Если говорить об электромагнитной совместимости (ЭМС), считается, что устройство работает устойчиво, если оно не излучает собственных
помех (эмиссия, emission) и не проявляет какой-либо реакции на помехи, излучаемые другими устройствами (имиссия, imission).
С технической точки зрения эти помехи вызываются передачей сигналов между компонентами устройства, либо между различными частями или
платами электронного прибора. Передача сигналов в сложных многослойных изделиях происходит, в большей степени, через сигнальные
проводники на печатных платах (иногда по оптическим каналам, прим. переводчика). Питание передается по областям металлизации или
сплошным слоям питания.
Необходимо принимать во внимание, что для каждой передачи сигнала требуется обратная цепь (т.н. Общая шина, Земля, GND), как и то, что
передача информации происходит не в двумерных слоях а в трехмерных электромагнитных полях. Поэтому любое устройство (и любая печатная
плата) представляет собой огромный электронный микромир с трудновообразимым разнообразием событий в самых малых пространствах.
Здесь лежит ключ к обобщенной стратегии достижения электромагнитной устойчивости.
Конструкция многослойных печатных плат состоит из наложенных друг поверх друга сигнальных слоев и сплошных слоев питания. При работе
устройства вырабатываемая, но невостребованная энергия излучается с краев областей питания. Принципы схемотехнической разработки
направлены на компенсацию этих эффектов, например, путем использования оконечной нагрузки сигнала, задания определенных сигнальных
свойств (полного сопротивления, импеданса) или высокоёмкой системы распределения цепей электропитания MultiPowerSystems (MPS).
Успех этих способов линейной передачи сигналов не может быть всеобъемлющим. С их помощью не удаётся достичь эффективного управления
электромагнитными полями в трехмерном пространстве.
Однако такое управление может быть обеспечено, если области поля разделены на части: на поверхности платы и внутри неё. В принципе,
это разделение может быть создано путем структурированного экранирования. Анализ конструкции многослойной печатной платы приводит к
простому выводу: каждый слой заканчивается прямоугольником на торце платы. Если рассуждать таким образом, то задачу можно считать
поставленной: управление трёхмерным электромагнитным пространством в печатной плате достигается экранированием её торцов.
Можно прогнозировать, что если это сделать, то электромагнитная совместимость платы значительно улучшится.
Рис. 1. Торцы всех металлизированных выфрезерованных контуров, за исключением небольших участков, имеют то же покрытие,
что и контактные площадки печатной платы.
Чтобы передать принцип работы системы экранирования, необходимо вначале описать процесс гальванической металлизации. Операция
металлизации — это неотделимый этап в процессе производства печатных плат. Соединение нескольких слоев платы выполняется с помощью
гальванотехнического процесса осаждения меди на внутренние стенки просверленных отверстий. С точки зрения топологии внутренние стенки
отверстия являются частью поверхности печатной платы.
Процесс гальванической металлизации, таким образом, всегда вызывает осаждение металла и на поверхности платы. Эта поверхность может
быть по-разному видоизмененой: она может включать отверстия, вырезы или фрезеровку. Если необходимо металлизировать торцевые
поверхности конечной платы, то в большинстве случаев потребуются лишь незначительные изменения в последовательности выполнения операций.
Металлизируемые торцевые поверхности не выполняются на одной из последних операций (как это бывает обычно), а должны быть созданы ещё
до процесса металлизации. В этом случае для получения контура платы рекомендуется использовать фрезеровку поскольку при использовании
фрезеровки можно без проблем получить прямой или скругленный контур. Также на этом этапе можно выполнить вырезы в середине платы и/или
частичную фрезеровку контура. Фрезеровка может применяться для прорезания контура платы на полную её толщину.
В любом случае можно заметаллизировать несковозные пазы на плате, прорезая поверхность заготовки только на определенную глубину. Если
требуется металлизация всего внешнего контура ПП, необходимо принять во внимание, что для следующих операций изготовления и/или сборки
печатной платы на её контуре потребуется наличие перемычек шириной 1-2 мм, предназначенных для удержания платы в заготовке, и эти
выступы не смогут быть металлизированы (см. рисунок 1, область, обведённую жёлтой окружностью). Края всех металлизированных фрезерованных контуров получат такую же конечную гальваническую металлизацию, как и вся плата.
Затраты на металлизацию торцов довольно низкие. Любой производитель печатных плат обладает гальванической линией металлизации и
оборудованием для фрезеровки. Таким образом, дополнительных инвестиций в оборудование или новый процесс не потребуется. Выбор
«металлизировать торцы: ДА/НЕТ» должен быть сделан только при определении последовательности выполнения производственных операций.
Теплоотвод
Рис. 2. Компактная область на поверхности платы не позволяет достичь таких возможностей по распространению тепла и тепловой
проводимости, как лента металлизированного торца вокруг печатной платы.
