Многослойная печатная плата

Изобретение относится к технике электрического печатного монтажа, в частности к конструкциям печатных плат для аппаратуры общего и специального назначения. Технический результат предлагаемого изобретения - повышение качества защиты печатных плат от воздействия электромагнитных полей (ЭМП). Достигается тем, что в многослойной печатной плате, состоящей из сигнальных диэлектрических сигнальных слоев, содержащих топологический рисунок печатного монтажа, чередующихся с экранирующими слоями, выполненными в виде сетки, которая снабжена печатными проводниками, повторяющими конфигурацию топологического рисунка соседнего сигнального слоя, сигнальные проводники размещаются с учетом производимого ими излучения.

 

Изобретение относится к технике электрического печатного монтажа, в частности к конструкциям печатных плат для аппаратуры общего и специального назначения.

При использовании печатных плат в быстродействующих аналоговых и цифровых устройствах печатные проводники на плате становятся источниками излучения электромагнитных полей (ЭМП). В результате воздействия высокочастотных ЭМП возможно нарушение работоспособности устройств. Традиционным решением в конструировании печатных плат является применение чередующихся экранирующих слоев с максимально возможной площадью экранирования. Однако с ростом быстродействия аппаратуры это не обеспечивает достаточно эффективную защиту от внутренних электромагнитных помех, обусловленных излучением, производимым печатными проводниками.

Известна конструкция многослойной платы, состоящей из нескольких склеенных между собой сигнальных слоев, имеющих топологический рисунок печатного монтажа и заданные электрические связи между слоями, причем для обеспечения контролируемых перекрестных наводок многослойная печатная плата снабжена сплошными экранирующими слоями, накоротко соединенными со слоем «земля» по переменному току [1].

Недостатками данной конструкции являются:

во-первых, резкое увеличение вероятности отказа с увеличением габаритных размеров платы при использовании сплошных экранирующих слоев из-за расслоения вследствие различных физических свойств диэлектрика и проводящего слоя;

во-вторых, значительное увеличение уровня внутренних электромагнитных помех при применении печатной платы в быстродействующих устройствах, вызванное воздействием высокочастотных ЭМП;

в-третьих, применение сплошных экранирующих слоев ведет к увеличению веса печатной платы.

Известна также конструкция многослойной печатной платы, состоящая из нескольких сигнальных слоев с топологическим рисунком печатного монтажа, чередующихся с экранирующими слоями, выполненными в виде сетки, что позволяет снизить вес платы и повысить ее надежность вследствие меньшей вероятности ее расслоения [2].

Недостатками данной конструкции являются:

во-первых, низкая помехоустойчивость и сильное влияние перекрестных наводок при наличии проводников различного сечения и конфигурации, что обуславливает ее неприменимость при работе на повышенных частотах, при малых временах нарастания и спада информационного сигнала и при использовании приборов с высоким входным сопротивлением, причем с увеличением площади многослойной платы указанные недостатки резко возрастают;

во-вторых, значительное увеличение уровня внутренних электромагнитных помех при применении печатной платы в быстродействующих устройствах, вызванное воздействием высокочастотных ЭМП.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция многослойной печатной платы, которая состоит из диэлектрических сигнальных слоев, содержащих топологический рисунок печатного монтажа, а также экранирующих слоев, выполненных в виде сетки и снабженных печатными проводниками, повторяющими конфигурацию проводников ближайшего сигнального слоя [3].

Недостатком данной конструкции является то, что при применении печатной платы в быстродействующих устройствах, значительно увеличивается уровень внутренних электромагнитных помех, из-за воздействия ЭМП.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение качества защиты печатных плат от воздействия ЭМП.

Технический результат достигается тем, что в многослойной печатной плате, состоящей из сигнальных диэлектрических сигнальных слоев, содержащих топологический рисунок печатного монтажа, чередующихся с экранирующими слоями, выполненными в виде сетки, которая снабжена печатными проводниками, повторяющими конфигурацию топологического рисунка соседнего сигнального слоя, сигнальные проводники размещаются с учетом производимого ими излучения.

