Welche Faktoren beeinflussen die Auswahl von Verbindungen?

Die Auswahl der Verpackungsansätze unter den verschiedenen Elementen wird nicht nur durch die Systemfunktion, sondern auch durch die ausgewählten Komponententypen und durch die Betriebsparameter des Systems, wie z. B. Taktgeschwindigkeiten, Stromverbrauch und Wärmemanagementverfahren, und die Umgebung bestimmt in dem das System betrieben wird.

Geschwindigkeit der Operation

Die Geschwindigkeit, mit der das elektronische System arbeitet, ist sehr wichtig technischer Faktor bei der Gestaltung von Verbindungen. Viele digitale Systeme arbeiten nahe bei 100 MHz und erreichen bereits mehr als dieses Niveau. Die zunehmende Systemgeschwindigkeit stellt hohe Anforderungen an den Einfallsreichtum der Verpackungsingenieure und an die Eigenschaften der für PWB-Substrate verwendeten Materialien.

Die Geschwindigkeit der Signalausbreitung ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante der Substratmaterialien, was Designer dazu zwingt, sich der dielektrischen Eigenschaften des Substratmaterials bewusst zu sein, das sie verwenden möchten. Die Signalausbreitung auf dem Substrat zwischen den Chips, die sogenannte Flugzeit, ist direkt proportional zur Länge der Steckverbinder und muss kurz gehalten werden, um die optimale elektrische Leistung eines Systems zu gewährleisten, das mit hohen Geschwindigkeiten arbeitet.

Für Systeme, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 MHz arbeiten, Die Verbindungen müssen Übertragungsleitungseigenschaften aufweisen, um Signalverluste und Verzerrungen zu minimieren. Das richtige Design solcher Übertragungsleitungen erfordert eine sorgfältige Berechnung der Leiter- und Dielektrikum-Trennabmessungen und ihre genaue Herstellung, um die erwartete Genauigkeit der Leistung sicherzustellen. Für Leiterplatten gibt es zwei grundlegende Übertragungsleitungstypen: 1) Stripline, 2) Microstrip.

 

Energieverbrauch

Wenn die Taktraten der Chips steigen und die Anzahl der Gates pro Chip wächst, steigt deren Stromverbrauch entsprechend an. Einige Chips benötigen für ihren Betrieb bis zu 30 W Leistung. Damit sind immer mehr Klemmen erforderlich, um Strom einzubringen und den Rückfluss auf den Masseebenen aufzunehmen. Etwa 20 bis 20 Prozent der Chipanschlüsse werden für Strom- und Masseverbindungen verwendet. Mit der Notwendigkeit einer elektrischen Isolierung von Signalen im Betrieb von Hochgeschwindigkeitssystemen kann die Zählung auf 50 Prozent ansteigen.

Konstrukteure müssen in den Mehrschichtplatinen (MLBs) angemessene Strom- und Erdungsverteilungsebenen bereitstellen, um einen effizienten Stromfluss mit niedrigem Widerstand zu gewährleisten, was bei Platinen, die Hochgeschwindigkeitschips verbinden, die mehrere zehn Watt verbrauchen und mit 5 V, 3.3 V oder XNUMX V arbeiten, erheblich sein kann niedriger. Die richtige Strom- und Masseverteilung im System ist wesentlich, um di/dt-Umschaltstörungen in Hochgeschwindigkeitssystemen sowie unerwünschte Wärmekonzentrationen zu reduzieren. In einigen Fällen waren getrennte Sammelschienenstrukturen erforderlich, um solche Hochleistungsanforderungen zu erfüllen.

