PCB Tecnico - Guida alla progettazione PCB ad alta velocità Nine: come padroneggiare le caratteristiche dell'imballaggio IC

Posizionare il condensatore di disaccoppiamento direttamente nel pacchetto IC può efficacemente controllare EMI e migliorare l'integrità del segnale. Questo articolo inizia con il packaging interno dell'IC, analizza la fonte dell'EMI e il ruolo dell'imballaggio IC nel controllo EMI, e poi propone 11 regole di progettazione efficaci del controllo EMI, tra cui la selezione del pacchetto, considerazioni sulla struttura dei pin, driver di uscita e metodi di progettazione del condensatore di disaccoppiamento, ecc., aiutare i progettisti a scegliere il chip integrato più appropriato del circuito in un nuovo design per ottenere le migliori prestazioni di soppressione EMI. Le tecnologie di controllo EMI esistenti a livello di sistema comprendono:

(1) Il circuito è racchiuso in una scatola Faraday (notare che il pacchetto meccanico contenente il circuito dovrebbe essere sigillato) per ottenere la schermatura EMI;

(2) la tecnologia di filtraggio e attenuazione è adottata sul circuito stampato o sulla porta I/O del sistema per ottenere il controllo EMI;

(3) schermare rigorosamente il campo elettrico e il campo magnetico del circuito di corrente, o adottare tecniche di progettazione appropriate sul circuito stampato per controllare rigorosamente la capacità e l'induttanza delle tracce PCB e degli strati del circuito stampato (auto-schermatura), migliorando così le prestazioni EMI.

Il controllo EMI richiede solitamente una combinazione delle tecnologie di cui sopra. In generale, quanto più si avvicina alla fonte dell'IME, tanto minore è il costo necessario per ottenere il controllo dell'IME. Il chip del circuito integrato sul PCB è la fonte di energia più importante di EMI. Pertanto, se è possibile comprendere in profondità le caratteristiche interne del chip del circuito integrato, è possibile semplificare il controllo EMI nel PCB e nel design a livello di sistema.

Gli ingegneri di progettazione a livello di scheda PCB e di sistema di solito credono che la fonte EMI che possono raggiungere sia il PCB. Ovviamente, a livello di progettazione PCB, molto lavoro può essere fatto per migliorare EMI. Tuttavia, quando si considera il controllo EMI, i progettisti dovrebbero prima considerare la scelta del chip IC. Alcune caratteristiche dei circuiti integrati, come il tipo di pacchetto, la tensione di bias e la tecnologia di processo chip (come CMOS, ECL, TTL), ecc., hanno una grande influenza sulle interferenze elettromagnetiche. Questo articolo si concentrerà su questi temi e discuterà l'impatto del IC sul controllo EMI.

1. La fonte dell'IME

Durante la transizione dei circuiti integrati digitali da logica alta a logica bassa o da logica bassa a logica alta, la frequenza del segnale ad onda quadrata generato all'uscita non è l'unica componente di frequenza che causa EMI. L'onda quadrata contiene componenti armonici sinusoidali con un'ampia gamma di frequenze, e questi componenti armonici sinusoidali costituiscono i componenti di frequenza EMI a cui gli ingegneri si preoccupano. La frequenza EMI più alta è anche chiamata larghezza di banda di emissione EMI ed è una funzione del tempo di aumento del segnale piuttosto che della frequenza del segnale. La formula per calcolare la larghezza di banda delle emissioni EMI è: F=0,35/Tr

Tra questi: F è la frequenza in GHz; Tr è il tempo di salita o caduta del segnale in ns (nanosecondi).

Non è difficile vedere dalla formula di cui sopra che se la frequenza di commutazione del circuito è 50MHz e il tempo di aumento del chip del circuito integrato utilizzato è 1ns, allora la più alta frequenza di emissione EMI del circuito raggiungerà 350MHz, che è molto più grande della frequenza di commutazione del circuito. E se il tempo di aumento del IC è 500ps, allora la più alta frequenza di emissione EMI del circuito sarà fino a 700MHz. Come tutti sappiamo, ogni valore di tensione nel circuito corrisponde a una certa corrente, e anche ogni corrente ha una tensione corrispondente. Quando l'uscita del IC cambia da logica alta a logica bassa o logica bassa a logica alta, queste tensioni di segnale e correnti di segnale genereranno campi elettrici e magnetici e la frequenza più alta di questi campi elettrici e magnetici è la larghezza di banda di emissione. La forza dei campi elettrici e magnetici e la percentuale di radiazione esterna non sono solo una funzione del tempo di aumento del segnale, ma dipendono anche dal controllo della capacità e dell'induttanza sul percorso del segnale tra la sorgente del segnale e il punto di carico. Qui, la sorgente del segnale si trova sul PCB L'IC è all'interno della scheda e il carico è all'interno di altri IC. Questi IC possono essere o meno sul PCB. Per controllare efficacemente EMI, non è solo necessario prestare attenzione alla capacità e all'induttanza del chip IC stesso, ma anche alla capacità e all'induttanza esistenti sul PCB.

