Table of Contents

הבנת תאימות אלקטרומגנטית בעיצוב PCB

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) היא היכולת של מכשיר אלקטרוני לתפקד כראוי בסביבה האלקטרומגנטית המיועדת שלו ללא הפרעה שיוצרת ציוד אחר או להיות רגיש להפרעה ממקורות חיצוניים.בעיצוב מעגלים מודפס (PCB), ביצועי EMC מושפעת במידה רבה מהחומרים שנבחרו עבור תת-קרקעית, נחושת, מסיכה נמכרה, וכל שכבות הגנה מוטבעת.

EMC ירודה יכול להתבטא כמו פליטות קורנות כי מעבר לגבולות שנקבעו על ידי סטנדרטים כגון FCC חלק 15 או CISPR 32, או כחסינות שגורם להתנהגות לא סדירה בסביבות רועשות. שני התוצאות יכולות להוביל לתכנוןים יקרים, עיכוב זמן עד לשוק, או המוצר זוכר. על ידי הבנה כיצד חומרים PCB משפיעים על התנהגות אלקטרומגנטית, מהנדסים יכולים לקבל החלטות מוקדמות בתהליך העיצוב כדי אופטימיזציה של EMC ללא ביצועים להקריב או יכולת אדם.

פרדוקסים חומריים חשובים שמשפיעים על EMC

התכונות האלקטרומגנטיות של חומרי PCB מוגדרים על ידי מספר פרמטרים יסודיים.החשוב ביותר עבור EMC הם קבוע דיאלקטרי (Dk), ניתוק (Df, הנקרא גם אובדן שיזוף), ואת מוליכות חשמלית של נחושת וכל שכבות מגנות נוספות. פרמטרים אלה קובעים כיצד אותות propagate דרך הלוח, כמה אנרגיה אבדה כמו חום, וכמה שדות אלקטרומגנטיים בין עקבות, מטוסים, מבנים חיצוניים.

דיאלקטרי קונסטנטי (Dk)

קבוע דיאלקטרי שולט במהירות שבה גלים אלקטרומגנטיים נעים דרך תת-התחריד ומשפיע ישירות על המכשולים האופייניים של קווי שידור.בעיצובים דיגיטליים מהירים או RF, עיוותים שנגרמו על ידי וריאציות ב Dk יכולים להוביל להשתקפות, גלים עומדים, ולהגדיל את חומר הקרינה של קרינת ה-Mod-mo-de. עם Dk נמוך ויציב (למשל, ל- RF נמוך-Lalossusminates) מסייע לשמור על טווח רחב של בעיות בתדרים.

חשוב לציין כי ערכי Dk בגליונות נתונים נמדדים בדרך כלל בתדרים נמוכים (1 מהרץ או 1 GHz) ויכולים להשתנות על ידי 5-15% בתדרים גבוהים יותר.עבור עיצובים הפועלים מעל 1 GHz, מהנדסים צריכים להשתמש במודלים חומריים המספקים Dk לעומת עקומות תדרים.חלק חומרים מתקדמים משתמשים חיזוק זכוכית זורק שיוצרים Dk (שונה ב X, Y, Z), אשר יכול לגרום נזקי שדה חשמלי וגרם ל- EMSCR.

דיסיפציה (Df) והפסדת טאנט

גורם הניתוק מייצג את השבריר של אנרגיית האות המומרת לחום ב dielectric לכל מחזור. A Df גבוה יותר קצבה גדולה יותר של רכיבי אות גבוה, אשר מפחיתה את האמרה של תוכן הרמוני ויכול להפחית את פליטות קורנות. עם זאת, זה מגיע עלות של יושרה: הפסדים גבוהים יותר עלייה פעמים ופתיחות עיניים.

חומרים עם Df נמוך מאוד (נמוך 0.002) כגון PTFE (Teflon) או laminates מלא קרמיקה משמשים ביישומים מיקרוגל שבו אובדן אות מינימלי הוא קריטי.עבור PCB דיגיטלי טיפוסי (FR-4), ערכי Df סביב 0.02-0.025 ב 1 GHz הם נפוצים.הטמפרטורה והלחות של Df גם נושאים - 4 יכול לספוג לחות, עלייה ב Df ומשתנה, במיוחד בטמפרטורות מחוספס, במיוחד, אשר נמצאים תחת עומס.

« סעודה קשה

החוספס של סיכול נחושת, במיוחד בצד מחובר טרום-פרוג, משפיע על אובדן המנצח ובקרת הדחף.קשה על הפסדים מנוגדים בתדרים גבוהים בשל אפקט העור, אשר יכול להגביר את התמותה השונה להמרות משותפת וגרוע יותר מ- EMI. Smooths (למשל, התגלגל annealed או נמוך מאוד אלקטרודה אלקטרו-פולטיבית) אבל יכול להפחית את האמינות הפחתת ה-i-i כדי לבחור הפסדים משמעותיים במיוחד.

