Technologie PCB - Guide de conception de PCB haute vitesse IX: comment maîtriser les caractéristiques de l'encapsulation IC

Placer le condensateur de découplage directement dans le boîtier IC permet de contrôler efficacement l'EMI et d'améliorer l'intégrité du signal. Cet article commence par l'encapsulation interne de l'IC, analyse l'origine de l'EMI et le rôle de l'encapsulation de l'IC dans le contrôle EMI, puis propose 11 règles de conception efficaces pour le contrôle EMI, y compris le choix de l'encapsulation, la prise en compte de la structure des broches, les méthodes de conception des pilotes de sortie et des condensateurs de découplage, etc., Aidez les ingénieurs de conception à choisir la puce de circuit intégré la plus appropriée dans une nouvelle conception pour obtenir les meilleures performances de suppression EMI. Les technologies de contrôle EMI existantes au niveau du système comprennent:

(1) le circuit est emballé dans une boîte Faraday (Notez que le boîtier mécanique contenant le circuit doit être scellé) pour réaliser le blindage EMI;

(2) la carte ou le port d'E / s du système adopte la technologie d'atténuation filtrée pour réaliser le contrôle EMI;

(3) Blindage strict du champ électrique et magnétique du circuit de courant, ou l'adoption de la technologie de conception appropriée sur la carte, contrôle strict de la capacité et de l'inductance des traces de PCB et de la couche de carte (auto - blindage), améliorant ainsi les performances EMI.

Le contrôle EMI nécessite généralement une combinaison des techniques ci - dessus. En général, plus vous êtes proche de la source EMI, moins il vous en coûtera pour mettre en œuvre le contrôle EMI. Les puces de circuits intégrés sur PCB sont la source d'énergie la plus importante pour EMI. Ainsi, si vous pouvez obtenir un aperçu des caractéristiques internes des puces de circuits intégrés, vous pouvez simplifier le contrôle EMI dans les conceptions de PCB et de niveau système.

Les ingénieurs de conception au niveau de la carte PCB et du système pensent souvent que la source EMI à laquelle ils ont accès est le PCB. De toute évidence, au niveau de la conception de PCB, il est vraiment possible de faire beaucoup pour améliorer l'EMI. Cependant, lors de l'examen du contrôle EMI, les ingénieurs de conception devraient d'abord considérer le choix de la puce IC. Certaines caractéristiques des circuits intégrés, telles que le type de boîtier, la tension de polarisation et les procédés à puce tels que CMOS, ECL, TTL, etc., ont une grande influence sur les perturbations électromagnétiques. Cet article se concentrera sur ces questions et discutera de l'impact des ci sur le contrôle de l'IME.

1. Sources de perturbations électromagnétiques

La fréquence du signal carré produit en sortie n'est pas la seule composante fréquentielle conduisant à l'EMI lors de la transition du circuit intégré numérique du Haut logique au bas logique ou du bas logique au Haut logique. Les ondes carrées contiennent des composantes harmoniques sinusoïdales avec une large gamme de fréquences qui constituent les composantes fréquentielles EMI qui intéressent les ingénieurs. La fréquence EMI la plus élevée est également appelée bande passante d'émission EMI et elle est fonction du temps de montée du signal et non de la fréquence du signal. La formule de calcul de la bande passante EMI est: f = 0,35 / tr

Où: F est la fréquence en gigahertz; Tr est le temps de montée ou de descente du signal en NS (nanosecondes).

De la formule ci - dessus, il n'est pas difficile de voir que si la fréquence de commutation du circuit est de 50 MHz et que le temps de montée de la puce de circuit intégré utilisée est de 1 NS, la fréquence d'émission EMI la plus élevée du circuit atteindra 350 MHz, ce qui est bien supérieur à La fréquence de commutation du circuit. Si le temps de montée de l'IC est de 500 ps, la fréquence d'émission EMI la plus élevée du circuit sera jusqu'à 700 MHz. Comme on le sait, chaque valeur de tension dans un circuit correspond à un certain courant, et chaque courant a une tension correspondante. Lorsque la sortie de l'IC passe de Logic High à Logic Low ou de Logic Low à Logic high, ces tensions de signal et ces courants de signal vont générer des champs électriques et magnétiques dont la fréquence la plus élevée est la bande passante d'émission. L'intensité des champs électriques et magnétiques et le pourcentage de rayonnement externe ne sont pas seulement fonction du temps de montée du signal, mais dépendent également du contrôle de la capacité et de l'inductance sur le trajet du signal entre la source du signal et le point de charge. Ici, la source du signal est sur le PCB. Le ci est à l'intérieur de la carte et la charge est à l'intérieur des autres ci. Ces IC peuvent ou non être sur le PCB. Pour contrôler efficacement l'EMI, il est nécessaire de prêter attention non seulement à la capacité et à l'inductance de la puce IC elle - même, mais également à la capacité et à l'inductance présentes sur le PCB.

