Разработка научно обоснованных рекомендаций по установке программируемой логической интегральной схемы на печатные платы

В больших и быстродействующих ИМС ток электропитания сильно изменяется при переключении, а его частота высока; поэтому полное сопротивление электропитания должно быть сделано малым в широком частотном диапазоне. Так как один конденсатор не может обеспечить необходимого полного сопротивления, то наборы конденсаторов должны быть размещены иерархически, как показано Рис.3.3, чтобы достигнуть целевого полного сопротивления электропитания. Опишем иерархическое расположение конденсаторов, чтобы обеспечить целевое полное сопротивление.

Рис. 3.3. Пример расположения развязывающих конденсаторов Иерархическое расположение разъединения конденсаторов

Когда конденсаторы помещены иерархически, как на Рис. 3.4, каждый из конденсаторов называют в зависимости от его положения, и соединены, как иллюстрировано на Рис.3.4. Конденсатор на чипе (емкость, сформированная на кремнии) не является компонентом, но добавлена, потому что она выполняет ту же самую функцию.

Рис. 3.4. Модель протекания токов питания в конденсаторах

Эти конденсаторы функционируют как «резервуар заряда» с точки зрения функции поставки тока от ШП. Другими словами, мгновенно соотносясь с локальной потребностью тока около полупроводника, они поддерживают некоторое время напряжение для модулей электропитания. Также с точки зрения частотных особенностей полного сопротивления электропитания, которое для модуля электропитания без применения дополнительных мер увеличивается с увеличением частоты, конденсаторы размещены около ИМС, чтобы уменьшить полное сопротивление в высокочастотном диапазоне.

Следует рассмотреть индуктивность монтажа в дополнение к конденсаторам для получения полного сопротивления электропитания относительно ИМС. На Рис.3.4 влияние монтажа между полупроводником и каждым из конденсаторов выражено как индуктивности (с целью простоты, емкостью и сопротивлением монтажа пренебрегают). Так как индуктивность монтажа удаленных конденсаторов становится большой, полное сопротивление не может быть уменьшено на высокой частоте. Наоборот, мы можем ожидать, что конденсаторы около полупроводника останутся эффективными при высокой частоте.

В этом смысле, если бы мы могли получить достаточную емкость от емкости на чипе, это было бы идеально для того, чтобы уменьшить полное сопротивление электропитания. В действительности, это является трудной задачей из-за пространственных ограничений. Поэтому, конденсаторы размещаются иерархически от близкорасположенных до далеко расположенных от кристалла (Рис. 3.4), чтобы достигнуть целевого полного сопротивления электропитания.

Полное сопротивление СРП

Целевое значение для полного сопротивления системы электропитания, необходимого для работы ИМС, называют целевым полным сопротивлением (Z_T). Оно должно оставаться ниже целевого значения в необходимом частотном диапазоне, как показано на Рис. 3.4 (хотя целевое значение численная константа, которая может измениться в зависимости от частоты).

СРП состоит из источника электропитания, конденсатора развязки и монтажа, чтобы соединить их, СРП должна быть разработана так, чтобы обеспечить целевое полное сопротивление. (Хотя значение целевого полного сопротивления должно быть обосновано работоспособностью ИМС, что невыполнимо в некоторых случаях.)

Идеально, полное сопротивление электропитания должен быть выражено с точки зрения полного сопротивления относительно модели транзистора (Рис. 3.5). Однако, это не практично, чтобы провести измерения на кристалле. В действительности, полное сопротивление электропитания должен быть определено при заданной точке измерения, например, вывод BGA на корпусе или контактная площадка электропитания на печатной плате (ПП) (вообще, значение изменяется в зависимости от местоположения измерения). Согласно описанию ниже, это полное сопротивление (виртуальное значение, так как это неизмеримо в действительности) относительно полупроводникового элемента, если не заявлено иначе.

Рис. 3.5. Целевое полное сопротивление

Иерархическое расположение конденсаторов

Частотная характеристика полного сопротивления от всей СРП при размещении конденсаторов иерархически, как показано на Рис. 3.4, станет такой, как показано на Рис. 3.6. Целевое полное сопротивление определяется как общее значение комбинации частотных характеристики каждого конденсатора.

Рис. 3.6. Диаграмма, моделирующая полное сопротивление для комбинации конденсаторов



Полное сопротивление каждого конденсатора, показанного на Рис. 3.6, не только от одних компонентов, но включает влияние проводников между полупроводниковыми элементами и конденсаторами, как показано в Рис. 3.7. Частотная характеристика полного сопротивления этого конденсатора относительно полупроводникового элемента становится примерно V-образной, как показано в Рис. 3.8 (телеграфирующий, с целью простоты пренебрегается емкостью проводников ).

Рис. 3.7. Эквивалентная схема для одиночного конденсатора

Диапазон этой кривой, где она отвечает целевому полному сопротивлению Z_T, называется эффективным частотным диапазоном конденсатора. Как показано на Рис. 3.11, более низкая граница f_min эффективного частотного диапазона ограничена емкостью конденсатора C_cap, а верхняя граница f_max ограничена индуктивностью конденсатора ESL_total. Этот ESL_total включает индуктивность конденсатора ESL_cap и монтажа L_line. Кроме того, ESL_total включает ESL непосредственно конденсатора и индуктивности контактной площадки для установки конденсатора и металлизированного отверстия.

Рис. 3.8. Частотная характеристика полного сопротивления одиночного конденсатора



Как мы можем видеть из Рис. 3.11, эффективный частотный диапазон конденсатора становится более широким, когда значение Z_T большое, и становится узким при малом значениее.

Более низкий предел полного сопротивления конденсатора ограничен ESR_total. Мы должны использовать конденсатор с меньшим ESR, чем Z_T системы питания с малым значением Z_T.

