PCB Tasarımda Elektromanyetik Uyumluluk Anlamak

Elektromanyetik uyumluluk (EMC), tahta substratı için seçilen malzemelerden, bakır folyoya, satılan tabakalara müdahale etme veya dış kaynaklardan müdahale etmeye duyarlı hale getirme yeteneğidir.In baskılı devre kurulu (PCB) tasarımı, EMC performansı, bakır folyoya, satılana göre ağır bir şekilde etkilenir.

Zavallı EMC, 31. FDT Bölüm veya CIS 32 gibi standartları aşan emisyonların yayıldığı veya gürültülü ortamlardaki yanlış performansa neden olan bağışıklık başarısızlıklarının nasıl optimize edileceği konusunda ortaya çıkabilir.Her iki sonuç da pahalıya mal olabilir, gecikmiş zaman-pazara, veya ürün elektromanyetik davranışı nasıl etkilediğine göre, mühendisler tasarım sürecinde erkenden karar verebilirler.

Anahtar Malzeme Parametreleri Etkisi EMC

PCB materyallerin elektromanyetik özellikleri birkaç temel parametre tarafından tanımlanır. EMC için en önemli şey, iz, uçaklar ve dış yapılar arasındaki elektromanyetik alanlardır.

Dielektrik Constant (Dk)

Dielektrik sabiti, Dk'deki varyasyonların yansımalara yol açan yanlış uyumları kontrol eder ve düşük ve sabit bir Dk (örneğin, düşük çözünürlükte RF laminatlar) düşük frekans aralığında kontrol edilen EMC sorunlarının azaltılmasına yardımcı olur.

Dk değerlerinin düşük frekanslarda (1 MHz veya 1 GHz) ölçüldüğü ve yüksek frekanslarda% 5–15 oranında değişebileceğini belirtmek önemlidir.1 GHz'nin üzerinde çalışan mühendisler Dk'i frekans eğrilerine karşı kullanmalıdır. Bazı gelişmiş malzemeler, anisotropic Dk'i (X, Y ve Z rotalarında farklı), bu da diferansiyel skew'ye neden olabilir ve elektrik alanlarını artırmak için - hem de EMC'ye zarar vermek için.

Dissipation Faktör (Df) ve Kayıp Tangent

Dağıtım faktörü, sinyal enerjisinin yarıya indirgenmesi için döngü başına ısıya dönüştürülür. Daha yüksek Df, yüksek frekanslı sinyal bileşenlerinin daha iyi bir şekilde değerlendirilmesini sağlar, ancak bu, boşluk yapılarındaki ısıtılması ve potansiyel rezonans etkilerini azaltır.

Filtre (Teflon) veya seramik dolu laminatlar gibi son derece düşük Df (pört 0.002) ile malzeme, minimum sinyal kaybının kritik olduğu mikrodalga uygulamalarda kullanılır.Özellikle de nemli ortamlarda Df değerleri.

Bakır

bakır folyonun yüzey kabalığı, özellikle de yan tarafta, iletken kayıplar ve yetersiz kontrolleri etkiler. kaba folyo, deri etkisi nedeniyle yüksek frekanslarda direnç gösterir, hangi en iyi güvenilirlik için, özellikle de eMI., Smooth folyolar için (örneğin, eklenmiş veya çok düşük profil elektrot depolanır) kayıpları azaltır, ancak substratlara karşı daha zayıf adlar olabilir.En iyi EMC için, özellikle de kritik yüksek frekanslı izlerini azaltan folyo profilleri seçin.

Substrate Type EMI ve Emission Performanslarını Nasıl Etkiler

Farklı PCB substratı malzemeleri geniş ölçüde farklı elektromanyetik davranışlar sergiliyor. Aşağıda ortak substrat türlerini ve radiated emisyonlar üzerindeki etkilerini inceliyoruz, emisyonlar ve susceptability.

Standart FR-4

FR-4, PCB endüstrisinin işhorları, alev-retçi epoxy reçinesi ile takviye edilen cam elyaftan yapılmış, dielektrik sabit tipik olarak 4.3 ila 4.7 ( 1 MHz) arasında bir dağıtım faktörü ile ortalama 0.02. EMC için, FR-4, sabit olarak tasarlanmış elektrik özellikleri için yeterli. ancak, onun orta Dk ve Df daha yüksek frekanslarda sorunlu olabilir: kaybın 1-0.2 üzerindeki malzemede anlamlı artışlar 1-0.2,3'e kadar yüksek nemlendirici (% 0.1-0.2)

FR-4 ayrıca "camdan etki" muzdariptir: Dk'deki periyodik değişiklikler bunu azaltabilir, ancak kritik EMC gereksinimleri için, daha yüksek performanslı malzemeler önerilir. Bu, gigabit-hızlı bir emisyon kaynağıdır.

