуктивность земляных дорожек не позволяет току меняться скачком, что приводит к возникновению выброса напряжения.

Чтобы уменьшить влияние таких помех, все цифровые схемы должны иметь минимальный импеданс земли. Кроме того, рядом с каждой логической микросхемой должен быть установлен развязывающий компонент, который гарантирует, что контур протекания импульсного тока не будет распространяться до источника питания Vcc.

Импеданс земли можно уменьшить несколькими способами: снижая индуктивность проводящей дорожки, сокращая площадь токовых петель и уменьшая длину дорожек, по которым протекает ток. Частично это можно сделать за счет развязывающих компонентов, расположенных вблизи каждой логической микросхемы.

Уменьшение индуктивности проводников земли

Индуктивность проводника прямо пропорциональна его длине. Поэтому следует уменьшать длину дорожек, по которым протекают импульсные токи. Дополнительное снижение индуктивности возможно и за счет увеличения ширины дорожек питания. К сожалению, индуктивность обратно пропорциональна ширине дорожки, и такой подход оказывается не очень эффективным. В итоге именно длина дорожки является самым важным фактором с точки зрения обеспечения минимальной индуктивности.

Если пренебречь взаимной индуктивностью, то эквивалентная индуктивность двух одинаковых параллельных дорожек будет в два раза меньше. В случае четырех параллельных дорожек эквивалентная индуктивность окажется меньше в четыре раза. Однако существует предел при использовании такого подхода. Дело в том, что если дорожки находятся близко друг к другу, то взаимная индуктивность приближается к собственной индуктивности, и эквивалентная индуктивность не снижается. Впрочем, если дорожки располагаются на расстоянии в два раза больше их ширины, то может быть достигнуто снижение индуктивности на 25%.

Таким образом, в высокочастотной схеме следует обеспечить как можно больше альтернативных параллельных путей для протекания земляных токов. Если число проводников увеличивать бесконечно, то мы в итоге придем к слою сплошной земли. Использование отдельного слоя земли в многослойных платах позволяет разом решить огромное количество проблем.

Если речь идет о двухслойной плате, то приемлемый результат может быть достигнут за счет реализации земли в виде сетки (рис. 1). При этом самым лучшим будет вариант, когда дорожка земли проходит под каждой микросхемой по всей ее длине. Допускается использование вертикального шага сетки, равного длине ИС. Вертикальные и горизонтальные дорожки могут находиться на противоположных сторонах платы, но должны соединяться в узлах сетки с помощью переходных отверстии.

Рис. 1. Земля выполнена в виде сетки

Оказалось, что если в обычной двухсторонней печатной плате с 15 микросхемами земля выполнена в виде сетки, то земляной шум уменьшается в десять раз. Следовательно, все двухслойные печатные платы с цифровыми микросхемами должны использовать такое решение.

Уменьшение площади токовых петель

Другим методом уменьшения индуктивности является сокращение площади контуров протекания токов. Печатная плата с большим разомкнутым контуром (рисунок 2 а), является эффективным генератором помех. Кроме того, сама схема также будет чувствительна к внешним магнитным полям.

Рассмотрим контур питания, состоящий из двух одинаковых параллельных дорожек - дорожки питания Vcc и дорожки земли GND, - в которых токи протекают в противоположных направлениях. Их полная индуктивность (Lt) рассчитывается по формуле 1:

Lt = 2 (L - M) (1)

где L - индуктивность каждой дорожки, а M - взаимная индуктивность.

Если располагать дорожки Vcc и земли близко друг к другу, взаимная индуктивность будет максимальной, а эффективная индуктивность снизится почти вдвое. В идеале на печатной плате дорожка Vcc должна идти параллельно дорожке земли. Это уменьшает площадь контура тока и помогает решить проблемы, связанные с генерацией шумов и чувствительностью к помехам.

На рис. 2 а показана неудачная компоновка печатной платы, а на рис. 2 б представлен улучшенный вариант. В нем за счет уменьшения площади контура удалось сократить длину дорожки и увеличить взаимную индуктивность, что позволило добиться снижения выбросов и восприимчивости к помехам.

Развязывающие конденсаторы

На рис. 3 а дорожки питания Vcc и земли расположены близко друг к другу. Тем не менее, путь импульсного тока, начинаясь и заканчиваясь на источнике питания, образует большой контур (зеленая область на рисунке), который может генерировать электромагнитные помехи. Если рядом с каждой ИС поместить развязывающий керамический конденсатор Cc, подключенный между цепями Vcc и земли, то он, выступая в качестве буферного элемента, обеспечит питание микросхемы в течение времени переключения, тем самым уменьшив контур протекания тока.

Рис. 3. Развязывающий конденсатор

В идеале емкость развязывающего конденсатора должна составлять около 1 нФ. Следует использовать керамические конденсаторы, поскольку они способны отдавать заряд с очень большой скоростью. Высокий ток разряда и малая самоиндукция делают их идеальным выбором для развязки по питанию.

Импедансная связь в печатных платах

На рис. 4 показан пример импедансной связи при использовании общих шин питания и земли. В данной схеме аналоговый усилитель делит шины питания и земли с логическим вентилем. Импедансы дорожек показаны в виде сосредоточенных элементов (Zg и Zs). На повышенных частотах импедансы дорожек многократно возрастают. Это происходит не только из-за увеличения индуктивной составляющей, но и из-за роста сопротивления, вызванного скин-эффектом.

Рис. 4. Общая импедансная связь

Как мы видели ранее, выброс напряжения возникает всякий раз, когда переключается логический вентиль. Часть импеданса земли (Zg3) является общей как для усилителя, так и для логического вентиля, поэтому усилитель будет видеть этот импульс напряжения как шум в цепи питания. Этот шум может быть передан в схему усилителя либо непосредственно через вход питания, либо через общий импеданс Zg3. В результате шум появится непосредственно на входе усилителя. Для уменьшения общей импедансной связи следует либо уменьшить величину общего импеданса, либо полностью от него избавиться.

Устранение общего импеданса

Общий импеданс можно устранить, используя соединение цепей питания разных схем в одной точке («звездой»), как показано на рисунке 5. Для этого необходимо сгруппировать схемы в зависимости от уровня их собственного шума и восприимчивости к помехам. Внутри каждой группы могут использоваться общие шины, но линии питания отдельных групп соединяются в одной точке. Такое соединение называется гибридным. Второй подход заключается в использовании отдельных источников питания для каждой группы схем, что дополнительно улучшает изоляцию между цепями.

Рис. 5. Соединение в одной точке

Как было отмечено чуть выше, цепи бывают разными: цифровая часть; аналоговая часть; силовая часть; интерфейсная часть. Все эти части цепи необходимо, по возможности, пространственно . В противном случае могут происходить «чудеса». Так, например, если в вашем устройстве есть сенсорная панель (ёмкость рисуется медной подложкой на плате), и рядом с ним вы разместите импульсный преобразователь источника питания, то наводки будут приводить к ложным срабатываниям. Другой пример: размещение силовой части, например, реле, возле цифровой или аналоговой части может в худшем случае повредить внутренности микроконтроллера, создав на ножке потенциал выше 5 вольт, и давать ложные срабатывания (в цифровой части) или неверные показания (в аналоговой части), однако если разрешение АЦП не превышает 10 бит, то земли можно не разделять, так как влияние, как правило, оказывается минимальным).

Делая земли «разными», вы уменьшаете воздействие оных друг на друга. Чем же руководствоваться при разведении земли?

При максимизации площади земли на печатной плате минимизируется её индуктивность, что в свою очередь ведет к уменьшению излучения. Плюс ко всему, увеличивая площадь повышается помехозащищённость печатной платы. Нарастить площадь можно двумя способами: полностью залить плату или сделать её в виде сетки.

Полная заливка позволяет получить наименьший импеданс - это «идеальная» земляная система (сетка чуть хуже).

Однако на платах большой площади сплошная заливка земляным полигоном может . Полигон необходимо размещать с обеих сторон платы равномерно, насколько это возможно. Используя сетку, необходимо проконтролировать её шаг: .

Полигоны на многослойных платах необходимо соединять в нескольких местах, ниже приведена «клетка Фарадея» в исполнении печатной платы. Такой прием используется на гигагерцовых частотах.

Если земля разводится как простая дорожка, то линию питания рекомендуется разводить на противоположной стороне платы. В случае многослойной платы линию земли и питания также располагают на разных слоях.

Сопротивление проводников зависит еще и от частоты (см. ). Чем выше частота, тем выше сопротивление дорожки/земли. Так, например, если при 100 Гц сопротивление земли составляет 574 мкОм, а сигнальной дорожки (ширина 1 мм, длина 10 мм, толщина 35 мкм) 5,74 мОм, то при частоте в 1 Гц они примут значения 11,6 мОм и 43,7 Ом. Как видно, разница колоссальная. Кроме того, сама плата начинает излучать, особенно в местах, где провода подсоединяются к плате.

Мы рассмотрели «землю» с общей точки зрения, однако уходя в конкретику, нужно обговорить так называемую «сигнальную» землю, где :

А) одноточечное соединение (single-point) - нежелательная топология с точки зрения шумов. Из-за последовательного соединения увеличивается импеданс земли, что приводит к проблемам на высоких частотах. Допустимый диапазон для такой топологии - от 1 Гц до 10 МГц, при условии, что самая длинная дорожка земли не превышает 1/20 длины волны.

Б) многоточечное соединение обладает значительно меньшим импедансом - рекомендуется в цифровых цепях и при высоких частотах. Соединения должны быть как можно короче для минимизации сопротивления. В цепях с низкими частотами данная топология не лучший выбор. Если на плате имеются НЧ и ВЧ часть, то ВЧ следует размещать ближе к земле, а НЧ - ближе к линии питания.

В) гибридное соединение - рекомендуется использовать, если на одной печатной плате имеются разные составляющие: цифровая часть, аналоговая или силовая. Они работают на разных частотах и не должны перемешиваться для большей точности и устойчивости работы устройства.

Пример разделения земель:

В нашем случае (грубо говоря) имеется всего одна часть - цифровая. На плате будут располагаться коннекторы, однако проходящие через них токи незначительны (программатор, UART-вывод для Wi-Fi модуля) и не должны повлиять на работу устройства. Несмотря на то, что тактовая частота микроконтроллера - 24 МГц, вся периферия, с которой он связан, будет работать на частотах значительно меньше 10 МГц (за исключением Wi-Fi модуля, частота которого 2,4 ГГц). Другими словами, в нашем устройстве можно использовать и одноточечное соединение, однако и многоточечная система подойдет. Полигон также рекомендуется помещать под всеми неизлучающими высокочастотными схемами (как наш микроконтроллер, но о нём мы поговорим позже).

Используя полную заливку для полигона земли, стоит убрать медь под Wi-Fi модулем - это позволит избежать экранирования его излучения.

Все изолированные медные участки (англ. dead copper) должны быть удалены, т. к. при ВЧ они начинают излучать и создавать помехи для сигнальных линий. Потенциал на таких участках отличен от земли и нежелателен.