В области объединения характеристик конденсаторов на низкочастотной стороне (Конденсатор 1) и на высокочастотной стороне (Конденсатор 2) они должны перекрываться (без какого-либо промежутка), как показано на Рис.3.12. Поэтому, когда ESL_total конденсатора на низкочастотной стороне изменяется, емкость, необходимая для конденсатора на высокочастотной стороне также изменяется.

Кроме того, как показано на Рис. 3.9, полное сопротивление может увеличиться в частотном диапазоне области объединения. Это вследствие того, что антирезонанс может произойти между конденсаторами. Поэтому, связь в пределах эффективного частотного диапазона должна быть установлена с достаточными допусками.

Рис. 3.9. Иерархическое соединение полных сопротивлений конденсаторов

Эффективный частотный диапазон конденсатора изменяется в зависимости от уровня целевого полного сопротивления. Когда изменения тока ИМС является малым, эффективный частотный диапазон расширяется вместе с относительно высоким целевым полным сопротивлением. Кроме того, когда емкость наплатного конденсатора является большой, и используется конденсатор с малым ESL, эффективный частотный диапазон расширяется, позволяя устранить объемный конденсатор или передний и задний конденсатор на корпусе и сократить количество используемых конденсаторов.

Пример упрощения иерархии показан на Рис. 3.13.

Рис. 3.10. Пример иерархической структуры конденсаторов

Целевое полное сопротивление печатной платы

В конденсаторной иерархии, показанной на Рис.3.3, емкость на чипе и конденсатор корпуса установлены на ИМС, поэтому ими нельзя было управлять во время стадия дизайна ПП.

Обычно более низкая граничная частота, перекрываемая емкостью на чипе и конденсатором корпуса, рассматривается как верхняя граничная частота, f_Т@PCB в стадии проектирования ПП, и определяется, чтобы быть верхней граничной частотой для целевого полного сопротивления набора для терминала электропитания, внешнего к корпусу ИМС. Эта частота составляет от 10 до 100 МГц.

Проектируя конденсатор развязки на ПП, наша цель будет состоять в том, чтобы обеспечить целевое полное сопротивление до частоты f_Т@PCB (нет необходимости опираться на максимальную частоту работы ИМС). Точка измерения для этого полного сопротивления вывод питания на корпусе ИМС.

В следующем разделе мы опишем конденсаторы, используемые в их иерархии на ПП и их использовании.

3.3 Выбор и обоснование развязывающих конденсаторов Конденсатор с низким ESL

ESL MLCC-конденсаторов, произведен магнитным потоком, который появляется тогда, когда электрические токи протекают через внешние и внутренние электроды, как показано на Рис. 3.11. Поэтому, мы можем изменить ESL, изменяя путь тока и распределение в результате изменения в конфигурации электродов.

Пример конденсатора с уменьшенным ESL за счет новой конфигурации электродов показан на Рис. 3.12. Из рисунка видно, что конденсатор с уменьшенной индуктивностью из-за его широкого и короткого электрода, реверсивная длина на ширину или LW-конденсатор. Как видно из внутренней структуры на Рис. 3.13(a), внутренний электрод более широк и короче по сравнению с общим MLCC-конденсатором.

Рис. 3.11. Механизм возникновения ESL в MLCC-конденсаторе

Рис. 3.12. Конструкции конденсаторов с низким ESL



Рис. 3.13. Структура конденсатора с низким ESL

На Рис. 3.12(б) и (в) показан многовыводной конденсатор с увеличенным числом внешних электродов, где соседние электроды полностью изменили полярности. Как показано во внутренних структуры на Рис. 3.13(б) и (в), внутренние электроды сформированы толстыми и короткими проводниками и дополнительно внутренние электроды сформированы так, чтобы они могли поочередно связываться с внешним электродом. Выбирая такую структуру, в которой взаимная индуктивность происходит между токами, когда они текут в противоположных направлениях, компенсируя индуктивность друг друга. Для компонентов, где токи протекают между соседними электродами, петля тока имеет тенденцию быть чрезвычайно маленькой в противоположность токам, текущим в противоположных направлениях. Кроме того, эти индуктивности соединены параллельно, реализуя чрезвычайно малую ESL как общую для компонента.

Рис. 3.14. Пример особенностей полного сопротивления для конденсатора с низким ESL

Рис. 3.14 показывает пример сравнения полных сопротивлений обычного MLCC-конденсатора и конденсатора с малым ESL. Все конденсаторы имеют размер 1,6Ч0,8 мм и емкость 1 мкФ. Полное сопротивление уменьшается приблизительно на 1/5 для LW-конденсатора в частотном диапазоне выше 100 МГц. По сравнению с обычным конденсатором ESL многовыводного конденсатора должен быть меньше 1/10.

Характеристики, показанные на Рис.3.14, являются таковыми из преобразования от S параметра к полному сопротивлению, когда конденсатор установлен на стороне обхода микрополосковой линии (МПЛ) для измерения. Поэтому, они представляют характеристики, определенные для компонента (и могут быть представлены сосредоточенными параметрами).

Вообще, устанавливая конденсатор на печатной схеме, влияние индуктивности (ESLpcb) образца, связанного с конденсатором и отверстием, в дополнение к ESL конденсатора, является существенным. Как показано на диаграмме, когда многовыводной конденсатор установлен на основании, эффект компенсации индуктивности между токами, текущими в противоположных направлениях рядом друг с другом, влияет на токи в контактной площадке и отверстии, как на Рис. 3.15, делая влияние ESLpcb относительно малым. Поэтому, по сравнению с использованием MLCC-конденсаторов с обычным контактными площадками и отверстиями, использование площадок и отверстий, специализированных для многовыводных конденсаторов, привел бы к более высокому эффекту усовершенствования полного сопротивления, превосходящему разницу в показателях, обозначенную на Рис. 3.14.