Quando l'accoppiamento tra la tensione del segnale e il ciclo del segnale non è stretto, la capacità del circuito diminuirà, quindi l'effetto di soppressione sul campo elettrico sarà indebolito, aumentando così l'EMI; la corrente nel circuito ha anche la stessa situazione, se l'accoppiamento povero corrente tra lo stesso percorso di ritorno aumenterà inevitabilmente l'induttanza sul loop, migliorando così il campo magnetico, e infine portando ad un aumento dell'EMI. In altre parole, un cattivo controllo del campo elettrico di solito provoca una scarsa soppressione del campo magnetico. Le misure utilizzate per controllare il campo elettromagnetico nel circuito stampato sono generalmente simili a quelle utilizzate per sopprimere il campo elettromagnetico nel pacchetto IC. Come nel caso della progettazione PCB, la progettazione del pacchetto IC influenzerà notevolmente EMI.

Una parte considerevole della radiazione elettromagnetica nel circuito è causata da transienti di tensione nel bus di alimentazione. Quando lo stadio di uscita dell'IC salta e guida la linea PCB collegata alla logica "alta", il chip IC assorbirà la corrente dall'alimentazione elettrica e fornirà l'energia richiesta dalla fase di uscita. Per la corrente ad altissima frequenza generata dalla conversione continua del IC, il bus di alimentazione parte dalla rete di disaccoppiamento sul PCB e termina alla fase di uscita del IC. Se il tempo di aumento del segnale dello stadio di uscita è 1,0ns, allora l'IC deve prelevare abbastanza corrente dall'alimentazione elettrica per guidare la linea di trasmissione sul PCB in un breve tempo di 1,0ns. La tensione transitoria sul bus di alimentazione dipende dall'induttanza nel percorso del bus di alimentazione, dalla corrente assorbita e dal tempo di transito della corrente. Il transiente di tensione è definito dalla formula seguente: V=Ldi/dt,

Tra questi: L è il valore dell'induttanza sul percorso di trasmissione corrente; di rappresenta la variazione corrente nell'intervallo di tempo di aumento del segnale; dt rappresenta il tempo di trasmissione corrente (il tempo di salita del segnale).

Poiché i pin IC e i circuiti interni fanno parte del bus di potenza e il tempo di aumento della corrente assorbita e del segnale di uscita dipende in una certa misura dalla tecnologia di processo del IC, la formula di cui sopra può essere controllata in larga misura scegliendo il IC appropriato. Tutti e tre gli elementi citati.

2. Il ruolo dell'imballaggio IC nel controllo delle interferenze elettromagnetiche

I pacchetti IC di solito includono: chip a base di silicio, un piccolo PCB interno e pad. Il chip a base di silicio è montato su un piccolo PCB e la connessione tra il chip a base di silicio e il pad è realizzata attraverso un filo di legame e una connessione diretta può anche essere realizzata in alcuni pacchetti. Il piccolo PCB realizza la connessione tra segnale e alimentazione sul chip a base di silicio e i perni corrispondenti sul pacchetto IC, realizzando così l'estensione esterna dei nodi di segnale e alimentazione sul chip a base di silicio. I percorsi di trasmissione di potenza e segnale che penetrano l'IC includono: chip a base di silicio, connessioni con PCB di piccole dimensioni, tracce PCB e pin di ingresso e uscita del pacchetto IC. Il controllo della capacità e dell'induttanza (corrispondenti al campo elettrico e al campo magnetico) dipende in gran parte dalla progettazione dell'intero percorso di trasmissione. Alcune caratteristiche di progettazione influenzeranno direttamente la capacità e l'induttanza dell'intero pacchetto di chip IC.

Primo sguardo alla connessione tra il chip a base di silicio e il piccolo circuito stampato interno. Molti chip IC utilizzano fili di legame per realizzare la connessione tra il chip a base di silicio e il piccolo circuito stampato interno, che è un filo volante molto sottile tra il chip a base di silicio e il piccolo circuito stampato interno. Questa tecnologia è ampiamente utilizzata perché il coefficiente di espansione termica (CTE) del chip a base di silicio e del piccolo circuito interno sono simili. Il chip stesso è un dispositivo a base di silicio e il suo coefficiente di espansione termica è molto diverso da quello dei materiali PCB tipici (come la resina epossidica). Se i punti di connessione elettrici del chip a base di silicio sono montati direttamente sul piccolo PCB interno, dopo un periodo di tempo relativamente breve, la temperatura interna del pacchetto IC causerà espansione e contrazione termica e la connessione in questo modo fallirà a causa della frattura. Il filo di legame è un metodo di piombo che si adatta a questo ambiente speciale. Può resistere a una grande quantità di flessione e deformazione e non è facile da rompere.