Yüksek Yeterlik Laminatları (Rogers, Isola, Taconic)

Özelleştirilmiş RF laminatlar, Dk değerleri 2.2 (PTFE/ceramic) ve Df'yi alt 0.001'in altında sunar. Bu malzemeler, frekans ve sıcaklık üzerindeki mükemmel boyutsal stabilite, düşük nem absorpsiyonu ve tutarlı elektrik özellikleri sağlar.For EMC için, sıkı yönlendirme gecikme gecikme gecikmesine izin verir, azaltım gecikme gecikme gecikmesi ve daha düşük ekleme kaybı sağlar.

Ancak, bu substratlar daha pahalı, farklı işleme gereksinimlerine sahiptir (örneğin, HDMI veVPN için baskı), ve genellikle sadece standart FR-4 ile tanışmadığında daha sıkı bir şekilde kullanılır.

Metal-Backed Substrates ve Gömülü Shielding

Aşırı EMI'nin gerektirdiği uygulamalar için, metal destekli PCBler (bir alüminyum veya bakır baz plaka ile) doğal koruyucular sağlar. Metal tabakalar büyük bir zemin düzlem olarak çalışır, absorbe edilir ve radiçekli bir enerjiyi yansıtabilir. Ancak, bu substratlar ağırlık ekleyebilir, maliyet ve üretim karmaşıklığı (örneğin, metale bağlantıların termal yönetimi).

EMC için Malzeme Faydalarını Geliştiren Tasarım Uygulamaları

En iyi malzeme bile kötü düzen için telafi edemez. Malzeme seçimi ve yönetim kurulu geometrisinin kombinasyonu EMC performansını belirler. Aşağıda, materyal özellikleri ile sinerjik olarak çalışan temel tasarım uygulamaları vardır.

Impedance ve Trace Geometry

Properly tasarlanmış mikrostrip ve striptiz geometrileri, sinyal yansımalarının en aza indirilmesini sağlar. substrat Dk doğrudan belirli bir hedef için gerekli olan iz genişliği ve yüksekliğini belirli bir hedefle doğrulamaktadır. Malzemeleri sıkı Dk toleransları ile kullanın (örneğin, ±2% 10) tahtadaki olumsuzluktan daha düşük bir şekilde azaltır.

Katman Stack-Up ve Plane Capacitance

Güç ve zemin uçaklarla çok katmanlı tahtalar yüksek frekanslı gürültüyü filtreleyen kapasitance yaratırlar. malzemenin dielektrikleri, özellikle yüksek Dk alanı ile sabitler (örneğin, 1 mil daha yüksek kapasiteli) daha yüksek Dk verim sağlar, bu da güçten etkilenen Dkökler için sık sık sık sık sık sık sık Dkökler için güç tabakalarını azaltır.

Yer ve Via Stitching

Mevcut yollar mümkün olduğunca kısa ve doğrudan olmalıdır. dielektrik materyalinin izin verme özelliği bir iz ve geri dönüş uçağı arasında darbe mesafeyi etkiler.Daha yüksek Dk ile malzeme ve dielektrikli emisyonlar azaltın. Ek olarak, yapı ile zemine doğru dikme (parçalama) ve alt kattaki eğimler ile zemini etkiler.

Diferansiyel İşaretleme ve Skew Kontrol

Diferansiyel çiftler, ortak mod gürültüsünü iptal etmek için simetrik bir yayılıma güveniyor.Dk'ta Dk'te özellikle de cam-reinforced malzemelerde - bir çift arasındaki skew'ya neden olabilir.Bu pelw aynı camda disko-modeal-modeal-modeal-modasyonlar kullanılarak, özellikle de alüminyum veya Rogers 3000 serisine sahip malzemeler kullanarak.

Özel EMC Challenges için malzeme seçimi

Farklı ürün kategorileri ve düzenleyici gereksinimleri, belirli EMC sorunları için optimize edilmiş malzeme seçenekleri talep etmektedir. Burada ortak senaryolar ve önerilen materyal stratejileridir.

Yüksek Hızlı Dijital (SerDes, Gigabit Ethernet, Prat)

1 Gbps üzerinde çalışan arayüzler için, sinyal bütünlüğü ve EMC sıkı bir şekilde çiftleştirilmiştir.Dk ile Dk'yi 3.5 ve 4.0 arasında kullanın (örneğin, Megtron 6 veya Isola I-Tera MT40), yüksek frekanslarda Df'yi en aza indirmek için ultra düşük profildir.

RF ve Kablosuz (Wi-Fi, Bluetooth, 5G mmWave)

2.4 GHz'den 40+ GHz'ye kadar frekanslar, sıcaklık boyunca çok düşük Df ve stabil Dk ile malzeme gerektirir (örneğin, Rogers RO4000 serisi veya şampuan laminatları). Bu malzemeler en kısa faz gürültü ve şaşırtıcı emisyonlar için. pasif intermodülasyon (PIM) hassas uygulamalar için, düşük-PIM laminatları pürüzsüz bakır ile seçin.

Otomotiv ve Endüstri (Harsh Ortaları)

Elektronikler aşırı sıcaklık, vibrasyon ve nem için, malzeme stabilitesi önemlidir. Düşük gerilimli yüzeyler için hem termal yönetim hem de EMI kalkanı gibi metal-geri dönüşümlü yüzeyler kullanın.