כיצד סוג הסגירה משפיע על ביצועי EMI ו- Emission

חומרים שונים של PCB סטראט להציג התנהגויות אלקטרומגנטיות שונות מאוד.למטה אנו בודקים סוגים נפוצים של תת-סטריט ואת ההשפעה שלהם על פליטות קורנות, פליטות שבוצעו, רגישות.

תקן FR-4

FR-4 הוא סוס העבודה של תעשיית ה- PCB, המיוצר סיבי זכוכית ארוגים התחזק עם epoxy resin epoxy retardant.הקבוע הדיאלקטרי שלה בדרך כלל נע בין 4.3 ל-4.7 (ב 1 MHz) עם גורם פירוק סביב 0.02.עבור EMC, FR-4 הוא מספיק עבור יישומים רבים עד 1-2 GHz כאשר תוכנן כראוי, מתון שלה ו Dfk יכול להיות גבוה יותר ויותר.

FR-4 סובל גם מ"אפקט ה-Gel Weave": וריאציות תקופתיות ב Dk הנגרמות על ידי תבנית weave יכול ליצור הפסקות בלתי מאוישות המייצרות זרמים משותפים.זהו מקור ידוע של פליטות קורנות בעיצובים במהירות ג'יגהביט.שימוש במשאב חזק יותר או חיזוק זכוכית מתפשט יכול להקטין את זה, אבל עבור דרישות קריטיות, ביצועים גבוהים יותר מומלץ חומרים.

High-Frequency Laminates (Rogers, Isola, Taconic)

לימי RF מיוחדים מציעים ערכי Dk נמוכים כמו 2.2 (PTFE / ceramic) ו Df מתחת 0.001. חומרים אלה מספקים יציבות ממדית מעולה, ספיגת לחות נמוכה, ונכסים חשמליים עקביים על תדירות וטמפרטורה.עבור EMC, הם מאפשרים שליטה אימפולסיבית יותר, ירידה של עיכוב הפחתת העיכוב, והורדת אובדן.

עם זאת, תת-שכבות אלה יקרות יותר, יש דרישות עיבוד שונות (למשל, משיכת פלזמה עבור PTFE), ולעתים קרובות דורשות טיפול מחמיר יותר כדי להימנע מדיכאון.הם משמשים בדרך כלל רק כאשר תקן 4 אינו יכול לעמוד בדרישות השלמות של EMC או אות, כגון תשתית 5G, תקשורת לווייניתנית, או ממיר נתונים במהירות גבוהה.

Metal-Backed Substrates ו- Embedded Shielding

עבור יישומים הדורשים להכיל EMI קיצוני, PCBs מגובה מתכת (עם אלומיניום או צלחת בסיס נחושת) לספק הגנה טבועה. שכבת המתכת פועלת כמו מטוס קרקע גדול, סופגת ומשקפת אנרגיה קורנת.עם זאת, תת-סטריטים אלה להוסיף משקל, עלות, ומורכבות ייצור (למשל, ניהול תרמי של באמצעות חיבורים למתכת).

שיטות עיצוב אשר מגבירות את היתרונות החומריים עבור EMC

אפילו החומר הטוב ביותר לא יכול לפצות על הפריסה גרועה.שילוב של בחירה חומרית וגיאומטריה לוח קובע ביצועי EMC. להלן הם שיטות עיצוב מפתח שעובדות באופן סינרגטי עם תכונות חומריות.

שליטה על אימפולסים וטרייס גיאומטריה

מעבדים מעוצבים כראוי ופסלין גיאוגרפימטים להבטיח כי השתקפות אותות ממזערים.התת Dk ישירות מגדיר את רוחב העקב ואת הגובה הנדרש עבור מכשול מטרה נתונה.שימוש בחומרים עם סובלנות Dk הדוק יותר (למשל, ±2% במקום ± 10%) מפחית את הווריאציות מאולתלות על פני הלוח, הורדת חומרים משותפים-de תמיד לבקש קופונים כדי לאמת את העיצוב יחסית.

שכבת שכבת ריצוף ומטוס Capacitance

לוחות Multi-layer עם כוח ומטוסים קרקעיים יוצרים קיבול מוטבע המסנן רעש גבוה ⁇ . עובי דיאלקטרי בין מטוסים לבין Dk של החומר לקבוע את הציפוי המופץ לאזור יחידת. ⁇ דקנר dielectrics (למשל, 1 חלב טרום פריימרג) עם Dk מניבה גבוהה יותר, אשר מפחיתה כוח-מחוסם ומדכאת מעברים במקביל, במיוחד עם רמות Dk נמוך יותר).