Для учета излучения, производимого печатными проводниками, и снижения уровня перекрестных помех, в процессе трассировки печатных проводников рассчитывают уровень электромагнитных помех внутри печатной платы, вызванных излучением сигнальных проводников. Для расчета уровня помех все сигнальные проводники каждого слоя многослойной печатной платы условно разбиваются на элементарные отрезки, каждый из которых представляется в виде элементарного излучателя. Поочередно выбираются проводники в качестве «приемников» помех и рассчитывается уровень электромагнитных помех U_пом в них как сумма наводок от элементарных отрезков остальных печатных проводников, при условии, что наводки сложатся синфазно. В расчете на наихудший случай предполагается, что в проводниках «источниках» помех действуют электрические сигналы на максимальной рабочей частоте для данной печатной платы.

Амплитуда помехи, наводимой j-м элементарным отрезком «источником» помех, в i-м отрезке, «приемнике» помех, определяемая по формуле

где I_m - амплитуда тока в активных проводниках «источниках» помех; Δl - длина элементарного отрезка; µ_r - магнитная проницаемость основания печатной платы; ε_r - диэлектрическая проницаемость основания печатной платы; λ_i - длина волны в активных проводниках «источниках» помех; r - расстояние между элементарными отрезками «источником» и «приемником» помех; θ - сферическая координата отрезка «приемника» относительно отрезка «излучателя»; α - угол между осями элементарных отрезков «приемника» и «излучателя».

Суммарный уровень электромагнитных помех в проводнике «приемнике» рассчитывается по формуле

,

где N1 - количество элементарных отрезков на проводнике «приемнике» помех; N2 - количество элементарных отрезков в проводниках «источниках» помех.

Выбирается допустимый уровень помех в сигнальных проводниках U_доп, если для какого-либо из сигнальных печатных проводников не выполняется неравенство U_пом<U_доп, то выбирается другой вариант размещения печатных проводников и процедура расчета повторяется.

Таким образом, предлагаемая конструкция многослойной печатной платы позволит получить оптимальный вариант топологии печатной платы, отвечающий минимальному уровню перекрестных помех.

Источники информации

1. Долкарт В.М., Новик Г.Х. Конструктивные и электрические характеристики многослойных печатных плат. М., Советское радио, 1974, 88 с.

2. ОСТ 4 Г0.10.011. Редакция 1-70 «Платы печатные. Конструирование», с.14, п.6.25, 6.26.

3. SU 2029434 A, 15.07.1983. Многослойная печатная плата (прототип).

Многослойная печатная плата, состоящая из сигнальных диэлектрических слоев с топологическим рисунком печатного монтажа, чередующихся с экранирующими слоями, выполненными в виде сетки, на которую нанесены печатные проводники, повторяющие конфигурацию топологического рисунка соседнего сигнального слоя, отличающаяся тем, что в процессе трассировки сигнальных печатных проводников рассчитывается уровень электромагнитных помех, наводимых проводниками друг на друга, для расчета уровня помех все сигнальные проводники каждого слоя многослойной печатной платы условно разбиваются на элементарные отрезки, каждый из которых представляется в виде элементарного излучателя, поочередно выбираются проводники в качестве «приемников» помех и рассчитывается уровень электромагнитных помех U_пом в них как сумма наводок от элементарных отрезков остальных печатных проводников при условии, что в проводниках «источниках» помех действуют электрические сигналы на максимальной рабочей частоте для данной печатной платы, а наводки складываются синфазно, далее выбирается допустимый уровень помех в сигнальных проводниках U_доп, если для какого-либо из сигнальных печатных проводников не выполняется неравенство U_пом<U_доп, то выбирается другой вариант размещения печатных проводников, и процедура расчета повторяется, при этом величина наводимого напряжения помехи в печатном проводнике «приемнике» рассчитывается по формуле
,
где N1 - количество элементарных отрезков на проводнике «приемнике» помех; N2 - количество элементарных отрезков в проводниках «источниках» помех; U_ij - амплитуда помехи, наводимой j элементарным отрезком «источником» помех, в i отрезке «приемнике» помех, определяемая по формуле
,
где I_m - амплитуда тока в активных проводниках «источниках» помех; Δl - длина элементарного отрезка; µ_r - магнитная проницаемость основания печатной платы; ε_r - диэлектрическая проницаемость основания печатной платы; λ_i - длина волны в активных проводниках «источниках» помех; r - расстояние между элементарными отрезками «источником» и «приемником» помех; θ - сферическая координата отрезка «приемника» относительно отрезка «излучателя»; α - угол между осями элементарных отрезков «приемника» и «излучателя».