Рис. 3.15. Подавление эффекта индуктивности при установке многовыводного конденсатора



Перечень конденсаторов с низким ESL

Краткий обзор конденсаторов с низким ESL показан ниже. LW-конденсаторный ряд LLL-серии

Конденсатор с 3 терминалами

Другой метод уменьшения ESL является использование конденсаторов с 3 терминалами. Пример конденсатора с 3 терминалами показан на Рис. 3.16. Это тип проходного конденсатора, которым является MLCC с превосходными частотными характеристики, имея цепи соединения для уменьшения ESL.

Рис. 3.16 Пример конденсатора с 3 выводами для цепи питания

Рис. 3.17 Механизм уменьшения ESL при использовании конденсатора с 3 выводами

Как показано Рис. 3.17, конденсатор с 3 терминалами структурирован с терминалами входа/выхода, чтобы подтянуть путь помех в компонент. Следовательно, возникновение индуктивности во внутреннем электроде расширяется на три пути, формируя T-образную цепь. Когда присоединяются терминалы входа/выхода конденсатора с 3 выводами к помеховому пути, ESL в направлениях входа/выхода включается в путь помех последовательно, увеличивая вносимые потери (улучшающий эффект подавления помех). Кроме того, ESL в направлении обхода только на участке заземления, в два раза меньше, чем для MLCC. Конденсатор с 3 терминалами, показанный на Рис. 3.16, дополнительно уменьшает индуктивность в области заземления, проектируя это с двумя электродами заземления на левых и правых сторонах конденсатора.

Эти новшества делают ESL конденсатора с 3 терминалами в направлении обхода приблизительно от 10 к 20 пГн, что является меньше 1/30 от обычного MLCC конденсатора некоторых моделей. Поэтому, мы можем ожидать хороший эффект обхода на высокой частотой более 1 ГГц.

Вносимые потери для MLCC и конденсатора с 3 терминалами сравнены Рис. 3.18. Они оба имеют размеры 1,6Ч0,8 мм и емкость 1 мкФ, но конденсатор с 3 терминалами показывает уменьшение потерь приблизительно на 35 дБ в частотном диапазоне более 100 МГц.

Рис. 3.18. Вносимые потери конденсатора с 3 терминалами

В дополнение к эффекту, описанному выше, конденсаторы с 3 терминалами характеризуются увеличением вносимых потерь, формируя фильтр T-типа, не вмешиваясь в ток, текущий в направлении обхода, так как его индуктивность (ESLpcb) от контактной площадки и отверстия расположена последовательно с путем помех, где терминалы входа/выхода установлены. Хотя его ESLpcb в области, где монтируются терминалы заземления, входят в направлении обхода, это может быть минимизировано в многослойной плате соединением с плоскостью заземления с многократным отверстиями в этой области непосредственно ниже компонента.

По этим причинам конденсаторы с 3 терминалами могут обеспечить большие вносимые потери по сравнению с MLCC, даже когда они установлены на печатной плате. Кроме того, уменьшение потерь, когда они установлены в цепи низкого полного сопротивления, меньше чем MLCC (из-за ESLpcb, расположенного последовательно с помеховым путем).

На Рис. 3.19 дан пример, подтверждающий, что эффект подавления помех конденсатора с различным полным сопротивлением определяется посредством эксперимента. Конденсаторное действие обхода наблюдается, в этом случае, проводя измерения распределения магнитного поля в ближней зоне вокруг конденсатора. Это визуально иллюстрирует путь, по которому помеха направляется к земле через конденсатор, так как магнитное поле, очевидно, связано с током.

Волновое сопротивление проводки, используемой в этом эксперименте, (a) приблизительно 60 Ом и (б) 3 Ом. Оба конца проводки согласованы. Частота измерения составляла 100 МГц, в то время как диапазон измерения составлял 40Ч30 мм с конденсатором, установленным в центре. Диаграмма показывает, что помеха поступает с правой стороны, и эффект ее подавления конденсатором зависит от тока, уходящего с левой стороны. Интенсивность тока отмечена в цвете, указывая на более сильный ток изменением от синего до красного.

Мы могли подтвердить экспериментально (Рис. 3.19), что MLCC управляет помехами относительно хорошо для (a) 60 Ом, но его эффект фильтрования имеет тенденцию уменьшаться для (б) 3 Ом (электрические токи протекают через него налево). Тем временем, конденсатор с 3 выводами управлял помехами хорошо и для (a) и для (б). Найдено, что у конденсаторов с 3 выводами есть тенденция для меньшего распространения помех к земле по сравнению с MLCC. Это, как предполагается, - потому что конденсатор с 3 выводами связан с землей через отверстие непосредственно под компонентом.

Рис. 3.19. Изменение в распределении тока вокруг конденсатора, когда волновое сопротивление измерения различно: а) 60 Ом, б) 3 Ом

Широкий проводник с низким волновым сопротивление имеет тенденцию использоваться для цепей электропитания, и конденсатор с 3 выводами лучший выбор для подавления помех.

Набор конденсаторов с 3 выводами для цепей питания

Набор конденсаторов с 3 выводами, подходящих для питаний ИМС, упомянут ниже.