Lorsque le couplage entre la tension de signal et la boucle de signal n'est pas serré, la capacité du circuit diminue et donc l'effet inhibiteur sur le champ électrique diminue, augmentant ainsi l'EMI; Il en va de même pour les courants dans le circuit, qui, s'ils sont mal couplés entre les mêmes trajets de retour, vont inévitablement augmenter l'inductance sur la boucle, renforçant ainsi le champ magnétique et conduisant finalement à une augmentation de l'EMI. En d'autres termes, un mauvais contrôle du champ électrique entraîne généralement une mauvaise inhibition du champ magnétique. Les mesures utilisées pour contrôler les champs électromagnétiques dans les cartes sont généralement similaires à celles utilisées pour supprimer les champs magnétiques dans les boîtiers IC. Tout comme la conception de PCB, la conception de l'emballage IC aura un impact considérable sur l'EMI.

Une partie importante du rayonnement électromagnétique dans le circuit est causée par des transitoires de tension dans le bus d'alimentation. Lorsque l'étage de sortie de l'IC saute et conduit la ligne PCB connectée à un "haut" logique, la puce IC absorbe le courant dans l'alimentation et fournit l'énergie nécessaire à l'étage de sortie. Pour les courants hyperfréquences générés par la conversion continue du ci, le bus d'alimentation part du réseau de découplage sur le PCB et se termine à l'étage de sortie du ci. Si le temps de montée du signal de l'étage de sortie est de 1,0 NS, le ci doit puiser suffisamment de courant dans l'alimentation pour piloter la ligne de transmission sur le PCB pendant un court laps de temps de 1,0 ns. les transitoires de tension sur le bus d'alimentation dépendent de l'inductance dans le trajet du bus d'alimentation, du courant absorbé et du temps de transit du courant. Les transitoires de tension sont définis par la formule suivante: v = LDI / DT,

Où: l est la valeur de l'inductance sur le trajet de transmission du courant; Di représente la variation de courant dans l'intervalle de temps de montée du signal; DT représente le temps de transmission courant (temps de montée du signal).

Comme les broches IC et les circuits internes font partie du bus d'alimentation et que le courant absorbé et le temps de montée du signal de sortie dépendent en partie de la technologie de traitement de l'IC, la formule ci - dessus peut être largement contrôlée en choisissant un IC approprié. Les trois éléments mentionnés.

2. Rôle de l'encapsulation de circuit intégré dans le contrôle des interférences électromagnétiques

Un boîtier IC comprend généralement: une puce à base de silicium, un petit PCB interne et des plots. La puce à base de silicium est montée sur un petit PCB et la connexion entre la puce à base de silicium et les Plots est réalisée par des lignes de jonction, une connexion directe peut également être réalisée dans certains boîtiers. Le petit PCB permet la connexion entre le signal et l'alimentation sur la puce à base de silicium et les broches correspondantes sur le boîtier IC, permettant ainsi l'expansion externe des nœuds de signal et d'alimentation sur la puce à base de silicium. Les voies de transmission d'alimentation et de signal qui pénètrent dans l'IC comprennent: une puce à base de silicium, une connexion à un petit PCB, des traces de PCB et des broches d'entrée et de sortie pour le boîtier IC. Le contrôle de la capacité et de l'inductance (correspondent aux champs électriques et magnétiques) dépend en grande partie de la conception de l'ensemble du chemin de transmission. Certaines caractéristiques de conception affecteront directement la capacité et l'inductance de l'ensemble du boîtier de la puce IC.

Commencez par regarder la connexion entre la puce à base de silicium et la petite carte interne. De nombreuses puces IC utilisent des fils de jonction pour réaliser la connexion entre la puce à base de silicium et la petite carte de circuit interne, une ligne de vol très fine entre la puce à base de silicium et la petite carte de circuit interne. Cette technologie est largement utilisée en raison du coefficient de dilatation thermique (CTE) similaire des puces à base de silicium et des petites cartes à l'intérieur. La puce elle - même est un dispositif à base de silicium dont le coefficient de dilatation thermique est très différent de celui d'un matériau PCB typique, tel qu'une résine époxy. Si les points de connexion électrique de la puce à base de silicium sont montés directement sur un petit PCB à l'intérieur, alors après un temps relativement court, la température interne du boîtier IC provoquera une dilatation thermique et une contraction thermique, et une telle connexion échouera par rupture. Le câblage est une méthode de câblage adaptée à cet environnement particulier. Il résiste à beaucoup de flexion et de déformation et ne se casse pas facilement.