Кроме земли/полигона на плате присутствуют и другие дорожки - сигнальные. По ним может идти тактовый сигнал (например, линия SCK микросхемы MAX7219) или передаваться данные (UART-дорожки RX и TX от Wi-Fi модуля). Их разводка не менее ответственное занятие - нужно знать несколько правил. Во-первых, для минимизации наводок от одного проводника на другой следует выдерживать расстояние между ними.

Для тактовых сигналов, а также аудио- и видеолиний и линии сброса рекомендуется оставлять по сторонам не менее двух ширин дорожки. В особо критических случаях стараются избегать пересечения с дорожками на противоположной стороне платы.

Наверняка вы уже видели печатные платы различных устройств - и подметили, что преимущественно на них отсутствуют прямые углы.

На высоких частотах они будут работать как антенны, поэтому при повороте прибегают к углам в 45 градусов.

Раньше печатные платы рисовали от руки, а значит углы были произвольные (не строго 45 градусов). С точки зрения ЭМС такая разводка лучше, но не позволяет привести плату в более понятный вид. На данный момент все современные САПР преимущественно поддерживают .

Помимо прочего, при повороте в 90 градусов , а значит, в мощных цепях с большими токами это может привести к перегреву и выгоранию участка. В низкочастотных цепях использование Т-образных соединений не возбраняется, на высоких же это будет приводить к проблемам.

С другой стороны, следует избегать острых углов - это плохо с технологической точки зрения. В таких местах образуется «застой» химических реактивов, и при травлении часть проводника просто вытравится.

Кроме всего прочего, ширина проводника должна быть константой, т. к. при ее изменении дорожка начинает вести себя как антенна. Переходные отверстия не рекомендуется располагать на контактной площадке или в непосредственной близости от элемента (без разделения их паяльной маской), т. к. это может привести к перетеканию припоя и, как следствие, вызовет дефекты при сборке. Лучше всего переходные отверстия закрыть паяльной маской.

Элементы, которые соединяются с полигоном, необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить неравномерный прогрев площадки при пайке.

Микроконтроллер

Мы рассмотрели основные вопросы по разводке печатной платы, пора перейти к конкретным вещам, в частности, рассмотреть лучшие практики по разводке линий питания и земли микроконтроллера.

Блокировочные конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к выводам микроконтроллера таким образом, чтобы они располагались по «ходу» тока. Иначе в них попросту нет смысла.

Для односторонней печати шаблон выглядит следующим образом:

В случае двухсторонней платы конденсаторы удобно располагать под микроконтроллером, однако при большой партии и автоматическом монтаже это вызовет технические сложности. Обычно компоненты стараются располагать на одной стороне.

Кварцевый резонатор, источник тактирования, также следует располагать как можно ближе к ножкам. Односторонняя плата:

Все перемычки между ножками SMD-микросхем должны находиться вне места пайки:

И напоследок, несколько полезных советов.

В данном разделе мы рассматриваем, как избежать искажений цифрового сигнала, связанных с его передачей по проводнику на печатной плате. Несмотря на то, что это в первую очередь задача для инженера-схемотехника, разработчик печатной платы тоже зачастую повинен в проблемах с передачей сигналов по плате, а также в возникающих на плате наводка и перекрестных искажениях.

Почему сигнал искажается при передаче?
Прежде всего, искажения свойственны высокочастотным сигналам, с частотой 1 ГГц и более. Это связано с эффектами резонансов и отражений на отдельных сегментах проводников, переходных отверстий, разветвлений на плате, а также на входах приемников. Однако проблема состоит в том, что и сигналы частотой до 500 МГц, типовые для стандартных цифровых схем, как мы увидим далее, зачастую могут быть существенно искажены, а значит, их тоже можно отнести к высокочастотным.

В чем идея передачи без искажений?
Принцип передачи сигналов без искажений состоит в том, что проводник выполняется как линия передачи (или "длинная линия" ) с заданным характеристическим (волновым) сопротивлением, т.е. импедансом Z 0 , одинаковым на всем протяжении от источника к приемнику сигнала, чем обеспечивается однородность линии. Вторым требованием является согласованность линии с источником и приемником сигнала. В отличие от обычного проводника такая линия передачи не приводит к резонансу, искажениям и отражениям при передаче сигнала, какой бы длинной она ни была. Линии передачи могут быть легко реализованы на печатной плате путем применения материалов с известными параметрами и обеспечения требуемых размеров элементов печатного рисунка. Различают последовательное и параллельное согласование линии, при этом необходимо использовать определенные согласующие резисторы на выходе источника и/или входе приемника сигнала. Линии передачи, сформированные на плате, разумеется, могут быть продолжены за пределами платы с помощью соединителей и кабелей с контролируемым волновым сопротивлением Z 0 .

Для каких сигналов искажения становятся существенными?
Сопоставляя длину проводника на плате с длиной волны, которую имеет самая высокочастотная составляющая передаваемого сигнала (при распространении, например, в материале FR4), можно определить так называемую электрическую длину проводника. Электрическая длина может быть выражена в долях от минимальной длины волны или же в долях от обратной ей величины — длительности фронта. Если проводник имеет слишком большую электрическую длину, то для предотвращения чрезмерных искажений сигнала надо выполнять этот проводник как линию передачи. Заметим, что при передаче высокочастотных сигналов следует использовать линии передачи не только для уменьшения искажений, но и для снижения уровня электромагнитных излучений (ЭМИ).

Правило «половины длительности фронта»
Грубое правило состоит в том, что проводник является «электрически длинным» (то, что в электротехнике называется "длинная линия " ), если время прохождения фронта сигнала от источника к самому дальнему приемнику превышает половину длительности фронта сигнала. Именно в этом случае отражения в линии могут существенно исказить фронт сигнала. Предположим, что в устройстве предусмотрены микросхемы с длительностью фронта 2 нс (например, по документации для серии FastTTL). Диэлектрическая постоянная материала печатной платы (FR4) на высоких частотах близка к 4,0, что дает скорость движения фронта около 50% скорости света, или 1,5.10 8 м/с. Это соответствует времени распространения фронта 6,7 пс/мм. Имея такую скорость, за 2 нс фронт пройдет около 300 мм. Отсюда мы можем заключить, что для подобных сигналов следует использовать «линии передачи», только если длина проводника превышает половину данного расстояния — то есть 150 мм.

К сожалению, это неверный ответ. Правило «половины длительности фронта» слишком упрощенное и может привести к проблемам, если не учитывать его недостатки.

Проблемы упрощенного подхода
Данные по длительности фронта, приведенные в документации на микросхемы, отражают максимальное значение, и зачастую реальное время переключения существенно меньше (скажем, оно может быть в 3-4 раза меньше, чем «максимальное», и вряд ли можно гарантировать, что оно не будет меняться от партии к партии микросхем). Более того, неизбежная емкостная составляющая нагрузки (от подключенных к линии входов микросхем) уменьшает скорость распространения сигнала по сравнению с расчетной скоростью, достижимой на пустой печатной плате. Следовательно, для достижения адекватной целостности передаваемого сигнала, линии передачи следует использовать для гораздо более коротких проводников, чем предлагает описанное ранее правило. Можно показать, что для сигналов с длительностью фронта (по документации) 2 нс целесообразно использовать линии передачи уже для проводников, длина которых превышает всего лишь 30 мм (а иногда и меньше)! Особенно это относится к сигналам, несущим функцию синхронизации или стробирования. Именно для таких сигналов характерны проблемы, связанные с «ложным срабатыванием», «пересчетом», «фиксацией неверных данных» и другие.

Как проектировать линии передачи?
Существует множество публикаций, посвященных тому, какие могут быть виды линий передачи, как их проектировать на печатной плате, как проверять их параметры. В частности, стандарт IEC 1188-1-2: 1988 дает детальные рекомендации на этот счет. Имеется также множество программных продуктов, позволяющих подобрать конструкцию линии передачи и структуру печатной платы. Большинство современных систем проектирования печатных плат поставляются со встроенными программами, позволяющими конструктору проектировать линии передачи с заданными параметрами. В качестве примера можно назвать такие программы, как AppCAD, CITS25, TXLine. Наиболее полные возможности обеспечивают программные продукты фирмы Polar Instruments.

Примеры линий передачи
В качестве примеров рассмотрим наиболее простые виды линий передачи.

Как сконструировать линию передачи наилучшим образом?
Наиболее высокоскоростные (или наиболее критические) сигналы должны находиться в слоях, соседних с планом «земли» (GND), причем желательно с тем, который является парным с планом питания для развязки. Менее критичные сигналы могут быть проведены относительно планов питания, если в этих планах адекватно выполнена развязка и они не очень зашумлены. Каждый такой план питания должен быть ассоциирован с микросхемой, с которой или на которую поступает данный сигнал. Наилучшую помехозащищенность и ЭМС обеспечивают полосковые линии, проведенные между двумя планами GND, каждый из которых является парным со своим планом питания для развязки.
Линия передачи не должна иметь отверстий, разрывов или расщеплений в любом из опорных планов, относительно которых она проведена, так как это приводит к существенным изменениям Z 0 . Более того, полосковая линия должна находиться как можно дальше от любых разрывов в плане или от края опорного плана, и данное расстояние не должно быть меньше десятикратной ширины проводника. Соседние линии передачи должны быть разнесены не менее чем на три ширины проводника, для устранения перекрестных помех. Очень критичные или «агрессивные» сигналы (например, связь с радиоантенной) могут выиграть в ЭМС от использования симметричной линии с двумя рядами близко расположенных переходных отверстий, как бы загораживающих ее от других проводников и создающих коаксиальную структуру в печатной плате. Однако для таких структур вычисление Z 0 производится по другим формулам.

Как можно удешевить проект?
Описанные выше виды линий передачи почти всегда требуют использования многослойной платы, поэтому могут быть не применимы для создания массовых продуктов низшей ценовой категории (хотя при больших объемах 4-слойные печатные платы всего на 20-30% дороже, чем двусторонние). Однако для низкостоимостных проектов используются и такие виды линий, как сбалансированная (однородная), или копланарная, которые могут быть сконструированы на однослойной плате. Следует иметь в виду, что однослойные виды линий передачи занимают в несколько раз большую площадь на плате, чем микрополосковая и полосковая линии. Кроме того, экономя на стоимости печатной платы, вы будете вынуждены платить больше за дополнительное экранирование устройства и фильтрацию шумов. Есть общее правило, гласящее, что решение проблем ЭМС на уровне корпусирования изделия стоит в 10-100 раз дороже, чем решение той же проблемы на уровне печатной платы.
Поэтому, сокращая бюджет разработки путем урезания количества слоев печатной платы, будьте готовы к тому, что придется потратить дополнительное время и деньги на несколько итераций заказа образцов плат, чтобы обеспечить требуемый уровень целостности сигналов и ЭМС.