Выводы

Два важных фактора влияют на рассмотрение проблем целостности сигнала:

? повышение частоты ведёт к увеличению скоростей изменения токов

dI/dt и напряжений dV/dt в цепях аппаратуры. Это означает, что проблемы, не оказывающие никакого влияния на низкочастотные проекты, могут иметь катастрофические последствия в проектах следующего поколения быстродействующих узлов;

? эффективное решение проблем целостности сигнала базируется на понятиях полных сопротивлений межсоединений. Если мы имеем глубокое представление о полном сопротивлении и сможем установить при конструировании соответствие параметров конструкции печатной платы и соответствующих полных сопротивлений, то можно устранить проблемы целостности сигнала на этапе проектирования. Для более полного понимания этих факторов рекомендуется ознакомиться с литературой

Результатами выполнения этих задач являются:

? для концептуальной стадии рекомендации относительно реализуемости требований технического задания по быстродействию; рекомендации по выбору материалов и технологии изготовления;

? для стадии схемотехнического проектирования - уточнение требований к электрическим параметрам микросхем; получение рекомендаций по установке помехоподавляющих элементов; получение рекомендаций по выбору корпусов микросхем; платы и сборки печатного узла;

? для стадии топологического проектирования - выработка топологических норм и рекомендаций для трассировки платы; получение данных для расположения компонентов на плате; определение требований к шинам питания и заземления и рекомендации по их расположению; определение структуры МПП; определение требованиям к экранам и их расположению)

Глава 4. Разработка конструкции ПП удовлетворяющей требованиям целостности сигнала и питания

4.1 Разработка рекомендаций по конструкции ПП

Размер

В большинстве типов радиоэлектронной аппаратуры размеры платы диктуются требованиями размещения ее в заданном отсеке или шкафу, и у конструктора печатных плат остается малая свобода выбора. Отсутствие подобных ограничений абсолютно меняет роль конструктора, когда, например, необходимо сконструировать большую цифровую систему на базе большого числа интегральных микросхем. В этих случаях инженер-конструктор сталкивается с проблемой выбора оптимальных размеров собственно печатной платы. Такой выбор связан с учетом большого числа факторов и заканчивается вариантом, являющимся компромиссом, учитывающим настоящую или перспективную политику фирмы в области разработки, технологии и обслуживания аппаратуры после ее поставки заказчику. Здесь будет сделана попытка обсудить различные факторы, которые влияют на топологию рисунка платы и размеры платы, но, разумеется, колебания в затратах фирм, накладных расходах и степени сложности выпускаемых плат вынуждают рассматривать эти факторы только в самом общем виде.

До настоящего момента рассматривалась проблема выбора размеров платы только с точки зрения чисто схемотехнических требований. В дальнейшем будут рассмотрены некоторые конструктивные параметры, такие как механическая прочность, охлаждение и электрические соединители.

Резонансная частота

Для плат малых размеров, например 100Ч150 мм, проблемы вибропрочности практически отсутствуют. Ситуация меняется при увеличении размеров платы, когда возрастает вероятность совпадения частоты собственного механического резонанса платы с какой-либо из частот диапазона механических воздействий на аппаратуру, возникающих как при ее транспортировке от изготовителя к заказчику, так и в процессе эксплуатации. Конструктор печатных плат должен иметь в виду, что элементы, смонтированные на плате, могут при этом испытывать значительно более высокие ускорения, чем аппаратура в целом. Увеличение ускорений зависит, кроме всего прочего, от соотношения между частотой внешних механических воздействий и резонансными частотами различных элементов, передающих эти механические воздействия к элементам на плате (стойка -- шасси -- плата -- элемент). Недостаточно широко известно, что это увеличение может быть 5--10-кратным, что делает проблему достаточно серьезной.

Для больших плат размерами 300x300 мм и более центральная часть платы может подвергаться относительно большим колебаниям, вызванным внешними механическими воздействиями. Если расстояния между платами невелики и отсутствуют изолирующие прокладки под элементами, при изгибе платы может произойти кратковременное короткое замыкание между неизолированным корпусом или выводом элемента платы и стороной пайки соседней платы. Одной из наиболее серьезных проблем, возникающих при больших резонансных колебаниях платы, является вероятность разрушения паяных соединений или выводов элементов вследствие усталости металла. На рис. 4.1 показаны схематически возможные положения центральной части печатной платы под воздействием резонансных колебаний. Выводы элементов изгибаются вперед и назад, особенно в тех случаях, когда они изогнуты под углом 90° к оси элемента. Незначительные насечки или надрезы, образовавшиеся при операции формовки выводов, могут инициировать разрушение вывода.



Рис. 4.1. Плата при резонансных механических колебаниях.

Резонансная частота может быть сравнительно легко изменена с помощью упрочняющих элементов, таких как металлические уголки, или рассверливанием дополнительных монтажных отверстий, или установкой опорных штырей. Условия механического резонанса, естественно, могут быть теоретически рассчитаны. Результаты испытаний на воздействие вибрационных нагрузок на опытные образцы аппаратуры являются для большинства случаев достаточно авторитетной информацией.

Охлаждение

Предположим, что 200 ИС смонтированы в объеме 1 дм³. Если средняя мощность рассеяния на одну ИС составляет 50 мВт, общее количество выделяемого тепла составит 10 Вт. Даже в случае меньшей плотности компоновки количество теплоты, которое необходимо отвести, так велико, что охлаждение путем естественной конвекции, радиации или теплопроводности является недостаточным. В этих случаях необходимо применение принудительного воздушного охлаждения, что требует встраивания в аппаратуру вентиляторов. Последние должны быть рассчитаны на создание потоков воздуха, достаточных для ограничения роста температуры заданными пределами. Важно обеспечить равномерное омывание аппаратуры воздушными потоками, что достигается, например, установкой специальных воздуховодов, а также достаточную скорость потока воздуха для поддержания относительно низкой температуры поверхности элементов со значительным тепловыделением. Чтобы исключить возможность попадания пыли в аппаратуру, в воздуховодах должны устанавливаться фильтры. Аппаратура должна быть электрически заблокирована, должна быть предусмотрена тепловая защита, отключающая аппаратуру от сети в случае, если ее температура недопустимо растет.

Рост температуры является фактором, ограничивающим допустимую плотность компоновки, что в свою очередь влияет на выбор размеров платы. Проблемы распределения теплоты следует анализировать в каждом конкретном случае конструирования, так как оптимального теплообмена нельзя достигнуть методом проб и ошибок. Окончательное исследование распределения теплоты в аппаратуре необходимо производить на макете, поскольку даже после полного теплового расчета остается вероятность существования локальных участков перегрева.

Соединители

Габариты разъема, естественно, зависят от числа внешних соединений с данной схемой. Подходящий стандартный разъем может быть выбран либо при конструировании новой аппаратуры, либо при модернизации уже имеющейся конструкции. В этом случае в разъеме могут быть резервные неиспользуемые контакты. Для больших плат часто требуются разъемы с большим числом контактов, а для того чтобы обеспечить надежное сочленение контактов в цепях низкоуровневых сигналов, необходимо задавать контактное усилие 0,5--1,0 Н. Это приводит в экстремальных случаях к увеличению усилия сочленения до нескольких десятков ньютон, так что размеры разъема становятся ограничивающим фактором при выборе размеров платы. Из-за больших усилий сочленения процедура сочленения ответных частей разъема становится настолько трудной, что оператор не в состоянии ощутить момент завершения сочлененияконтактов, что приводит к поломке разъема. Выпускаются разъемы с нулевым усилием сочленения, но они дороги и имеют большие размеры.

Размер и цена

Стоимость единицы площади платы может быть выражена как величина, зависящая от размеров платы, причем эту зависимость можно использовать для выбора оптимальных размеров платы. Соображения, приведенные ниже, формулируются в предположении, что плотность компоновки постоянна на площади постоянного размера, что означает, что число отверстий на единицу площади платы постоянно и не зависит от того, как размещается схема -- на малом числе плат больших размеров или на большом числе плат малых размеров.

Можно предположить, что оборудование, имеющееся в распоряжении фирм-изготовителей печатных плат, наилучшим образом рассчитано на обработку плат средних размеров, и потому средний размер плат можно рассматривать как оптимальный. Платы больших размеров обычно имеют более высокую стоимость, отнесенную к единице площади, чем платы средних размеров. Платы больших размеров требуют меньшего числа манипуляций на единицу площади, однако при этом отходы используемых исходных материалов и ограничения в сфере производства становятся важнейшими факторами.

Рис. 4.2. Стоимость печатной платы как функция коэффициента заполнения платы.

Еще одним важным фактором является количество брака. Предположим, что частота отказов на единицу площади не зависит от размеров платы и поэтому может считаться постоянной величиной. Количество брака, выражаемое числом бракованных плат, будет непропорционально увеличиваться с увеличением размеров платы.

Очень малые платы имеют несколько более высокую стоимость на единицу площади по сравнению с платами среднего размера. При использовании фотографического процесса мультипликации (формирования повторяющихся рисунков) на одну сравнительно большую технологическую панель может быть нанесено достаточно большое число рисунков отдельных печатных плат. Следовательно, хотя количество изготовленных плат в соответствии с заказом может быть велико, число панелей будет мало, так что производственные затраты на панель и соответственно на плату окажутся непропорционально высокими.

Варианты приведены на рис, 4.2, где А -- исходная плата; B -- плата половинной ширины платы A, C -- плата удвоенной ширины платы A; D и E -- две конфигурации платы учетверенной площади платы A. Число плат в каждом варианте таково, что общая площадь всех плат каждого варианта одинакова. Стоимость на единицу площади рассчитывалась для платы А. Приведенная кривая показывает относительные стоимости на единицу площади конкретного варианта к площади платы А. Чтобы растянуть кривую, по оси x выбран логарифмический масштаб. Кривая имеет минимум при отношении площадей 2,5, что соответствует формату платы примерно 180Ч250 мм. Изготовитель этих вариантов печатных плат подтвердил, что этот размер он считает оптимальным. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами других исследований, в которых формат платы 200Ч250 мм оценен как оптимальный.

Тепло и количество элементов

Конструктор печатных плат должен знать все термочувствительные и тепловыделяющие элементы, что позволит ему правильно размещать эти элементы относительно друг друга. Обычно тепловыделяющие элементы располагаются над платой, чтобы исключить обесцвечивание или повреждение элемента или платы. Конструктор должен также располагать всем комплектом типоразмеров теплоотводов для их использования при конструировании.

Выбор элементов

Полупроводниковые приборы обычно указываются в принципиальной схеме своими типовыми обозначениями; их физические размеры могут быть легко найдены в справочниках. Другие элементы обычно обозначаются только своими электрическими номиналами и иногда их допусками.

Физические размеры элемента зависят полностью от выбранного типа элемента. В 90 % случаев выбранные элементы известны конструктору печатных плат. Остальные элементы, вероятнее всего, являются нестандартными, и разработчик должен их данные представить в отделение конструирования печатных плат. В любом случае разработчик отвечает за выбор элементов и перечень элементов к схеме.

После того как все элементы определены, конструктор печатных плат должен просмотреть перечень элементов и выделить все неизвестные ему элементы. Наиболее практичным является составление конструктором собственной «библиотеки» элементов, в которую входят более или менее специальные элементы. В следующий раз, если такая информация потребуется, ома будет под рукой. Более того, было бы целесообразным, если бы конструктор печатных плат имел образцы каждого элемента и составил коллекцию образцов. Иногда образцы помогают обнаружить такие подробности, которые не выявляются в габаритных чертежах элементов, приводимых в справочниках. Существует правило: никогда не пользоваться измерениями физических размеров образцов элементов. Среди них может быть выпущенный лабораторией перспективный образец, имеющий некоторые конструктивные изменения в сравнении с серийным. Поэтому всегда лучше полагаться на справочные данные до тех пор, пока новый образец не будет официально введен в справочники.

Конструктивные требования

Другая важная задача, стоящая перед конструктором печатных плат, -- иметь исчерпывающую информацию о физических размерах платы. Обычно это требует тесного контакта конструктора с отделением механического конструирования.