Space Constraints ile Tüketici Elektronik

Akıllı telefonlar veya giyilebilir cihazlar gibi kompakt cihazlar, PCB alanı sınırlı ve bileşen yoğunluğu yüksek, yüksek seviyeli parçaları kullanarak (örneğin, seramik dolu laminatlar 10'a kadar) yönetim kontrolünü sürdürürken yönetim boyutunu azaltabilir. Ancak, yüksek Dk yüksek Dk, yüksek Dk yüksek Dk yüksek frekanslı izler ve katmanlar arasında parasitik darbeyi arttırır.

Malzeme Seçiminin EMC Tasarım Akışına Bütünleştirilmesi için Pratik Kılavuz

EMC performansı sadece bir malzeme sorunu değildir; bir sistem düzeyinde bir özelliktir. Aşağıdaki adımlar malzeme seçimi genel tasarım sürecine entegre eder.

  1. [FONT:0) Emisyon ve bağışıklık hedeflerini [Dönetici: 1) Hedef piyasa (FCC, CE, RCM, vs.) ve işletim ortamı (endüstriyel, tıbbi, otomotiv) ile ilgili olarak erkenden ilan edin.
  2. [0]Choose malzeme adayları [Dk hedefi, Df limiti, dürtü toleransı) ve üretim kısıtlamaları (katılım sayısı, ısı güvenilirliği, maliyet).
  3. [FONT=0)Run pre-layout simülasyonları[Df ve bakır kabalık içeren malzeme modelleri kullanarak. Simulate haçı, yanlış eşleme ve ortak mod akımları.
  4. [FONT=0) Uygun uçak kapasitesi ve geri dönüş yolu sürekliliği sağlamak için yığının indirilmesini (D) için Optimalzeme (D) için uygun bir düzlem kapasitesi ve geri dönüş yolu sürekliliği sağlamak. Yüksek frekanslı decoupling gerekliyse güç ve zemin uçaklar arasındaki ince dielektrikler kullanın.
  5. [FONT:0]Gaydate with EMC pre-compliance test[[[DKT:1] prototip kurullarda.Eğer emisyonlar limitleri aşsa, daha düşük bir malzemeye veya daha yüksek boyutlu bir alt substrata geçiş yapın.
  6. [FONT:0) Belgelerin malzeme özellikleri[DDDK, Df ve bakır folyo tipi belirteçleri. Bu, üreticinin doğru malzeme revizyonunu kullandığı anlamına gelir.

Maliyet vs. Performans Ticareti-Offs

Yüksek performanslı malzemeler bir prime gelir - bazen 3-5× kare başına standart FR-4 maliyetine karşı ölçülmelidir. Birçok ürün için, yeterli EMC, FR-4 ile dikkatli bir düzen yoluyla elde edilebilir, ferrite chokes'un kullanımı ve kalkanlamanın yerine, ek miktardaki laminatların maliyetinin azaltılabilir, daha az filtre bileşeni ve daha hızlı zaman-pazarlamanın. Bazı durumlarda, orta derecede daha iyi bir malzeme kullanarak (örneğin, Megtron 4) malzeme maliyetinin azaltılması için yeterince basitleştirilmesi gerekir.

Mühendisler ayrıca toplam mülk maliyetini de dikkate almalıdır: EMC'yi geliştiren bir malzeme, ek ferrite beads veya metal muhafaza olmadan bir ürüne uyum sağlamalarına izin verebilir, üretim sırasında montaj ve malzeme maliyetlerini azaltır.

Daha yüksek veri oranlarına doğru devam eden, daha küçük form faktörleri ve daha düşük güç tüketimi maddi inovasyonu sürüyor. Yeni düşük ahşap termoset reçineleri (örneğin, değiştirilmiş PPE ve hidrokarbon sistemleri) Dk'yi 10 GHz'nin altında Df'in altında tutmak ve geleneksel PCB işlemesini sağlamak için 10 GHz'in altında sunmak.

Aktif elektromanyetik özelliklerle malzeme, Rogers, Isola, Taconic gibi büyük laminatlardan bilgilendirilmiş olmalı ve Panasonic, bu da EMC performanslarında rekabetçi avantajlar sağlayabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

PCB malzeme seçimi EMC tasarımının temel bir öğesidir.Dielektrik sabit, kayıp tanjan, bakır folyo kabak ve nezor özellikleri doğrudan sinyallerin nasıl ortaya çıktığını etkiler ve elektromanyetik alanların nasıl çift olduğunu etkiler.

Disiplinli bir yaklaşım – EMC gerekliliklerini erken, doğru malzeme modelleriyle basitleştirmek, yığınlama ve yetersizlik arasındaki ilişkiyi doğrulamak – elektromanyetik uyumluluk elde etmek için tasarım mühendisinden biridir.

EMC için malzeme seçimine ek kaynaklar, EMC standartları genel bir bakış için, (FONT)C EMC bilgi sayfaları) ve [[Ücretsiz Grup Teknik Kütüphanesi) için.