Как ослабить негативный эффект от смены слоев?
По типовым правилам разводки, около каждой микросхемы имеется как минимум один развязывающий конденсатор, так что мы можем менять слой вблизи микросхемы. Однако следует учитывать общую длину сегментов, которые не расположены в «полосковом» слое. Грубое правило таково: общая электрическая длина этих сегментов не должна превышать одной восьмой длительности фронта. Если на каком-то из этих сегментов может произойти слишком большое изменение Z 0 (например, при использовании ZIF-розеток или других видов панелек под микросхемы), лучше стремиться минимизировать эту длину до одной десятой времени фронта. Используйте указанное правило для определения максимально допустимой общей длины ненормированных сегментов и старайтесь минимизировать ее в этих пределах, насколько возможно.
Исходя из этого, для сигналов с временем фронта (по документации) 2 нс мы должны менять слой не далее чем 10 мм от центра микросхемы или от центра согласующего резистора. Это правило выработано с учетом 4-кратного запаса на то, что реальное время переключения может быть существенно меньше, чем максимальное по документации. Примерно на таком же расстоянии (не более) от места смены слоев должен находиться как минимум один развязывающий конденсатор, соединяющий соответствующие планы «земли» и питания. Такие маленькие расстояния сложно обеспечить при использовании микросхем большого размера, поэтому в разводке современных высокоскоростных схем не обойтись без компромиссов. Однако это правило обосновывает то, что в скоростных схемах предпочтительны микросхемы малого размера, и объясняет факт бурного развития технологий BGA и flip-chip, которые минимизируют путь сигнала от проводника на плате до кристалла микросхемы.

Моделирование и тестирование прототипов
Из-за наличия множества вариантов микросхем и еще большего количества вариантов их применения некоторые инженеры могут найти эти практические правила недостаточно точными, а кто-то сочтет их преувеличенными, однако такова роль «практических правил» - это всего лишь грубое приближение, позволяющее интуитивно конструировать корректно работающие устройства.
Сейчас все более доступными и продвинутыми становятся средства компьютерного моделирования. Они позволяют вычислять параметры целостности сигналов, ЭМС, в зависимости от реальной структуры слоев и разводки сигналов. Конечно, их применение даст более точные результаты, чем применение наших грубых приближений, поэтому мы рекомендуем как можно более полно использовать компьютерное моделирование. Однако не стоит забывать, что реальное время переключения микросхем может быть существенно короче, чем указанное в документации, и это может привести к получению неверных результатов, так что позаботьтесь о том, чтобы модель выходных и входных каскадов соответствовала реальности.
Следующий шаг — проверка прохождения критического сигнала на первом «прототипном» образце печатной платы, с использованием высокочастотного осциллографа. Следует убедиться в том, что форма сигнала не искажается при прохождении по печатной плате по всей длине проводника, и только следование приведенным выше правилам вряд ли даст превосходный результат с первого раза, хотя он может быть достаточно неплохим. Использование анализатора электромагнитных ВЧ полей, или анализатора спектра излучений, может быть еще одним способом изучения проблем целостности сигналов и ЭМС на уровне «прототипа» печатной платы. Методики такого анализа не являются темой данной статьи.
Даже если вы используете комплексное моделирование схемы, не пренебрегайте проверкой целостности сигналов и ЭМС на самых первых прототипах ПП.

Обеспечение волновых сопротивлений на этапе изготовления ПП
Типовой материал FR4, предназначенный для изготовления печатных плат, имеет значение диэлектрической постоянной (E r) около 3,8...4,2 на 1 ГГц. Реальные значения E r могут колебаться в пределах ±25%. Существуют материалы типа FR4, у которых значение E r нормируется и гарантируется поставщиком, и они ненамного дороже обычных, но производители печатных плат не обязаны использовать «нормированные» виды FR4, если это специально не указано в заказе на печатную плату.
Производители печатных плат работают с диэлектриками стандартных толщин («препрегами» и «ламинатами»), и их толщина в каждом слое должна быть определена перед запуском платы в производство, с учетом допусков на толщину (около ±10%). Чтобы обеспечить заданное Z 0 , для определенной толщины диэлектрика можно подобрать соответствующую ширину проводника. Для одних производителей надо указывать фактическую требуемую ширину проводника, для других — с запасом на подтрав, который может достигать 25-50 мкм относительно номинальной ширины. Оптимальным вариантом является указание производителю, какая ширина проводника в каких слоях спроектирована с учетом обеспечения заданного Z 0 . В этом случае производитель может скорректировать ширину проводника и структуру слоев для обеспечения заданных параметров в соответствии со своей технологией производства. Кроме того, производитель проводит измерение фактического волнового сопротивления на каждой заводской заготовке и сам отбраковывает платы, на которых Z 0 не попадает в допуск ±10% или точнее.
Для сигналов частотой выше 1 ГГц может оказаться необходимым применение более высокочастотных материалов, с лучшей стабильностью и другими диэлектрическими параметрами (такими как Duroid фирмы Rogers и т. д.).

Литература
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2 : 1998 Printed Boards and Printed Board Assemblies — Design and use. Part 1-2: Generic Requirements — Controlled Impedance, www.iec.ch.
3. Проектирование многослойных печатных плат высокой сложности. Семинар PCB technology, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Проектирование аппаратной части. Уолт Кестер.

При разработке печатных плат с оптимизацией цены возникает ряд ключевых вопросов. В то время как исходной целью может быть разработка как можно меньшей по размерам печатной платы, для все системы это может оказаться не самым дешевым решением. Снижение размера печатной платы возможно путем увеличения числа слоев печатной платы, что в свою очередь приводит к возникновению вопросов электромагнитной совместимости, которые могут вылится в огромные затраты по ходу проекта.

Электромагнитные помехи, ЭМП или электромагнитная совместимость, ЭМС являются ключевым фактором в разработке печатных плат. Обеспечение электромагнитной совместимости устройства в целом может оказаться чрезвычайно затратным процессом, если при разработке и изготовлении печатных плат разработчик "срезал углы", поэтому некоторые подходы по снижению себестоимости необходимо отмести еще в самом начале. Если компоненты будут взаимодействовать с ЭМП или излучать ЭМП, это потребует высоких затрат для того, чтобы удовлетворить требованиям ЭМС на этапе испытаний.