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « מגנט ו- Via « « « « « « « מגנט ו- Via « « « « « « « « « « « מגנט ו- Via ← ← « « ← « « « « « « « « « « « « « « « « « מגנט ו- Via « « « « « « « מגנט ו- Via

נתיבים הנוכחיים חוזרים חייבים להיות קצרים ויישרים ככל האפשר.היתר של החומר הדיאלקטרי משפיע על מרחק ההפיכה בין עקבות לבין מטוס החזרה שלו.חומרים עם Dk גבוה יותר להגביל את השדה האלקטרומגנטי חזק יותר, צמצום אזור הלולאה והורדת פליטות קורנות.בנוסף, כראוי באמצעות תפרים (באמצעות הצבת הקרקעות לאורך עקבות וסביבות פריפריה) מסייע לשמור על ירידה נמוכה דרך המבנה המידרדר באמצעות הנשגבת.

אותות שונים ובקרת סקאלו

זוגות שונים מסתמכים על סימטרית propagation כדי לבטל רעש משותף.ריאציות Dk על הלוח - במיוחד anisotropic Dk בחומרים מכוסים זכוכית - יכול לגרום להחליק בין הרגליים החיוביות והשליליות של זוג. זה skew ממיר אנרגיה שונה-mode לתוך פליטות מונפודות.

אפשרויות ל- EMC אתגרים ספציפיים

קטגוריות מוצרים שונות דרישות רגולטוריות דורשות אפשרויות חומריות אופטימיזציה עבור סוגיות EMC ספציפיות.כאן הם תרחישים נפוצים ואסטרטגיות חומרים המומלצים.

High-Speed Digital (SerDes, Gigabit Ethernet, DDR)

עבור ממשקים הפועלים מעל 1 Gbps, היושרה אות ו- EMC הם יחד עם חומרים בשימוש הדוק עם Dk בין 3.5 ל- 4.0 (למשל, מגרון 6 או Isola I-Tera MT40) המספקים Df נמוך יותר מאשר סטנדרטי FR-4 (0.005-0.008 ב 1 GHz). אלה ירידה ב- jitter, אשר בתורוריד את התוכן הרמוני כי הוא ריפאציה נמוכה יותר כי הוא דחף פחמן נמוך יותר.

RF ו Wireless (Wi-Fi, Bluetooth, 5G mmWave)

תדרי הפעלה מ-2.4 GHz ל-40+GHz דורשים חומרים עם Df נמוך מאוד ויציב Dk בטמפרטורה (למשל, רוג'רס RO4000 סדרה או PTFE laminates) חומרים אלה ממזערים רעש בשלב פליטות מעוררות.עבור יישומים רגישים פאסיביים (PIM), לבחור דל-PIMminates עם נחושת חלקה.

כלי רכב ותעשייה (סביבה קשה)

עבור אלקטרוניקה חשופים לקיצוניות טמפרטורה, רטט, ולחות, יציבות חומרית היא רבת ערך. השתמש בחומרים של התחממות נמוכה כגון פולימד או שינוי FR-4 (למשל, Isola 370HR) אלה לשמור על Dk עקבי ו Df על טווח התפעול, מניעת השפלה EMC. עבור מסובכות גבוהה, תת-מגובה מתכת-מגובה יכול לספק הגנה תרמית וניהול.

מוצרי אלקטרוניקה עם Space Constraints

במכשירים קומפקטיים כמו טלפונים חכמים או עונדים, שבו שטח PCB מוגבל וצפיפות רכיב הוא גבוה, באמצעות חומרים עתירי Dk גבוה (למשל, מלוטשים מלאים קרמיקה עם Dk עד 10) יכול לעזור להפחית את גודל הלוח תוך שמירה על שליטה בעצירה.עם זאת, Dk גבוה מגביר את ההפיכה קצבית בין עקבות סמוכים ובין שכבות.

הנחיות מעשיות להחדיר את הבחירה החומרית ל-EMC Design Flow

ביצועי EMC אינם רק בעיה של חומרים; זהו נכס ברמה של מערכת.הצעדים הבאים משלבים את הבחירה החומרית בתהליך העיצוב הכולל.