Le problème avec l'utilisation de lignes de jonction est qu'une augmentation de la surface de la boucle de courant pour chaque ligne de signal ou ligne d'alimentation entraînera une augmentation de la valeur de l'inductance. Une bonne conception pour obtenir des valeurs d'inductance plus faibles est de réaliser une connexion directe entre la puce à base de silicium et le PCB interne, c'est - à - dire que les points de connexion de la puce à base de silicium sont directement connectés aux Plots du PCB. Cela nécessite l'utilisation d'un substrat de carte PCB spécial qui devrait avoir un cte très faible. Le choix de ce matériau entraînera une augmentation du coût total de la puce IC. Les puces utilisant cette technologie de procédé ne sont donc pas courantes, mais l'utilisation d'un tel dispositif IC est un meilleur choix tant que l'IC reliant directement la puce à base de silicium au PCB porteur est présent et réalisable dans le schéma de conception.

D'une manière générale, dans la conception de boîtier IC, la réduction de l'inductance et l'augmentation de la capacité entre le signal et le circuit correspondent ou entre l'alimentation et la masse sont préférées pour le processus de sélection d'une puce de circuit intégré. Par exemple, les techniques de montage en surface à petit pas doivent être comparées aux techniques de montage en surface à grand pas. Les puces IC encapsulées avec une technologie de montage en surface à petit pas doivent d'abord être sélectionnées, les puces IC encapsulées de ces deux technologies de montage en surface étant meilleures que les boîtiers de type overlead. Les puces IC encapsulées BGA ont l'inductance de plomb la plus faible par rapport à tout type de boîtier couramment utilisé. Un boîtier plus petit et un espacement plus fin représentent généralement une amélioration des performances du point de vue du contrôle capacitif et inductif.

Une caractéristique importante de la conception de la structure de la broche est la distribution des broches. Comme les valeurs de l'inductance et de la capacité dépendent de la proximité du signal ou de l'alimentation avec le chemin de retour, un chemin de retour suffisant doit être considéré.

Les broches d'alimentation et de mise à la terre doivent être distribuées par paires, chaque broche d'alimentation doit avoir une broche de mise à la terre correspondante adjacente l'une à l'autre, et plusieurs paires de broches d'alimentation et de mise à la terre doivent être distribuées dans cette structure de broche. Ces deux caractéristiques réduiront considérablement l'inductance de boucle entre l'alimentation et la masse et contribueront à réduire les transitoires de tension sur le bus d'alimentation et donc l'EMI. Pour des raisons habituelles, de nombreuses puces IC sur le marché ne suivent pas exactement les règles de conception ci - dessus. Cependant, les concepteurs et les fabricants d'IC ont une compréhension profonde des avantages de cette approche de conception, de sorte que les fabricants d'IC sont plus enclins à concevoir et à publier de nouvelles puces IC. Faites attention aux connexions électriques.

Idéalement, une broche de retour de signal adjacente (par exemple, une broche de mise à la terre) est affectée à chaque broche de signal. Ce n'est pas vraiment le cas, même les fabricants de circuits intégrés les plus avant - gardistes n'ont pas alloué les broches des puces IC de cette manière, mais ont adopté d'autres méthodes de compromis. Dans un boîtier BGA, une méthode de conception efficace consiste à placer une broche de retour de signal au centre de chaque groupe de huit broches de signal. Dans cet agencement de broches, chaque signal est situé entre chaque signal et la voie de retour du signal. La différence réside dans une seule broche. Pour le Quad plane Packaging (qfp) ou d'autres circuits intégrés de type goéland, il n'est pas réaliste de placer la voie de retour du signal au Centre du Groupe de signaux. Même dans ce cas, vous devez vous assurer que vous placez une broche de retour de signal toutes les 4 à 6 broches pour chaque broche. Il convient de noter que différentes techniques de processus IC peuvent utiliser différents signaux pour renvoyer la tension. Certains ci utilisent une broche de terre (comme les dispositifs TTL) comme chemin de retour du signal, tandis que d'autres utilisent une broche d'alimentation (comme la plupart des dispositifs ECL).