¿Cuáles son los factores que afectan la selección de interconexiones?

Las selecciones de los enfoques de empaquetado entre los diversos elementos están dictadas no solo por la función del sistema, sino también por los tipos de componentes seleccionados y por los parámetros de funcionamiento del sistema, como las velocidades de reloj, el consumo de energía y los métodos de gestión del calor, y el entorno. en que operará el sistema.

Velocidad de operación

La velocidad a la que opera el sistema electrónico es un factor muy importante factor técnico en el diseño de interconexiones. Muchos sistemas digitales operan cerca de los 100 MHz y ya están llegando más allá de ese nivel. La creciente velocidad del sistema impone grandes exigencias al ingenio de los ingenieros de empaque y a las propiedades de los materiales utilizados para el sustrato PWB.

La velocidad de propagación de la señal es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica de los materiales del sustrato, lo que requiere que los diseñadores conozcan las propiedades dieléctricas del material del sustrato que pretenden utilizar. La propagación de la señal sobre el sustrato entre chips, el llamado tiempo de vuelo, es directamente proporcional a la longitud de los conectores y debe ser breve para garantizar el rendimiento eléctrico óptimo de un sistema que opera a altas velocidades.

Para sistemas que funcionan a una velocidad de unos 25 MHz, las interconexiones deben tener características de línea de transmisión para minimizar las pérdidas de señal y la distorsión. El diseño adecuado de tales líneas de transmisión requiere un cálculo cuidadoso de las dimensiones de separación dieléctrica y del conductor y su fabricación precisa para garantizar la precisión de rendimiento esperada. Para PCB, hay dos tipos básicos de líneas de transmisión 1) Stripline, 2) Microstrip.

 

Consumo de energía

A medida que aumentan las velocidades de reloj de los chips y crece el número de puertas por chip, hay un aumento correspondiente en su consumo de energía. Algunos chips requieren hasta 30W de potencia para su funcionamiento. Con eso, se requieren cada vez más terminales para traer energía y acomodar el flujo de retorno en los planos de tierra.. Alrededor del 20 al 20 por ciento de los terminales de chip se utilizan para conexiones de alimentación y tierra. Con la necesidad de aislamiento eléctrico de las señales en la operación de sistemas de alta velocidad, el conteo puede llegar al 50 por ciento.

Los ingenieros de diseño deben proporcionar planos de distribución de energía y tierra adecuados dentro de las placas multicapa (MLB) para garantizar un flujo de corriente eficiente y de baja resistencia, que puede ser sustancial en placas que interconectan chips de alta velocidad que consumen decenas de vatios y funcionan a 5 V, 3.3 V o más bajo. La distribución adecuada de energía y tierra en el sistema es esencial para reducir la interferencia de conmutación di/dt en sistemas de alta velocidad, así como para reducir las concentraciones de calor no deseadas. En algunos casos, se han requerido estructuras de barras colectoras separadas para satisfacer tales demandas de alta potencia.

 

Transferencia térmica

Toda la energía que ha sido entregada para alimentar circuitos integrados (IC) deben eliminarse de manera eficiente del sistema para garantizar su funcionamiento adecuado y una larga vida útil. La eliminación del calor de un sistema es una de las tareas más difíciles del embalaje electrónico. En sistemas grandes, se requieren enormes estructuras de disipadores de calor, que empequeñecen a los circuitos integrados individuales, para enfriarlos con aire, y algunas compañías de computadoras han construido superestructuras gigantes para el enfriamiento líquido de sus módulos de computadora. Algunos diseños de computadoras usan refrigeración por inmersión líquida. Aun así, las necesidades de refrigeración de los grandes sistemas ponen a prueba las capacidades de los métodos de refrigeración existentes.

La situación no es tan grave en equipos electrónicos más pequeños, de mesa o portátiles, pero aún requiere ingenieros de empaque para mejorar los puntos calientes y garantizar la longevidad de la operación. Dado que los PWB son notoriamente conductores de calor de energía, el diseñador debe evaluar cuidadosamente el método de condición de calor a través del tablero, utilizando técnicas tales como vías de calor, babosas de metal incrustadas y planos conductores.

 

Interferencia electrónica

A medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento de los equipos electrónicos, muchos circuitos integrados, módulos o conjuntos pueden actuar como generadores de señales de radiofrecuencia (RF). Tales emanaciones de interferencias electromagnéticas (EMI) pueden comprometer seriamente el funcionamiento de los componentes electrónicos vecinos o incluso de otros elementos del mismo equipo, causando fallas, errores y errores, y deben prevenirse. Existen estándares EMI específicos que definen los niveles permisibles de dicha radiación., y estos niveles son muy bajos.

Los ingenieros de empaque, y especialmente los diseñadores de PWB, deben estar familiarizados con los métodos para reducir o cancelar esta radiación EMI para garantizar que su equipo no exceda los límites permisibles de esta interferencia.

 

Entorno operativo del sistema

La selección de un enfoque de empaque particular para un producto electrónico también está dictada por su uso final y por el segmento de mercado para el cual se diseñó ese producto. El diseñador de envases debe comprender la principal fuerza impulsora detrás del uso del producto. ¿Se basa en los costos, en el rendimiento o en algún punto intermedio? ¿Dónde se utilizará: por ejemplo, debajo del capó de un automóvil, donde las condiciones ambientales son severas, o en la oficina, donde las condiciones de operación son benignas? El IPC ha establecido un conjunto de condiciones de operación de los equipos clasificados por el grado de severidad.

 

Cost

El costo del producto se ha convertido en el criterio más importante en cualquier diseño de sistemas electrónicos. Mientras cumpla con todas las condiciones de diseño y operación antes mencionadas, el ingeniero de diseño debe mantener el costo como el criterio dominante y debe analizar todas las compensaciones potenciales a la luz de la mejor solución de costo/desempeño para el producto.

La importancia del riguroso análisis de compensación de costos durante el diseño de productos electrónicos se destaca por el hecho de que alrededor del 60 por ciento de los costos de fabricación se determinan en las primeras etapas del proceso de diseño, cuando solo se ha realizado el 35 por ciento del esfuerzo total de diseño. gastado.

La atención a los requisitos y capacidades de fabricación y ensamblaje durante el diseño del producto puede reducir los costos de ensamblaje hasta en un 35 por ciento y los costos de PWB hasta en un 25 por ciento.

 

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Referencia

1, Manual de circuito impreso por Clyden F. Coombs, Fr. y Happy T. Holden