Die Verbindung des Leiterplattensystems umfasst Chip-zu-Leiterplatte, Verbindung innerhalb PCB und Verbindung zwischen PCB und externen Geräten. Beim HF-Design sind die elektromagnetischen Eigenschaften am Verbindungspunkt eines der Hauptprobleme des technischen Designs. In diesem Dokument werden verschiedene Techniken der oben genannten drei Arten des Verbindungsdesigns vorgestellt, einschließlich Geräteinstallationsmethoden, Isolierung der Verdrahtung und Maßnahmen zur Reduzierung der Leitungsinduktivität.

Es gibt Anzeichen dafür, dass immer häufiger Leiterplatten entworfen werden. Da die Datenraten weiter steigen, drückt auch die für die Datenübertragung erforderliche Bandbreite die Signalfrequenzobergrenze auf 1 GHz oder höher. Diese Hochfrequenzsignaltechnologie, obwohl sie weit über die Millimeterwellentechnologie (30 GHz) hinausgeht, beinhaltet HF- und Low-End-Mikrowellentechnologie.

HF-Konstruktionsmethoden müssen in der Lage sein, die stärkeren elektromagnetischen Feldeffekte zu bewältigen, die typischerweise bei höheren Frequenzen erzeugt werden. Diese elektromagnetischen Felder können Signale auf benachbarten Signalleitungen oder PCB-Leitungen induzieren, wodurch unerwünschtes Übersprechen (Interferenzen und Gesamtrauschen) verursacht und die Systemleistung beeinträchtigt wird. Die Rückdämpfung wird hauptsächlich durch eine Impedanzfehlanpassung verursacht, die sich auf das Signal genauso auswirkt wie zusätzliches Rauschen und Interferenzen.

Eine hohe Rückflussdämpfung hat zwei negative Auswirkungen: 1. Das zur Signalquelle zurückreflektierte Signal erhöht das Rauschen des Systems, wodurch es für den Empfänger schwieriger wird, Rauschen vom Signal zu unterscheiden; 2. 2. Jedes reflektierte Signal verschlechtert die Qualität des Signals wesentlich, da sich die Form des Eingangssignals ändert.

Obwohl digitale Systeme sehr fehlertolerant sind, da sie nur mit 1- und 0-Signalen umgehen, führen die beim Ansteigen des Impulses mit hoher Geschwindigkeit erzeugten Oberwellen dazu, dass das Signal bei höheren Frequenzen schwächer wird. Obwohl die Vorwärtsfehlerkorrektur einige der negativen Auswirkungen beseitigen kann, wird ein Teil der Systembandbreite verwendet, um redundante Daten zu übertragen, was zu einer Leistungsverschlechterung führt. Eine bessere Lösung sind HF-Effekte, die die Signalintegrität eher unterstützen als beeinträchtigen. Es wird empfohlen, dass die Gesamtrückflussdämpfung bei der höchsten Frequenz eines digitalen Systems (normalerweise ein schlechter Datenpunkt) -25 dB beträgt, was einem VSWR von 1.1 entspricht.

Das PCB-Design soll kleiner, schneller und kostengünstiger sein. Bei HF-PCBs schränken Hochgeschwindigkeitssignale manchmal die Miniaturisierung von PCB-Designs ein. Gegenwärtig ist die Hauptmethode zur Lösung des Problems des Übersprechens das Massemanagement, der Abstand zwischen den Leitungen und die Verringerung der Leitungsinduktivität. Die Hauptmethode zur Reduzierung der Rückflussdämpfung ist die Impedanzanpassung. Dieses Verfahren umfasst eine effektive Verwaltung von Isoliermaterialien und eine Isolierung von aktiven Signalleitungen und Masseleitungen, insbesondere zwischen dem Zustand der Signalleitung und Masse.

Da die Verbindung das schwächste Glied in der Schaltungskette ist, sind beim HF-Design die elektromagnetischen Eigenschaften des Verbindungspunkts das Hauptproblem bei der Konstruktion. Jeder Verbindungspunkt sollte untersucht und die bestehenden Probleme gelöst werden. Die Leiterplattenverbindung umfasst eine Chip-zu-Leiterplatten-Verbindung, eine PCB-Verbindung und eine Signaleingangs-/Ausgangsverbindung zwischen einer PCB und externen Geräten.

Verbindung zwischen Chip und Leiterplatte

PenTIum IV und Hochgeschwindigkeitschips mit einer großen Anzahl von Input/Output-Verbindungen sind bereits verfügbar. Der Chip selbst ist zuverlässig und die Verarbeitungsrate konnte 1 GHz erreichen. Einer der spannendsten Aspekte des jüngsten GHz Interconnect-Symposiums (www.az.ww.com) ist, dass Ansätze zum Umgang mit der ständig steigenden Menge und Häufigkeit von E/A bekannt sind. Das Hauptproblem der Verbindung zwischen Chip und PCB besteht darin, dass die Dichte der Verbindungen zu hoch ist. Vorgestellt wurde eine innovative Lösung, die über einen lokalen Funksender im Inneren des Chips Daten an eine nahegelegene Platine überträgt.

Ob diese Lösung funktioniert oder nicht, den Teilnehmern war klar, dass die IC-Designtechnologie der PCB-Designtechnologie für HF-Anwendungen weit voraus ist.

PCB-Verbindung

Die Techniken und Methoden für das HF-Leiterplattendesign sind wie folgt:

1. Für die Ecke der Übertragungsleitung sollte ein Winkel von 45° verwendet werden, um die Rückflussdämpfung zu reduzieren (ABB. 1);

2 konstanter Wert der Isolierung entsprechend dem Niveau der streng kontrollierten Hochleistungs-Isolierleiterplatte. Dieses Verfahren ist für eine effektive Verwaltung des elektromagnetischen Felds zwischen Isoliermaterial und benachbarter Verdrahtung von Vorteil.