В то время как четырехслойная плата считается оптимальным балансом защиты от ЭМП и трассировки платы, часто возможно разработать двухслойную плату с теми же характеристиками, используя бесплатными средствами трассировки печатных плат такие как DesignSpark PCB. Это обеспечивает значительное снижение стоимости изготовления печатной платы без влияния на ход испытаний в дальнейшем.

Пути возврата сигнала являются наиболее сложной проблемой при трассировке печатных плат. Было бы достаточно трудно выполнить трассировку возвратного заземления под каждой дорожкой, связанной с сигнальным выводом микроконтроллера, но именно это обеспечивает четырехслойная плата с заземленным слоем. Не имеет значения, где проходят дорожки, под ними всегда проходит путь возвратного сигнала на землю.

Наиболее близким к заземленному слою по характеристикам на двухслойной плате является решетка заземления, снижающая излучение электромагнитных помех с сигнальных дорожек. Уменьшение площади петли выполняя трассировку возвратного пути под дорожкой сигнала является наиболее эффективным способом решения этой проблемы, и создание решетки заземления является самым важным этапом (после планирования размещения) в трассировке печатной платы

Генерирование решетки создает поверхность

Генерирование решетки является ключевой методикой для обеспечения ЭМС в двухслойных платах. Очень похоже на силовую сеть, это сеть прямоугольных соединений между заземленными проводниками. В действительности таким образом создается заземленная поверхность, которая обеспечивает такое же снижение электромагнитного шума, как и четырехслойная плата и фактически эмитирует заземленную поверхность, используемую в четырехслойной плате для обеспечения улучшения ЭМС, создавая возвратный путь на заземление под каждой сигнальной дорожкой и снижая импеданс между микроконтроллером и регулятором напряжения.

Генерирование решетки выполняется расширением дорожек заземления и созданием заземленных проводящих плоских фигур для того, чтобы создать сеть соединений с землей по всей поверхности печатной платы. Например, если печатная плата имеет преимущественно дорожки верхнего слоя идущие вертикально и дорожки нижнего слоя проходящие преимущественно горизонтально, это уже ухудшает условия для трассировки возвратных путей на землю под сигнальными проводниками, которая обычно выполняется в два этапа:

• сначала все проводники заземления расширяются с тем, чтобы занять наибольшее пространство на печатной плате;
• затем все оставшееся свободное место заполняется заземленной поверхностью.

Цель такого подхода заключается в генерации как можно большей решетки на двухслойной печатной плате. Небольшие изменения в разводке печатной платы могут позволить дополнительные соединения для увеличения площади решетки заземления.

Зонирование печатной платы

Зонирование печатной платы - это другая технология, которая может быть использована для снижения шума и ЭМП печатной платы и таким образом снизить необходимость в дополнительных слоях печатной платы. Эта технология имеет тот же основной смысл как и планирование размещения компонент, являющееся процессом определения местоположения компонент на чистой плате перед тем как трассировать проводники. Зонирование печатной платы немного более сложный процесс размещения похожего функционала в одной зоне печатной платы, вместо того, чтобы смешивать функционально разные компоненты вместе. Высокоскоростная логика, включая микроконтроллеры, размещается как можно ближе к цепям питания, медленные компоненты размещаются дальше, а аналоговые компоненты еще дальше. Этот подход существенно влияет на ЭМС печатной платы.

При таком расположении, восокоскоростная логика меньше влияет на проводники других сигналов. Особенно важно, чтобы петля кварцевого резонатора была размещена вдали от аналоговых цепей, низкоскоростных сигналов и соединителей. Это правило применяется и к печатным платам, и к размещению компонент внутри устройства. Необходимо избегать компоновок, при которых пучки кабелей будут размещаться вокруг резонатора или микроконтроллера, поскольку эти кабели будут собирать шум и разносить его повсюду. Таким образом при зонировании определяется в том числе и размещение разъемов на печатной плате.

Средства разработки печатных плат

Существует множество средств разработки, обеспечивающих проектирование с учетом оптимизации ЭМС. Одно из таких средств DesignSpark PCB последних версия, которые поддерживают проверку правил проектирования (DRC, design rules checking) при трассировке, а не при выполнении проверки после завершения трассировки. Это особенно полезно при оптимизации печатной платы по стоимости, так как любые конфликты или ошибки немедленно сигнализируются и могут быть разрешены. Конечно эти проверки зависят от полноты информации, заданной проектировщиком, но такой подход позволяет ускорить процесс трассировки и таким образом освободить время для других важных вопросов.

В версии 5 DesignSpark PCB онлайн проверка правил проектирования проверяет любые компоненты, которые добавлялись и переносились в результате интерактивных операций редактирования. Например, проверяются все проводники, присоединенные к перемещенному компоненту и все проводники, добавленные при ручной трассировке.

В версии 5 так же добавлена поддержка шин так, что проводники можно легко сгруппировать и трассировать вместе. Вместо вычерчивания всех соединений в проекте и подключения их к каждому выводу, проектировщик может создать менее загроможденный проект при помощи шин, добавляя соединения вывода компонента к шине, через которую передается сигнал.

Рисунок 1: Добавление шин в DesignSpark PCB версии 5

Шины могут быть открытыми и закрытыми. Закрытая шина является совокупностью имен проводников, предопределенных для данной шины, и только эти проводники могут подключаться к данной шине, в то время как открытая шина может включать в себя любой проводник.

При том, что такие возможности имеют смысл при трассировке шин, их можно использовать для разводки других проводников по печатной плате. Эта возможность использования шин в схемах может помочь сделать проект проще и понятнее при помощи группировки нескольких проводников с повышенным излучением ЭМП вместе с окружающими их заземляющими возвратными проводниками и таим образом снизить ЭМП на разрабатываемой плате. Хорошим правилом является правило никогда не проводить излучающие ЭМП проводники на внешней стороне платы, что может быть сложным для маленьких двухслойных плат. Уводя цепи, не излучающие ЭМП из мест, таких как разъемы, цепи резонаторов, реле, драйверы реле, где в этих цепях могу наводиться электромагнитные помехи так же помогает улучшить электромагнитную совместимость.

Заключение

Разработка печатной платы с простой, требуемой для снижения стоимости возможно более тяжелая задача, чем использование богатства многослойной платы.

Некоторые проблемы ЭМС можно решить применением разделительных конденсаторов и ферритовых шайб для подавления любых сигналов, которые могут излучаться, но это добавляет сложности проекту и увеличивает стоимость производства. Если проблемы электромагнитных помех и электромагнитной совместимости можно минимизировать при помощи правильных правил проектирования используя зонирование и учете взаимных наводок, генерирование решеток силовых цепей и заземления может обеспечить тот же уровень экранирования в двухслойной плате, который возможен в четырех или шестислойной конструкции. Это не только снижает стоимость изготовления платы, но и улучшает надежность и производительность, включая электромагнитную совместимость, таким образом снижая стоимость жизненного цикла оборудования.

Немного о "граблях" при проектировании плат.
Наиболее типовая ошибка разводки цепей питания во многих конструкциях: емкости блокировки по "+" и по "-" питаний ОУ брошены на земляной слой далеко друг от друга, то есть по земляному слою течет контурный ток потребления ОУ. Эти емкости надо располагать так, чтобы расстояние между точками их присоединения к земляному слою было минимальным. Высокочастотные блокировки - под корпус DIP-8 легко влезают SMD конденсаторы типоразмера 1206, а при некотором умении - и 1210. Естественно, площадь образующегося контура протекания токов тоже должна быть минимальной, это само собой разумеется.

Резисторы в цепях питания каждой ИМС сильно упрощают разводку, т.к. служат перемычками, и позволяют "+" и "-" питания развести вплотную друг к другу, что весьма желательно для снижения излучений сигнальных/выходных токов цепями питания.

Существует также изящный (но весьма трудоемкий) метод подавления помех по "земле" без явного разделения земель, особенно полезный при использовании двусторонних плат - максимальное сохранение цельного слоя "земли" на одной из сторон (т.е. фактически однослойная разводка схемы на другой стороне, с минимумом "перемычек"), тщательный анализ контуров протекания токов питания по этой земляной плоскости и нахождение эквипотенциальных точек, т.е. точек, разность потенциалов между которыми при протекании по "земле" токов в цепях питания/нагрузки остается близкой к нулю. Эти точки и используются в качестве выводов "сигнальной" земли. Вид контуров протекания токов при необходимости можно изменять, вводя дополнительные разрезы или наоборот, делая перемычки в возникших по условиям разводки разрезах земляного слоя.

Самое подробное изучение вопросов топологии/протекания токов и т.п. было выполнено при создании методик проектирования устройств, устойчивых к ЭМИ импульсу, возникающему при взрыве ядерных боеприпасов или ЭМИ-генераторов импульсного действия. К сожалению, публикации на эту тему разрознены, и к тому же часто до сих пор "под грифом". Одну из иллюстративных статей я отсканировал, но не могу сюда прикрутить - выбран лимит на число вложений.

О конструировании ПП.
Необходимо сразу отметить, что иногда встречающийся прямолинейный подход - "чем больше слоев - тем лучше" - для чисто аналоговых (а частично и для цифровых) схем "не катит". Слишком много привходящих факторов.

Одно/двухслойные ПП на гетинаксе/стеклотекстолите без металлизации отверстий - в настоящее время адекватны только для очень простых устройств в большой (>>10000) серии. Главные минусы - низкая надежность в жестких условиях эксплуатации (из-за отслоения контактных площадок/проводников при механических вибрациях и термоциклах, набора влаги/флюсов через стенки отверстий), а также сложность (и дороговизна) качественной разводки сколько-нибудь сложных схем. Плотность монтажа низкая (обычно не более 3...4 выводов на квадратный сантиметр общей площади платы). Достоинство - крайняя простота и дешевизна в производстве (при больших объемах и проектных нормах порядка 0.38 мм - менее $0.3/кв. дм) за счет отсутствия металлизации и возможности замены сверления отверстий их пробивкой.

Требования по повышению плотности монтажа при сохранении надежности в производстве BGA корпусов и портативной техники привели к разработке технологии микропереходов (microvia), когда кроме обычных (сквозных) переходных отверстий на плате с одной или обоих сторон формируются (обычно лазером) глухие отверстия-переходы на нижележащий слой, металлизируемые в одном цикле с металлизацией сквозных отверстий. Размер контактной площадки под такой переход (0.2...0.3 мм) гораздо меньше, чем под сквозное отверстие, не нарушается трассировка в остальных слоях. К тому же в ряде случаев microvia может быть размещен на контактной площадке SMD элемента без риска ухода заметной части припоя в отверстие ввиду его малого размера и глубины (не более 0.1...0.15 мм). Это очень сильно повышает плотность разводки, т.к. обычные переходные отверстия на площадках SMD элементов размещать, как правило, нельзя. Microvia можно также сформировать и во внутренних слоях, но это существенно сложнее и дороже в производстве.