 

Wärmemanagement

Die gesamte Energie, die geliefert wurde, um integrierte Schaltungen mit Strom zu versorgen (ICs) müssen effizient aus dem System entfernt werden, um dessen ordnungsgemäßen Betrieb und lange Lebensdauer zu gewährleisten. Das Abführen der Wärme aus einem System ist eine der schwierigsten Aufgaben des Electronic Packaging. In großen Systemen sind riesige Kühlkörperstrukturen erforderlich, die die einzelnen ICs in den Schatten stellen, um sie an der Luft zu kühlen, und einige Computerfirmen haben riesige Aufbauten für die Flüssigkeitskühlung ihrer Computermodule gebaut. Einige Computerdesigns verwenden Flüssigkeitsimmersionskühlung. Dennoch belasten die Kühlanforderungen großer Systeme die Möglichkeiten bestehender Kühlmethoden.

Bei kleineren Tischgeräten oder tragbaren elektronischen Geräten ist die Situation nicht so schwerwiegend, aber es erfordert immer noch Verpackungsingenieure, die Hot Spots zu verbessern und eine lange Betriebsdauer sicherzustellen. Da PWBs notorisch Leistungswärmeleiter sind, muss der Designer die Methode der Wärmekonditionierung durch die Platine sorgfältig bewerten, indem er Techniken wie Wärmedurchkontaktierungen, eingebettete Metallblöcke und leitfähige Ebenen verwendet.

 

Elektronische Störungen

Da die Betriebsfrequenz elektronischer Geräte zunimmt, können viele ICs, Module oder Baugruppen als Generatoren von Hochfrequenz-(HF)-Signalen fungieren. Solche Aussendungen elektromagnetischer Interferenz (EMI) können den Betrieb benachbarter Elektronik oder sogar anderer Elemente derselben Ausrüstung ernsthaft gefährden, Ausfälle, Fehler und Fehler verursachen und müssen verhindert werden. Es gibt spezielle EMI-Normen, die die zulässigen Werte einer solchen Strahlung definieren, und diese Werte sind sehr niedrig.

Verpackungsingenieure und insbesondere PWB-Designer müssen mit den Methoden zur Reduzierung oder Unterdrückung dieser EMI-Strahlung vertraut sein, um sicherzustellen, dass ihre Geräte die zulässigen Grenzen dieser Interferenz nicht überschreiten.

 

Systembetriebsumgebung

Die Auswahl eines bestimmten Verpackungsansatzes für ein elektronisches Produkt wird auch von seiner Endverwendung und dem Marktsegment, für das dieses Produkt entwickelt wurde, bestimmt. Der Verpackungsdesigner muss die Hauptantriebskraft hinter der Produktverwendung verstehen. Ist es kostengetrieben, leistungsgetrieben oder irgendwo dazwischen? Wo wird es eingesetzt: zum Beispiel unter der Motorhaube eines Autos, wo die Umgebungsbedingungen rau sind, oder im Büro, wo die Betriebsbedingungen günstig sind? Der IPC hat eine Reihe von Betriebsbedingungen für Geräte festgelegt, die nach Schweregrad klassifiziert sind.

 

Kosten

Die Produktkosten sind zum wichtigsten Kriterium bei jedem Design elektronischer Systeme geworden. Während alle oben genannten Konstruktions- und Betriebsbedingungen eingehalten werden, muss der Konstrukteur die Kosten als dominierendes Kriterium betrachten und alle potenziellen Kompromisse im Lichte der besten Kosten-/Leistungslösung für das Produkt analysieren.

Die Bedeutung der rigorosen Kosten-Kompromiss-Analyse während des Designs elektronischer Produkte wird durch die Tatsache unterstrichen, dass etwa 60 Prozent der Herstellungskosten in den ersten Stadien des Designprozesses bestimmt werden, wenn erst 35 Prozent des gesamten Designaufwands aufgewendet wurden verbraucht.

Die Berücksichtigung der Fertigungs- und Montageanforderungen und -fähigkeiten während des Produktdesigns kann die Montagekosten um bis zu 35 Prozent und die PWB-Kosten um bis zu 25 Prozent senken.

 

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Referenz

1, Printed Circuit Handbook von Clyden F. Coombs, Fr., und Happy T. Holden