3. PCB-Designspezifikationen für hochpräzises Ätzen sollten verbessert werden. Ziehen Sie in Erwägung, einen Gesamtlinienbreitenfehler von +/-0.0007 Zoll anzugeben, Hinterschneidungen und Querschnitte von Verdrahtungsformen zu verwalten und die Bedingungen für die Beschichtung der Seitenwände der Verdrahtung anzugeben. Das Gesamtmanagement der Verdrahtungs-(Draht-)Geometrie und der Beschichtungsoberflächen ist wichtig, um Skin-Effekte im Zusammenhang mit Mikrowellenfrequenzen anzugehen und diese Spezifikationen umzusetzen.

4. Die vorstehenden Leitungen weisen eine Abgriffsinduktivität auf. Vermeiden Sie die Verwendung von Komponenten mit Leitungen. Für Hochfrequenzumgebungen ist es am besten, oberflächenmontierte Komponenten zu verwenden.

5. Vermeiden Sie bei Signaldurchgangslöchern die Verwendung des PTH-Verfahrens auf der empfindlichen Platte, da dieses Verfahren zu einer Leitungsinduktivität am Durchgangsloch führen kann.

6. Sorgen Sie für reichlich Bodenschichten. Zum Verbinden dieser Erdungsschichten werden geformte Löcher verwendet, um zu verhindern, dass elektromagnetische 3D-Felder die Leiterplatte beeinflussen.

7. Verwenden Sie nicht die HASL-Beschichtungsmethode, wenn Sie sich für ein nicht elektrolytisches Vernickeln oder ein Tauchvergoldungsverfahren entscheiden. Diese galvanisierte Oberfläche bietet einen besseren Skin-Effekt für hochfrequente Ströme (Abbildung 2). Darüber hinaus benötigt diese gut schweißbare Beschichtung weniger Zuleitungen und trägt so zur Reduzierung der Umweltbelastung bei.

8. Lötwiderstandsschicht kann das Fließen der Lötpaste verhindern. Aufgrund der Ungewissheit der Dicke und der unbekannten Isolationsleistung führt jedoch das Bedecken der gesamten Plattenoberfläche mit lötbeständigem Material zu einer großen Änderung der elektromagnetischen Energie im Mikrostreifendesign. Als Lötwiderstandsschicht wird im Allgemeinen Lötdamm verwendet.

Wenn Sie mit diesen Methoden nicht vertraut sind, wenden Sie sich an einen erfahrenen Entwicklungsingenieur, der an Mikrowellen-Leiterplatten für das Militär gearbeitet hat. Sie können auch mit ihnen besprechen, welche Preisklasse Sie sich leisten können. Beispielsweise ist es wirtschaftlicher, ein koplanares Mikrostreifendesign mit Kupferrücken zu verwenden als ein Streifendesign. Besprechen Sie dies mit ihnen, um eine bessere Vorstellung zu bekommen. Gute Ingenieure sind vielleicht nicht daran gewöhnt, über Kosten nachzudenken, aber ihr Rat kann sehr hilfreich sein. Es wird eine langfristige Aufgabe sein, junge Ingenieure auszubilden, die mit HF-Effekten nicht vertraut sind und keine Erfahrung im Umgang mit HF-Effekten haben.

Darüber hinaus können andere Lösungen übernommen werden, wie beispielsweise die Verbesserung des Computermodells, um HF-Effekte handhaben zu können.

PCB-Verbindung mit externen Geräten

Wir können nun davon ausgehen, dass wir alle Probleme des Signalmanagements auf der Platine und den Verbindungen der diskreten Komponenten gelöst haben. Wie lösen Sie also das Signaleingangs- / -ausgangsproblem von der Platine bis zum Kabel, das das Remote-Gerät verbindet? Trompeter Electronics, ein Innovator in der Koaxialkabeltechnologie, arbeitet an diesem Problem und hat wichtige Fortschritte gemacht (Abbildung 3). Sehen Sie sich auch das in Abbildung 4 unten gezeigte elektromagnetische Feld an. In diesem Fall übernehmen wir die Umstellung von Microstrip auf Koaxialkabel. Bei Koaxialkabeln sind die Masseschichten in Ringen verflochten und gleichmäßig beabstandet. Bei Microbelts liegt die Erdungsschicht unterhalb der aktiven Linie. Dies führt zu bestimmten Randeffekten, die zur Entwurfszeit verstanden, vorhergesagt und berücksichtigt werden müssen. Natürlich kann diese Fehlanpassung auch zu Rückverlusten führen und muss minimiert werden, um Rauschen und Signalstörungen zu vermeiden.

Das Management des internen Impedanzproblems ist kein Designproblem, das ignoriert werden kann. Die Impedanz beginnt an der Leiterplattenoberfläche, geht über eine Lötstelle zur Lötstelle und endet am Koaxialkabel. Da die Impedanz mit der Frequenz variiert, ist das Impedanzmanagement umso schwieriger, je höher die Frequenz ist. Das Problem der Verwendung höherer Frequenzen zur Übertragung von Signalen über Breitband scheint das Hauptproblem der Konstruktion zu sein.

Dieses Papier fasst zusammen

Die PCB-Plattformtechnologie muss ständig verbessert werden, um die Anforderungen von IC-Designern zu erfüllen. Das HF-Signalmanagement im PCB-Design und das Signaleingangs-/Ausgangsmanagement auf der Leiterplatte müssen kontinuierlich verbessert werden. Welche aufregenden Innovationen auch immer kommen, ich denke, die Bandbreite wird immer höher und die Verwendung von Hochfrequenzsignalen wird eine Voraussetzung für dieses Wachstum sein.