Проектирование и заказ СВЧ-плат

Олеся (@leka_engineer), инженер-разработчик СВЧ устройств, рассказывает о тонкостях проектирования и заказа плат для СВЧ устройств.

Введение

Этой статьей я продолжаю цикл статей про особенности проектирования и изготовления СВЧ-плат.

Я разрабатываю СВЧ-устройства, почти всегда они реализованы (как подавляющее большинство электроники сейчас) на печатных платах. Всем знакомые зеленые платы, как, например, материнская плата компьютера, сделаны из стеклотекстолита FR4. Но на самом деле, подложки бывают разные – с разными значениями диэлектрической проницаемости и др. параметрами. Для СВЧ изделий применяют специальные СВЧ подложки (ламинаты).

Если кратко, к СВЧ подложкам предъявляются более жёсткие требования по стабильности эпсилон, также крайне критично значение тангенса угла диэлектрических потерь, величины, определяющей погонные потери в линии передачи. Про особенности выбора СВЧ подложек и их параметры можно найти в моей прошлой статье.

Так как я разработчик, все мои заказы – единичные платы, то есть для каждого проекта я делаю тестовые платы для компонентов, затем отрабатываю куски СВЧ блоков /модулей, только потом заказываю платы в том виде, в каком они будут в конечном изделии. Вот последняя итерация плат обычно идёт в серийное производство.

О техническом процессе изготовления печатных плат

Многие знают на примере стеклотекстолита, что диэлектрик бывает фольгированный и не фольгированный. Для СВЧ применений почти всегда применяется фольгированный диэлектрик. Термин фольгированный означает, что на диэлектрической основе нанесена медная фольга.

Рис.1 Фольгированный диэлектрик

Чтобы из материала получить плату, на заводе медную фольгу вытравливают в специальном растворе, предварительно защитив рисунок (топологию), который должен остаться. Это очень поверхностное описание, больше информации о технологическом процессе изготовления вы можете найти, например, на сайте Резонита, а также в этом видео на их YouTube канале. Кроме травления плата проходит ещё несколько этапов (сушка, нанесение маски и другие). Весь процесс автоматизирован, конвейер настроен на определённый размер листа (заготовки). Заготовка имеет размер 12х9", что соответствует примерно размеру листа А4. Некоторые производители также принимают размеры 6х9"(очень редко) и 12х18”. Больше про размеры заготовок читайте в моих прошлых статьях тут и тут.

При заказе плат из FR4, ваши платы обычно располагают на листе совместно с платами других заказчиков, затем платы разделяют и раздают разным заказчикам. С СВЧ платами так не делают, так как заказов сильно меньше, а СВЧ материалов большое разнообразие. Именно поэтому для заказа СВЧ плат следует самому мультиплицировать заготовку. Ведь, как я уже писала, невыгодно заказывать 1 плату.

Этапы создания заготовки (2 слоя)

1)     Определение названия слоёв. Почти все производители принимают стандартные названия: TOP – верхний слой металлизации, BOT – нижний слой металлизации, BRDOUT /CUT – контур платы, VIA- слой металлизированных отверстий, DRILL- слой неметаллизированных отверстий, TOPMASK – слой маски, TOPMARK – слой маркировки. Снизу маску и маркировку на СВЧ платах редко используют, так как обычно нижний слой представляет собой экран. Я добавляю в проект слой поясков мет. отверстий. (VIA и DRILL не обязательно разделять; мет.отверстия должны иметь пояски на всех слоях, отверстия сверловки должны не иметь пояски)

Пример платы с подписанными слоями представлен на рисунке 2.

Рис.2 Пример чертежа платы

2)     Ограничения. Посмотреть (и сохранить, может быть даже распечатать) возможности производства. Основные требования: отступ элементов топологии от края платы 0,25 мм. Минимальный диаметр металлизированных отверстий – обычно 0,3 мм, минимальный поясок мет. отверстия – обычно 0,15 мм и минимальное расстояние между отверстиями – не менее 0,2 мм. Для фольги 18 мкм: минимальная ширина дорожки – 0,1..0,15 мм, минимальный зазор – также 0,1..0,15 мм. Обратите внимание, что для более толстой фольги минимальные значения увеличиваются.

Для слоя маски тоже есть требования; основное – ширина маски не менее 0,15 мм. Маркировка не должна попадать на участки, открытые от маски.При нанесении на платы информации в виде текста, обязательно оцените будут ли читаться буквы; по моему опыту нормальная высота шрифта 2 мм, минимальная 1 мм.

3)     Собственно, нарисовать все платы. Обратите внимание, что, если контур платы фигурный, необходимо сделать скругления диаметром 1 мм (минимум). Если оставить прямой угол, потом плата может не встать в корпус, или, как в моём примере ниже – может не встать разъём.

Рис.3 SMT коаксиальный SMA разъём и посадочное место на плате для него

Металлизированные отверстия должны иметь пояски с обеих сторон платы, так как нижняя сторона – сплошной экран, там дополнительно рисовать ничего не нужно, а вот с верхней стороны обязательно должен быть поясок, либо отверстие должно быть внутри полигона. Неметаллизированные отверстия должны не иметь мет.поясков, поэтому необходимо на слое BOT сделать поясок без металла.