Изначально причиной выполнения металлизации торцов была электромагнитная совместимость электроники. Очень быстро стало очевидным, что
при этом также существенно улучшается охлаждение печатной платы. Разработка все более и более функциональной и мощной электроники,
занимающей все меньшее пространство, неизбежно приводит к проблемам с избыточным теплом. Отвод тепла с помощью дополнительных мер
(радиаторов, кожухов) приводит к увеличению габаритов и стоимости изделия.
Таким образом, одной из стратегических целей автоматизированного проектирования и конструирования устройств должно стать интегрирование
средств отвода тепла в конструкцию многослойного изделия. В дополнение к конструкционным характеристикам многослойных плат (слои из
толстой меди, системы с несколькими слоями питания), в состав теплоотвода печатной платы должен быть включён и её проводящий рисунок.
Факт, что металлизация торцов платы вносит отнюдь не незначительный вклад в решение данной задачи, вытекает из расчета площади
торцевой поверхности стандартной европлаты (100×160 мм). Эта площадь составляет 2 x (10+16) x 0,15=7,80 см?. В современных конструкциях
довольно трудно можно выделить такую свободную область на внешних слоях, предназначенную для охлаждения платы. Кроме того, следует
принять во внимание качество отвода тепла через торцевые поверхности печатной платы.
Компактная область на внешнем слое платы не может настолько эффективно распространять и проводить тепло, как ленточная замкнутая
область, расположенная по контуру (см. рисунок 2).
Целостность сигналов
Рис. 3. В центральной области разъём имеет металлическую контактную поверхность, которая также служит поверхностью с нулевым
потенциалом. С задней стороны эта контактная поверхность соединяется с частично металлизированным торцом печатной платы.
В отрасли производства компонентов уже признали, что металлизация торцов, в принципе, является преимуществом для целостности сигналов
при передаче сигнала от ведущего к перефирийным устройствам. Во всех электронных устройствах с особыми требованиями (например, при
низковольтной дифференциальной передаче сигналов (LVDS) и в высокоскоростных устройствах) слабым местом является соединение устройства
с кабелем и/или разъемом.
На расстоянии нескольких миллиметров от края печатной платы до кабеля может отсутствовать экранирование или непрерывный качественный
нулевой потенциал. Результатом могут стать хорошо заметные искажения сигнала. Качество сигнала может быть обеспечено, если печатная
плата, разъём и кабель образуют единое целое.
Эта задача решается с помощью разъёмов, присоединяемых к металлизированным торцевым поверхностям платы. Дифференциальные сигналы
передаются с верхней и нижней частей разъёма на верхнюю и нижнюю стороны печатной платы. В центральной части разъём имеет металлическую
контактную поверхность, которая одновременно является поверхностью с нулевым потенциалом. С задней стороны эта контактная поверхность
соединяется с частично металлизированным торцом печатной платы (см. рис. 3). Таким образом, при идеальных условиях каждый сигнал
сталкивается с однородным электромагнитным полем через разъём от кабеля к входным компонентам печатной платы.
Результат
Металлизация торцов обеспечивает хорошо измеряемые преимущества при пренебрежительно малом увеличении стоимости устройств с
современными или особыми требованиями к электромагнитной совместимости, целостности сигналов и охлаждению. Электромагнитная
устойчивость платформы “meltemi” настолько впечатляюща, что уже стала легендарной фраза сотрудника лаборатории по контролю за
электромагнитной совместимостью: «Я ничего не могу обнаружить, должно быть, сломался щуп».
Комментарии
Третье измерение печатных плат
Можно было ожидать, что уже все продумано до конца. По крайней мере в том, что касается технологии производства печатных
плат. Мы оставили позади соединения высокой плотности и переходные отверстия, получаемые лазером, следующей будет технология
микротонких линии (micro fine line), но это все не более чем механика. Меньше, тоньше, дешевле — девиз технологии
производства плат. Против этих выступают основ те, кто осмеливается говорить о сенсационных результатах в области
электрофизических свойств печатных плат.
До настоящего времени вряд ли кто-то интересовался торцевыми поверхностями печатных плат
Иногда решения настолько просты, что возникает вопрос: почему никто не догадался об этом раньше. Возможно, философы среди
криптографов говорят правду: «ничто не спрятано лучше, чем очевидное». Тот, кто имеет дело с печатными платами
в течение всего своего рабочего дня, знает, что есть сторона компонентов и сторона пайки, также иногда называемые верхней
и нижней или первой и второй сторонами. Если у платы есть другие слои, они также будут тщательно пронумерованы
и обязательно получат названия.
Третье измерение печатной платы — торцевая поверхность — не имеет названия. До настоящего времени
вряд ли кто-то интересовался ей. В будущем это измениться.