Некоторые элементы, устанавливаемые непосредственно на плате, требуют определенной ориентации, например элементы, которые выводятся на переднюю панель, такие как кнопочные переключатели или потенциометры.

Конструктор печатных плат должен располагать данными всех других элементов механической сборки, таких как скобы, зажимы, экранирующие кожухи, теплоотводы. Знать координаты крепежных отверстий платы еще недостаточно; конструктор печатных плат должен также знать площадь, занимаемую каждым элементом, для того чтобы не трассировать проводники на участках платы, занимаемых этими элементами. В этой связи конструктор печатных плат должен помнить, что головки крепежных винтов и гайки также занимают место на плате. Классической ошибкой является короткое замыкание, вызываемое перекрытием головкой винта двух проводников, и классическим средством исправления этой ошибки является применение изолирующей шайбы под головкой винта.

Перечисленные сведения об элементах дадут конструктору печатных плат возможность изобразить плату, расставить ее габаритные размеры и координаты крепежных отверстий, обозначить «запрещенные» области на плате. Этот чертеж - основа для всех дальнейших конструкторских работ, его должен выполнять чертежник-конструктор, поскольку все крепежныеотверстия должны быть размещены весьма точно. Аналогичным образом чертежник-конструктор должен знать все ограничения, обусловленные наличием «запрещенных» участков на плате, чтобы вести трассировку проводников только на разрешенных участках.



4.2 Разработка рекомендаций по установке и размещению развязывающих конденсаторов

Простая оценка полного сопротивления электропитания относительно ИМС

Предполагая, что монтаж от терминала электропитания ИМС до самого близкого конденсатора может быть выполнен как МПЛ, поэтому можно смоделировать монтаж, как показано на Рис. 4.3. Полное сопротивление этого конденсатора относительно терминала электропитания, Z_powerTermnal может быть выражен следующим уравнением:

В этом уравнении Z_сap полное сопротивление конденсатора, Z_line полное сопротивление монтажа к конденсатору. Z_cap включает полное сопротивление контактной площадки для установки конденсатора и металлизированного отверстия.

Рис. 4.3 Модель монтажа до самого близкого конденсатора

Z_line, является полным сопротивлением для монтажа, которое можно считать закороченным в окончании. Примем индуктивность монтажа L_line. Кроме того, в высокочастотной зоне, превышающей саморезонансную частоту, полное сопротивление конденсаторного Z_cap сформировано ESL конденсатора ESLcap. Поэтому, полное сопротивление относительно терминала электропитания ИМС, Z_{PowerTerminal}, может быть выражен следующим уравнением:

Мы можем использовать индуктивность на единицу длины МПЛ, умноженной на длину Lline монтажа. Имеются различные уравнения для приближенной оценки индуктивности МПЛ с определенным полным сопротивлением. Однако, обращаясь со случаем с широким проводником, характерным для ШП, эти уравнения могут стать сложными. Следующее уравнение предложено для приблизительной оценки Lline:

где h толщина диэлектрического материала в МПЛ, w ширина проводника, l протяженность проводника (единицы все миллиметры). Заменяя L_lne с ESL_cap конденсатора в уравнении (7-2), можно оценить полное сопротивление относительно терминала электропитания ИМС в высокочастотной зоне (где конденсатор становится индуктивным). Отметьте, что мы должны включать индуктивность от контактной площадки установки конденсатора и отверстия (ESLPCB) в ESL_cap, используемом здесь.

Возможный диапазон для размещения ближайшего к ИМС конденсатора

Мы можем вычислить инверсией протяженность монтажа необходимую, чтобы управлять полным сопротивлением электропитанием ниже целевого значения, определяя индуктивность монтажа простым уравнением (7-3). Примем целевое значение полного сопротивления электропитания относительно ИМС Z_T и целевая частота, самая большая частота, необходимая, чтобы удовлетворить этот полное сопротивление, f_T@pcb, максимальная допустимая протяженность проводника l_max.

Как упомянуто ранее, полное сопротивление относительно терминала электропитания показывает индуктивный характер на высокой частоте; поэтому рассмотрим только условия индуктивности. Мы можем получить самую большую допустимую индуктивность для монтажа, L_{line_max}, заменяя Z_T на полное сопротивление электропитания ZPowerTerminal и f_T для частоты f в уравнении (7-2).

Мы можем получить максимальную допустимую длину для монтажа, l_max, заменяя L_line этим Lline max в уравнении (7-3):

Как показано на Рис. 4.4, помещая самый близкий конденсатор в пределах окружности с радиусом l_max от терминала электропитания ИМС, мы можем достигнуть целевого полного сопротивления в высокочастотной зоне. Мы назовем окружность максимально допустимой длиной проводников. Когда l_max является большим, у нас есть больше гибкости в определении местоположения конденсатора.

Рис. 4.4 Расположение внутри l_max



С другой стороны, с точки зрения конденсатора, l_max может быть отмечен как эффективный диапазон конденсатора для поддержания полного сопротивления электропитания меньше, чем Z_T. Как показано на Рис. 4.5, когда терминал электропитания ИМС размещен ближе, чем l_max от конденсатора, то один конденсатор может подавить уменьшить полные сопротивления электропитания ИМС до уровней меньших, чем Z_T. Как мы можем видеть из уравнения (7-5), у этого конденсатора есть широкий эффективный диапазон, так как l_max конденсатора с маленьким ESLcap становится большим.

Рис. 4.5. Расположение ИМС внутри l_max Конденсаторы, монтируемые на плату

Полное сопротивление в более высоком диапазоне частот, где объемный конденсатор не функционирует, создается конденсатором, расположенным на ПП около ИМС. Обычно, это MLCC-конденсаторы. Один конденсатор достаточен для относительно небольшой и медленный ИМС, но для высокоэффективных ИМС с низким целевым полным сопротивлением может использоваться набор параллельных конденсаторов, как показано на Рис.4.6.