Несколько особенностей, на которые следует обратить внимание, если вы, так же, как и я, рисуете платы в Автокаде:

- мет. отверстия должны быть сделаны кругами, не полилиниями

- все элементы слоя TOP должны быть замкнутыми полигонами/ полилиниями/ прямоугольниками.

- для удобства выполнения требований минимального расстояния от края металлизации до края мет. отверстия я рисую пояски отдельным слоем (на рисунке 2 синим цветом).

- контур платы стоит сделать расчленённым (иногда просят сделать линией не нулевой толщины)

4)     Мультипликация заготовки. В обозначенную область рабочего поля нужно поместить все платы, минимальное расстояние между платами 2 мм. Если в проекте есть плата с металлизированными полуотверстиями, от неё нужно отступить 6мм. Заготовку следует поместить одним из углов в начало координат.

5)     Проверка. Перед отправкой проекта следует проверить все минимальные расстояния. Ведь, если хоть в одном месте минимальное расстояние будет чуть меньше стандартного, цена за сложность изготовления увеличится в 1,5 раза.

6)     Перевод в формат для изготовления. Я рисую платы в Автокаде, но Автокад не является специализированной программой для проектирования печатных плат, поэтому файлы в dwg/dxf не принимают (могут за доп.плату по договорённости). Через формат обмена чертежами dxf мультиплицированную заготовку необходимо перевести в формат для производства печатных плат, обычно это gerber формат. Также производители принимают cam, форматы Altium, p-cad, DipTrace (проверить на сайте производителя версии программ). После перевода советую повторить пункт 5; часто в программы встроена функция проверки минимальных зазоров и толщин проводников.

7)     Заполнение формы заказа. В сопроводительном письме (или личном кабинете, или специальной форме) необходимо указать все параметры заготовки:

-название файла, формат файла

-тип подложки: полное название, толщина диэлектрика, толщина фольги

-количество мультиплицированных заготовок (или плат, если нужно просто много плат одного дизайна)

-количество проводящих слоёв (2)

-цвет маски (советую выбирать типовую зелёную, так быстрее и дешевле)

-маска в позитиве или в негативе. Если в позитиве, указать обязательно.

-цвет маркировки, если есть.

-тип финишного покрытия

-свои контактные данные для обсуждения технических вопросов

Возможно, вам непонятен пункт про маску. Скажу сразу, часто я вообще не делаю маску – так платы выходят с производства на день быстрее. Маска в негативе принята за стандарт, на обычных платах чаще всего в слоях маски нарисованы только площадки компонентов. Поэтому при обращении в негатив тех мест, которые находились в масочных слоях, на печатной плате будет отсутствие/вскрытие маски. Я рисую маску в позитиве, так как я делаю маску только вокруг компонентов, и также делаю маской надписи (зато не делаю маркировку).

Пример маски на плате:

Рис.4 Примеры моих СВЧ плат с маской

Список производителей печатных плат, который я составила с дополнениями от моих подписчиков можно найти в статье.

Дополнения для многослойных СВЧ плат

1)     Многослойные СВЧ платы делаются только методом попарного прессования (то есть с фольгой на ядрах).

Рис.5 4-слойная ПП с одним ядром и фольгой, положенной на препрег

На картинке показан пример как нельзя сделать СВЧ многослойную плату. СВЧ МПП должна выглядеть вот так:

Рис.6 4-слойная ПП с двумя ядрами и препрегом между ними

2)     Для многослойной платы необходимо добавить слои INT, считая сверху top-int1-int2-bot (если слоёв больше, то top-int1-int2-int3-int4-bot и т.д.). Если в проекте предусмотрены несквозные мет.отверстия, необходимо это обозначить и сделать отдельные слои для отверстий соединяющих слои top и int1, int2 и bot и сквозные мет.отверстия, соединяющие все слои.

3)     Многослойная СВЧ плата может быть сделана с припрессовкой FR4 для повышения прочности и/или для размещения схемы питания/управления. В таком случае используют препрег (специальный материал, который выполняет функцию клея) как для многослойных плат из стеклотекстолита. Если же оба диэл.основания – СВЧ ламинаты, нужен специальный СВЧ препрег (например для ядер из Rogers 4350 и 4003 подходит препрег Rogers 4450).

Тип финишного покрытия

Производители печатных плат предлагают несколько типов финишных покрытий. Для СВЧ применений подходят только покрытия на основе благородных металлов (из-за возникновения скин слоя на высоких частотах). Обычно я делаю платы с золотом (ENIG) или иммерсионным серебром. Когда какое выбрать? Предпочтительнее платы с серебром, так как при такой технологии отсутствует подслой никеля, и потери в полосках ниже. Однако, на серебро невозможно разварить золотую проволоку, так что для тестовых плат для кристаллов я выбираю иммерсионное золото c подслоем никеля (ENIG).  Некоторые производители также предлагают просто золото, но это покрытие очень недолговечное, буквально через несколько недель медь начнёт «проглядывать» через тонкий слой золота.

Ниже представлен пример СВЧ заготовки с платами. На фотографии видно,что финишное покрытие я выбрала им.золото, видна технологическая рамка и перемычки, с помощью которых удерживаются платы.

Рис.7 фотография готовой СВЧ заготовки с платами

Оригинал статьи читайте на Хабре.

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru