Quais são os fatores que afetam a seleção de interconexões?

A seleção das abordagens de embalagem entre os vários elementos é ditada não apenas pela função do sistema, mas também pelos tipos de componentes selecionados e pelos parâmetros de operação do sistema, como velocidades de clock, consumo de energia e métodos de gerenciamento de calor e o ambiente em que o sistema irá operar.

Velocidade de operação

A velocidade de operação do sistema eletrônico é um fator muito importante fator técnico no projeto de interconexões. Muitos sistemas digitais operam perto de 100 MHz e já estão ultrapassando esse nível. A crescente velocidade do sistema está exigindo muito da engenhosidade dos engenheiros de embalagem e das propriedades dos materiais usados ​​para o substrato PWB.

A velocidade de propagação do sinal é inversamente proporcional à raiz quadrada da constante dielétrica dos materiais do substrato, exigindo que os projetistas estejam cientes das propriedades dielétricas do material do substrato que pretendem utilizar. A propagação do sinal no substrato entre os chips, o chamado tempo de voo, é diretamente proporcional ao comprimento dos conectores e deve ser mantido curto para garantir o desempenho elétrico ideal de um sistema operando em altas velocidades.

Para sistemas operando em velocidade de cerca de 25 MHz, as interconexões devem ter características de linha de transmissão para minimizar perdas e distorções de sinal. O projeto adequado de tais linhas de transmissão requer um cálculo cuidadoso das dimensões do condutor e da separação dielétrica e sua fabricação precisa para garantir a precisão esperada do desempenho. Para PCBs, existem dois tipos básicos de linhas de transmissão: 1) Stripline, 2) Microstrip.

 

Consumo de energia

À medida que as taxas de clock dos chips aumentam e o número de portas por chip aumenta, há um aumento correspondente em seu consumo de energia. Alguns chips requerem até 30W de potência para sua operação. Com isso, cada vez mais terminais são necessários para trazer energia e acomodar o fluxo de retorno nos planos de terra. Cerca de 20 a 20 por cento dos terminais de chip são usados ​​para conexões de energia e terra. Com a necessidade de isolamento elétrico de sinais na operação de sistemas de alta velocidade, a contagem pode chegar a 50%.

Os engenheiros de projeto devem fornecer planos adequados de distribuição de energia e terra dentro das placas multicamadas (MLBs) para garantir fluxo de correntes eficiente e de baixa resistência, que pode ser substancial em placas que interconectam chips de alta velocidade consumindo dezenas de watts e operando a 5V, 3.3V ou mais baixo. A distribuição adequada de energia e terra no sistema é essencial para reduzir a interferência de comutação di/dt em sistemas de alta velocidade, bem como para reduzir as concentrações de calor indesejáveis. Em alguns casos, foram necessárias estruturas de barramento separadas para atender a essas demandas de alta potência.

 

Gerenciamento termal

Toda a energia que foi fornecida aos circuitos integrados de energia (ICs) devem ser removidos eficientemente do sistema para garantir sua operação adequada e longa vida útil. A remoção do calor de um sistema é uma das tarefas mais difíceis das embalagens eletrônicas. Em grandes sistemas, enormes estruturas de dissipadores de calor, superando os CIs individuais, são necessárias para resfriá-los a ar, e algumas empresas de computadores construíram superestruturas gigantes para resfriamento líquido de seus módulos de computador. Alguns projetos de computador usam resfriamento por imersão em líquido. Ainda assim, as necessidades de resfriamento de grandes sistemas sobrecarregam os recursos dos métodos de resfriamento existentes.

A situação não é tão grave em equipamentos eletrônicos menores, de mesa ou portáteis, mas ainda requer engenheiros de embalagem para melhorar os pontos quentes e garantir a longevidade da operação. Como os PWBs são notoriamente condutores de calor de energia, o projetista deve avaliar cuidadosamente o método de condição de calor através da placa, usando técnicas como vias de calor, lingotes de metal embutidos e planos condutores.

 

Interferência Eletrônica

À medida que a frequência de operação dos equipamentos eletrônicos aumenta, muitos CIs, módulos ou montagens podem atuar como geradores de sinais de radiofrequência (RF). Tais emanações de interferência eletromagnética (EMI) podem comprometer seriamente a operação de eletrônicos vizinhos ou mesmo de outros elementos do mesmo equipamento, causando falhas, enganos e erros, e devem ser prevenidas. Existem padrões EMI específicos que definem os níveis permitidos de tal radiação, e esses níveis são muito baixos.

Os engenheiros de embalagem, e especialmente os projetistas de PWB, devem estar familiarizados com os métodos de redução ou cancelamento dessa radiação EMI para garantir que seus equipamentos não excedam os limites permitidos dessa interferência.

 

Ambiente Operacional do Sistema

A seleção de uma abordagem de embalagem específica para um produto eletrônico também é ditada pelo seu uso final e pelo segmento de mercado para o qual o produto foi projetado. O designer de embalagens precisa entender a principal força motriz por trás do uso do produto. É orientado a custo, orientado a desempenho ou algo intermediário? Onde será usado: por exemplo, sob o capô de um carro, onde as condições ambientais são severas, ou no escritório, onde as condições de operação são benignas? O IPC estabeleceu um conjunto de condições de operação dos equipamentos classificadas pelo grau de severidade.

 

Custo

O custo do produto tornou-se o critério mais importante em qualquer projeto de sistemas eletrônicos. Ao cumprir todas as condições de projeto e operação acima mencionadas, o engenheiro projetista deve manter o custo como critério dominante e deve analisar todos os possíveis trade-offs à luz da melhor solução custo/desempenho para o produto.

A importância da análise rigorosa de compensação de custos durante o projeto de produtos eletrônicos é ressaltada pelo fato de que cerca de 60% dos custos de fabricação são determinados nos primeiros estágios do processo de projeto, quando apenas 35% do esforço total do projeto foi realizado. gasto.

A atenção aos requisitos e recursos de fabricação e montagem durante o projeto do produto pode reduzir os custos de montagem em até 35% e os custos de PWB em até 25%.

 

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Referência

1, Manual do Circuito Impresso por Clyden F. Coombs, Fr., e Happy T. Holden