Рис. 4.6. Пример параллельной расстановки конденсаторов на плате

Рис. 4.7. Объединение полных сопротивлений, когда конденсаторы с различной емкостью размещены в параллель (расчетное значение)

Рис. 4.6(б) показывает расстановку конденсаторов с одинаковой емкостью параллельно. Низкое полное сопротивление в широком диапазоне частот достигается комбинацией конденсаторов с различными саморезонансными частотами, используя преимущества характеристик конденсатора, которые становятся с низким сопротивлением в окружности частоты резонанса.

Внимание должно быть уделено случаю, когда полное сопротивление не становится малым из-за появления антирезонанса в диапазоне между резонансными частотами конденсаторов. Пример объединения полных сопротивлений, когда используется 4 конденсатора емкостью 1 мкФ, 10000, 1000 и 100 пФ в параллель, показан на Рис. 4.8. Частотная характеристика выглядит в виде последовательности волн и достигает значений сопротивления конденсатора 1 мкФ на антирезонансных частотах.

На Рис. 4.6 показан случай расстановки одинаковых конденсаторов в параллель. В этом случае, поскольку вычисление (Рис.4.8), указывают, что проблемы от антирезонанса не происходят часто (вычисление предполагает, что монтажом между конденсаторами можно пренебречь). В этом случае полные сопротивления конденсаторов включены параллельно, в дополнение к полному сопротивлению контактных площадок и отверстий, включенных параллельно (в случае, где отверстия используются для каждого конденсатора). Есть также преимущество, что относительно легче увеличить емкость из-за увеличенного числа конденсаторов.

С другой стороны, у увеличенного числа конденсаторов есть недостаток увеличение пространства и стоимости. Кроме того, поскольку площадь увеличивается, конденсаторы располагаются относительно далеко друг от друга, делая конденсаторы, менее эффективными из-за влияния полного сопротивления межсоединений, постепенно уменьшая эффект увеличенного числа конденсаторов.

Рис. 4.8. Полное сопротивление конденсаторов одинаковой емкости, установленных параллельно

Если метод, показанный Рис. 4.6, создаст проблему, то используя низкий-ESL конденсатор, даст тот же самый эффект, как увеличенное число конденсаторов. Это более выгодно для пространства и стоимости. Рис. 4.9 показывает сравнение полного сопротивления для нескольких MLCC и одного низкого-ESL конденсатора. Один низкий-ESL конденсатор реализует полное сопротивление, эквивалентное при использовании 10 параллельных MLCC-конденсаторов.



Рис. 4.9. Сравнение между параллельными конденсаторами MLCC и конденсатором с низким ESL

Проектирование емкости конденсатора

Пример определения емкости для объемного конденсатора и наплатного конденсатора в зависимости от целевого полного сопротивления рассмотрен ниже. Как показано на Рис. 4.10, рассматривается случай, где объемный конденсатор и наплатный конденсатор размещены между модулем электропитания и ИМС.

Рис. 4.10. Модель для проектирования емкости конденсатора

Определение целевого полного сопротивления

Во-первых, целевое полное сопротивление Z_Т определено, как показано Рис. 4.11. Если целевое значение и максимальная частота полного сопротивления электропитания, необходимого для работы ИМС, уже известны, используются эти значения. Если они неизвестны, они устанавливаются следующим уравнением:



В этом случае, V максимальное допустимое значение ряби напряжение, I максимальный переходный поток, изменяющийся при переключении микросхемы (определяется по ТУ с учетом сквозных токов). Максимальная частота f_Т@PCB для Z_Т изменяется в зависимости от быстродействия ИМС. Если она неизвестна, то ее принимают приблизительно 100 МГц.

Рис. 4.11. Установление целевого полного сопротивления

Установление емкости объемного конденсатора

Затем, мы установим емкость конденсаторов с низкочастотной стороны. Первый конденсатор будет объемным конденсатором. Его модель показана на Рис. 4.12.

Предположим, что индуктивность от кабелей между модулем электропитания и цепью или печатным монтажом основной фактор, препятствующий достижению целевого полного сопротивления в объемном конденсаторе, установленного на позиции, когда модуль электропитания работает идеально. Примем эту индуктивность L_power и емкость конденсатора C_bulk.

Когда монтаж состоит только из печатных проводников, мы можем использовать следующее уравнение ниже из , чтобы оценить L_power.



В этом уравнении h толщина диэлектрического материала в МПЛ, w ширина проводника, l длина проводника.

В случае, где характеристика ответа модуля самого электропитания не незначительны, эта индуктивность L_{powerResponce} должна быть вычислена в L_power в уравнении (8-3). Грубая оценка может быть установлена через постоянную времени индуктивности.

В этом уравнении, t_{powerResponceis} скорость отклика модуля электропитания.

Рис. 4.11 Определение емкости для объемного конденсатора

Установление конденсатора, устанавливаемого на плате

Затем, мы установим емкость для конденсатора, который устанавливается на плате, C_borad, . Примем индуктивность монтажа между объемным конденсатором, и конденсатором на плате L_bulk, необходимый конденсатор для монтажа на плате должен соответствовать неравенству



аналогично (8-2). Хотя, строго говоря, эта индуктивность L_bulk включает ESL объемного конденсатора и индуктивность всего монтажа между ИМС и объемным конденсатором.

Расположение конденсатора на плате

Далее размещаем наплатный конденсатор. Помещая конденсатор так, чтобы расстояние между ИМС и терминалом электропитания было в пределах максимальной допустимой длины монтажа l_max, как описано в, Z_T может быть реализовано в диапазоне частот до f_T@PCB, как показано на Рис. 3.21:

В этом уравнении ESLcap ESL конденсатора, включающая индуктивность (ESLPCB) контактной площадки установки конденсатора и сквозного отверстия, в дополнение к ESL непосредственно конденсатора.