  1. (FLT:0)Define the פליטה וחסינות מטרות LT:1 מוקדם, בהתבסס על שוק היעד (FCC, CE, RCM וכו ') ואת הסביבה התפעולית (תעשייתית, רפואית, רכב).
  2. (FLT:0) המועמדים החומריים של הנבחרות (Quose) אשר עומדים בדרישות חשמל (Dk Purpose, Df Limit, Df Limit, Impedance) ומגבלות הייצור (שכבות, אמינות תרמית, עלות).
  3. (FLT:0) סימולציה לפני עיכובים 1 (FLT:1) באמצעות מודלים חומריים הכוללים Dk / Df וחוספס נחושת. Simulate crosstalk, Impedance mismatch, ו-Mode זרמים.
  4. (ב) ,0) ,Optimize ערימה של ערימה 1 (upFLT:1) כדי לספק קפיטלנטיות מטוס נאותה ולהחזיר את נתיב ההמשכיות. השתמש בדיאלקטריות דקות בין חשמל למטוסים קרקעיים אם יש צורך בעומס גבוה.
  5. (FLT:0)Validate עם EMC טרום ציות בדיקות FLT 1:1 על לוחות אבטיפוס.אם פליטות עולה על גבולות, לשקול מעבר לחומרים נמוכים יותר או תת-דכ גבוה יותר עבור קיבולת שדה הדוק יותר.
  6. (FLT:0) תכונות חומריות של ניהול 1:1 בשטר העיצוב של חומרים, מציין Dk, Df, וסוג נחושת.זה מבטיח היצרן משתמש בתיקון החומרי הנכון.

עלויות לעומת ביצועי המסחר-Offs

חומרים בעלי ביצועים גבוהים מגיעים פרמיה - לפעמים 3-5× העלות של סטנדרטי FR-4 רגל מרובע. עבור מוצרים רבים, EMC נאותה ניתן להשיג עם FR-4 באמצעות פריסה זהירה, שימוש של ferrite נחנק, ומגן פחיות.ההוצאה הנוספת של laminates מיוחדים יש לשקול נגד החיסכון ממגן מופחת, פחות רכיבים מסנן, מהר יותר זמן לשוק.

מהנדסים צריכים גם לשקול את העלות הכוללת של הבעלות: חומר שמשפר את EMC עשוי לאפשר למוצר לעבור תאימות ללא ferrite beads או מסגרי מתכת נוספים, צמצום הרכבה ועלויות החומריות על פני הייצור.

מגמות עתידיות ב- PCB חומרים עבור EMC

המשך לדחוף לעבר שיעורי נתונים גבוהים יותר, גורמי צורה קטנים יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר היא נהיגה חדשנות חומרית.חדש תרמוסט תרמוסט רזוס (למשל, שינוי PPE ומערכות הידרוקרבן) מציעים Dk מתחת ל-3.5 עם Df מתחת 0.002 בשעה 10 GHz תוך שמירה על עיבוד PCB קונבנציונלי. Embeddedפאסיביים ו סופגנים משולבים אלקטרומגנטיים הם גם מתעוררים - שבו אובדן דיאלקטרי ממוקם קרוב לרקמות רועשות כדי לעצור את הטבעת.

חומרים עם תכונות אלקטרומגנטיות פעיל, כגון כימות מגנטיות מורכבות כי להגדיל את ההשכלה לכל אורך יחידה עבור סינון משותף-מודה, הם נחקרים אך עדיין לא נרחבים. מעצבים צריכים להישאר מעודכן על הודעות סטראט חדשות מספקים גדולים כמו רוג'רס, Isola, Taconic, Panasonic, כמו אלה יכולים לספק יתרונות תחרותיים בביצועים EMC.

מסקנה

בחירת חומרי PCB היא מרכיב יסוד של עיצוב EMC. קבוע דיאלקטרי, אובדן שיזוף, סולגמנט נחושת, ותכונות ספיגה לחות להשפיע ישירות על האופן שבו אותות propagate, איך אנרגיה אבודה, וכיצד שדות אלקטרומגנטיים זוג. על ידי התאמת תכונות חומריות לתדירות התפעולית, תנאים סביבתיים, דרישות רגולטוריות, מהנדסים יכולים להפחית באופן משמעותי פליטות קרינה ולשפר חסינות ללא צורך יקר לאחר תיקון ה-העובדים.

גישה ממושמעת – הגנה על דרישות EMC מוקדם, מפשטת עם מודלים חומריים מדויקים, אופטימיזציה של ערימה ומניעה, ואמת באמצעות בדיקות טרום-ציות - עיצובים אמינים, עלות-תועלתיים. בעוד שפלים בעלי ביצועים גבוהים אינם תמיד הכרחיים, הבנת היתרונות שלהם מאפשר מסחר-offs. בסופו של דבר, מערכת היחסים בין חומר ו-EMC היא אחד הביצועים החזקים ביותר עבור ה-iOSIQIQ מסוגל להשיג את ה-to-to-to-to-to-to-to-Fireativesto-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

ניתן למצוא משאבים נוספים על בחירת חומרים עבור EMC:0 (Rogers CorporationEMC Design GuidementerFLT:1 ו-FLT:2, ספריית ISola Group Technical StructureFLT 3: For a כללי של תקני EMC, עיין ב-FLT:4FCC EMC מידע דפיםFLT:5).