Несколько слов про толщину меди и покрытия плат. Основная часть плат делается на материалах с толщиной фольги 35, 18 и 9 мкм, при этом во время металлизации отверстий на наружных слоях наращивается еще по 15-25 мкм меди (в отверстиях должно быть ~ 20 мкм). Платы с проектными нормами 0.127 и менее, как правило, делаются на материале с толщиной фольги ~9 мкм (чем тоньше фольга, тем меньше искажение формы рисунка из-за бокового подтрава проводников). Беспокоиться о "малости сечения меди" не стоит, т.к. печатные проводники ввиду хорошего охлаждения допускают гораздо бОльшие плотности тока (~100 А/кв.мм), чем монтажный провод (3...10 А/кв. мм). Итоговая толщина во внешних слоях за счет осаждения меди при металлизации отверстий, естественно, оказывается больше, чем у исходной фольги. Cопротивление плоских проводников зависит от их геометрии в плане по простому закону: сопротивление квадрата х число квадратов. Сопротивление квадрата не зависит от его абсолютного размера, а только от толщины и проводимости материала. То есть, сопротивление проводника шириной 0,25 мм и длиной 10 мм (т.е. 40 квадратов) такое же, как при ширине 2,5 и длине 100. Для медной фольги 35 мкм это около 0,0005 Ом/квадрат. На промышленных платах при металлизации отверстий на фольгу наращивается дополнительный слой меди, так что сопротивление квадрата падает еще процентов на 20 по сравнению с приведенным выше. Облуживание же, даже "жирное", мало влияет на сопротивление, его цель - повысить теплоемкость проводников, чтобы они не сгорали от кратковременного ударного тока. Применяя коррекцию фотошаблонов (т.е. вводя поправки на подтравы) и анизотропное травление, изготовителям удается обеспечить производство плат с толщиной исходной фольги до 30-40% от проектных норм, т.е. при использовании самой толстой фольги 105 мкм (а с учетом осаждения меди - где-то 125-130 мкм) проектные нормы могут быть от 0.3...0.35 мм.

Более существенным ограничением для силовых схем является то, что допустимый ток, пропускаемый через переходное отверстие, зависит в основном от его диаметра, так как толщина металлизации в нем невелика (15...25 мкм) и, как правило, не зависит от толщины фольги. Для отверстия диаметром 0.5 мм при толщине платы 1.5 мм допустимый ток порядка 0.4 А, для 1 мм - примерно 0.75 А. При необходимости пропустить по переходным отверстиям бОльший ток рациональным решением будет использование не одного большого, а набора мелких переходных отверстий, особенно при их плотном размещении в "шахматном" или "сотовом" порядке - в вершинах сетки из шестиугольников. Дублирование переходных отверстий также дает выигрыш в надежности, поэтому часто применяется и в критических цепях (в том числе сигнальных) при разработке аппаратуры для особо ответственных применений (например, системы жизнеобеспечения).

Покрытия проводников плат бывают изолирующие и/или защитные. "Паяльная маска" - это защитное изолирующее покрытие, в котором сформированы окна в местах контактных площадок. Проводники могут быть оставлены медными, или покрыты слоем металла, защищающего их от коррозии (оловом/припоем, никелем, золотом и пр.). Каждый вид покрытия имеет достоинства и недостатки. Покрытия бывают тонкослойные, толщиной в доли микрона (как правило, химические), и толстослойные (гальванические, горячее лужение). Паяльную маску лучше всего наносить на голую медь или тонкослойное покрытие, при ее нанесении на луженые дорожки она держится хуже и при пайке проявляется капиллярный эффект - затекание припоя/отрывы маски. Золотое покрытие бывает обоих видов, химическое (тонкое) и гальваническое (требующее для своего выполнения электрического соединения проводников, например, на разъеме). В крупносерийном производстве также популярен вариант покрытия чисто медных (нелуженых) контактных площадок плат флюсоподобным лаком (organic coating). Выбор вида покрытия зависит от технологии монтажа и типа деталей. Для ручного монтажа (и автоматического при деталях типоразмера 0805 и крупнее) в подавляющем большинстве случаев оптимальный вариант - горячее лужение площадок (HASL) с маской по меди. Для более мелких деталей и автоматического монтажа, если нет требований по особо малым утечкам на плате, один из лучших вариантов - химическое (иммерсионное) золото (Flash Gold) или иммерсионное олово. Химзолото стоит в нормальном мире очень дешево, столько же, сколько горячее лужение, и при этом обеспечивает идеально ровные посадочные места для элементов, без бугорков припоя. Однако при изготовлении плат в РФ зачастую лучше заказывать покрытие не иммерсионным золотом, а оловом - его растворы не так экономят. При пайке плат с тонкими покрытиями, в том числе Flash Gold, их надо паять быстро и/или заливать нейтральным флюсом во избежание окисления меди через поры покрытия, а при автоматической пайке - желательно еще и использовать среду нейтрального газа (азот, фреон).

Ниже приложена наиболее доходчивая (на мой взгляд) литература по данному вопросу, а также пример разработанной мной около 10 лет назад двухслойной компьютерной платы измерителя микропрофилей (профилометра), в которой меры по обеспечению качества топологии применены без фанатизма, только частично. Однако и этого оказалось достаточно, чтобы безо всяких экранировок, в работающем ПК с его помехами (и собственной силовой частью - управлением коллекторным двигателем) обеспечить разрешение в несколько атомов, многократно превзойдя требования ТЗ (использованные ОУ - всего лишь TL084/LM324). Прибор выпускался до самого последнего времени и был единственным в РФ профилометром 1 класса точности.

Пользователь форума: sia_2