Рис. 4.13 Расположение наплатного конденсатора



Снижение ESLcap

В зависимости от целевого полного сопротивления в ряде случаев за счет одного конденсатора не удается достигнуть соответствующей длины l_max. В таком случае мы должны поместить набор конденсаторов параллельно, как показано на рис. 4.14., чтобы уменьшить эквивалентное значение ESLcap и увеличить l_max. Также эффективно использование конденсатора с низким ESL

Когда l_max не существует для одного конденсатора, уменьшение ESLcap за счет комбинации набора конденсаторов и увеличение l_max может быть необходимым. Полная емкость должна быть больше C_board, Комбинация емкостей должна быть приспособлена для подавления антирезонанса.

Рис. 4.14. Пример топологии размещения конденсаторов для достижения целевого полного сопротивления

Рис. 4.15 показывает различные цепи развязки, сравниваемые с точек зрения подавления помех и целостности питания. Для электропитаний ИМС используются MLCC конденсаторы в качестве простого метода достижения обеих из этих целей. Заменяя это конденсаторами с 3 выводами или конденсаторами с низким ESL, исполнительное усовершенствование может ожидаться и для отмеченных показателей. Кроме того, когда добавлены катушки индуктивности, такие как ферритовые бусинки, работа может быть улучшена с точки зрения подавления помех; однако, в некоторых случаях может произойти увеличение полного сопротивления электропитания. В таком случае должны быть установлены дополнительные конденсаторы. Увеличенное число стадий для комбинаций конденсаторов и индуктивности может далее уменьшить помехи. Эти фильтры должны быть применены в соответствии с требуемыми цепями.

Рис. 4.15. Структура фильтров электропитания

Особенности цепей электропитания с точки зрения помеховых контрмер включают конфигурацию монтажа, являющуюся сложным по сравнению с цепями сигнала, создавая трудности при проектировании полного сопротивления:

· чрезвычайно низкое полное сопротивление в некоторых случаях;

· широкий частотный диапазон для противопомеховых мер от аудио до ГГц;

Для развязывающего конденсатора, чтобы функционировать эффективно в таких цепях, необходимо для низкого полного сопротивления на высокой частоте проектировать монтажные соединения, создающие минимальную индуктивность.

4.3 Разработка по технологии сборки и монтажу

Поверхностный монтаж -- технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (англ. surface mount technology) и SMD-технология (от англ. surface mounted device -- прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют «чип-компонентами». ТМП является наиболее распространённым на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным отличием ТМП от «традиционной» технологии -- сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы. Преимущества ТМП проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приёмов изготовления печатных узлов

Типовая последовательность операций в ТМП включает:

· нанесение паяльной пасты на контактные площадки:

· дозирование пасты из специального шприца вручную или на станке в единичном и мелкосерийном производстве;

· трафаретная печать в серийном и массовом производстве;

· установка компонентов на плату;

· групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или нагревом в паровой фазе^[2]);

· очистка (мойка) платы (выполняется или нет в зависимости от активности флюса) и нанесение защитных покрытий.

В единичном производстве, при ремонте изделий и при монтаже компонентов, требующих особой точности, как правило, в мелкосерийном производстве также применяется индивидуальная пайка струей нагретого воздуха или азота.

Одним из важнейших технологических материалов, применяемых при поверхностном монтаже, является паяльная паста (также иногда называемая «припойной пастой»). Паяльная паста представляет собой смесь порошкообразного припоя с органическими наполнителями, включающими флюс.

Назначение паяльной пасты:

· выполнение роли флюса (паста содержит флюс):

· удаление оксидов с поверхности под пайку;

· снижение поверхностного натяжения для лучшей смачиваемости поверхностей припоем;

· улучшение растекания жидкого припоя;

· защита поверхностей от действия окружающей среды;

· обеспечения образования соединения между контактными площадками платы и электронными компонентами (паста содержит пропой);

· фиксирование компонентов на плате (за счёт клеящих свойств пасты).

Во время пайки важно обеспечить правильное изменение температуры во времени (термопрофиль), чтобы^[4]:

· избежать термоударов;

· обеспечить хорошую активацию флюса;

· обеспечить хорошее смачивание поверхностей припоем.

В данной главе представлены основные конструктивные требования по конструированию печатных узлов с установкой на них ПЛИС.

4.4 Оценка рынка ПЛИС и технологических затрат

Оценка рынка ПЛИС

По данным исследований лидера ми рынка ПЛИС являются компании Xilinx, Altera и Lattice. Они занимают 95% всего рынка. Остальные 5% делят компании Actel, Atmel, QuckLogic, AMIS и NEC. Компания Atmel не имеет развитой линейки ПЛИС, а компания Actel больше специализируется на производстве ПЛИС для военной и аэрокосмической отраслей. Для компаний QuckLogic, AMIS и NEC ПЛИС не являются основным продуктом.

Начальный период развития FPGA был отмечен суровыми битвами между различными технологиями и поставщиками, в которых были и победители, и проигравшие. Технологии FPGA предусматривали антипрожигаемые (antifuse) перемычки, статическое ОЗУ (SRAM) и электрически перепрограммируемое ПЗУ (EEPROM). В настоящее время рынок сделал выбор в пользу SRAM -- теперь на долю этой технологии, согласно информации о доходах поставщиков, приходится около 90% рынка. В список компаний, изначально пришедших на рынок программируемой логики и впоследствии ушедших с него, входят такие гиганты полупроводникового производства, как Motorola, Toshiba, NEC, Phillips и Texas Instruments. Все они пришли к выводу, что этот рынок не принесет отдачи, соизмеримой с другими специализированными рынками, и оставили поле деятельности новаторам, таким, как Altera и Xilinx.

...