Il problema con l'uso dei fili di incollaggio è che l'aumento dell'area corrente del ciclo di ogni segnale o linea elettrica causerà l'aumento del valore di induttanza. Un buon design per ottenere un valore di induttanza inferiore è quello di ottenere una connessione diretta tra il chip a base di silicio e il PCB interno, cioè, il punto di connessione del chip a base di silicio è direttamente legato al pad PCB. Ciò richiede l'uso di uno speciale materiale base della scheda PCB, che dovrebbe avere un CTE molto basso. La scelta di questo materiale porterà ad un aumento del costo complessivo del chip IC. Pertanto, il chip che utilizza questa tecnologia di processo non è comune, ma finché l'IC che collega direttamente il chip a base di silicio con il PCB portante esiste ed è fattibile nello schema di progettazione, l'utilizzo di tali dispositivi IC è una scelta migliore.

In generale, nella progettazione del pacchetto IC, ridurre l'induttanza e aumentare la capacità tra il segnale e il circuito corrispondente o tra l'alimentazione elettrica e la terra sono le prime scelte per il processo di selezione di un chip di circuito integrato. Ad esempio, la tecnologia di montaggio superficiale a passo ridotto dovrebbe essere confrontata con la tecnologia di montaggio superficiale a passo largo. I chip IC confezionati con tecnologia di montaggio superficiale a passo ridotto dovrebbero essere selezionati per primi e questi due tipi di chip IC del pacchetto di tecnologia di montaggio superficiale sono migliori che tramite pacchetti di tipo piombo. I chip IC confezionati BGA hanno la più bassa induttanza di piombo rispetto a qualsiasi tipo di pacchetto comunemente usato. Dal punto di vista della capacità e del controllo dell'induttanza, i pacchetti più piccoli e le altezze più sottili di solito rappresentano sempre prestazioni migliori.

Una caratteristica importante della progettazione della struttura di piombo è l'assegnazione dei perni. Poiché i valori di induttanza e capacità dipendono dalla vicinanza del segnale o dell'alimentazione elettrica al percorso di ritorno, devono essere presi in considerazione sufficienti percorsi di ritorno.

I perni di alimentazione e di massa dovrebbero essere assegnati in coppie e ogni pin di alimentazione dovrebbe avere un pin di terra corrispondente adiacente l'uno all'altro e coppie multiple di pin di potenza e di terra dovrebbero essere assegnate in questa struttura di piombo. Entrambe queste caratteristiche ridurranno notevolmente l'induttanza del ciclo tra l'alimentazione elettrica e il terreno e contribuiranno a ridurre i transienti di tensione sul bus di alimentazione, riducendo così EMI. Per motivi abituali, molti chip IC sul mercato non seguono completamente le regole di progettazione di cui sopra. Tuttavia, i progettisti e i produttori di IC hanno una profonda comprensione dei vantaggi di questo metodo di progettazione, quindi i produttori di IC sono più inclini a progettare e rilasciare nuovi chip IC. Attenzione alla connessione elettrica.

Idealmente, assegnare un pin di ritorno del segnale adiacente (come un pin di terra) a ciascun pin del segnale. La situazione attuale non è il caso, anche i produttori di IC più all'avanguardia non hanno allocato i pin di chip IC in questo modo, ma hanno adottato altri metodi di compromesso. Nel pacchetto BGA, un metodo di progettazione efficace è quello di impostare un pin di ritorno del segnale al centro di ogni gruppo di otto pin del segnale. In questa disposizione pin, ogni segnale si trova tra ogni segnale e il percorso di ritorno del segnale. La differenza è solo una spilla. Per pacchetti quad flat (QFP) o altri IC di tipo gull wing, non è realistico posizionare un percorso di ritorno del segnale al centro del gruppo di segnale. Anche così, è necessario assicurarsi che ogni 4 a 6 Posizionare un pin di ritorno del segnale per ogni pin. Va notato che diverse tecnologie di processo IC possono utilizzare tensioni di ritorno del segnale diverse. Alcuni IC utilizzano pin di terra (come i dispositivi TTL) come percorso di ritorno del segnale, mentre alcuni IC utilizzano pin di alimentazione (come la maggior parte dei dispositivi ECL)