BASKI DEVRE Tasarımının İncelikleri Prof. Dr. AVNİ MORGÜL
ELEKTRONİK TASARIMIN AŞAMALARI Devre Şemasını Bul veya Tasarla Kullanılacak Elemanları ve Teknolojiyi Seç Elemanları satın al Eğer bacaklı (Radyal, Axial) elemanlar kullanılıyorsa devreyi önce deneme levhasına kur. (Yüksek Frekans devreleri hariç) Devreyi çalıştırıp test et. Eğer doğru çalışıyorsa sonraki adıma geç
Eğer sistem bazında tasarım imkanı varsa BILGISAYAR DESTEKLİ TASARIM (CAD) DOKÜMANTASYON Tasarım konsept ve özelliklerini al veya belirle Özellikleri gir VHDLveya sistem blokları Başlangıç Özellikleri Sistemi simüle et «davranış» modelleri kullan Şemayı çiz NETLIST Şemayı üret Şema çıktısı Malzeme listesi BOM (Bill Of Materials)
BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARıM (DEVAM) NETLİST DOKÜMANTASYON Baskı Devreyi çiz AutoLayout veya elle Simülasyon yap SPICE veya DigiSim Simulasyon Sonuçları PCB Çıktısı CAD data Gerber, Excellon vs.. Photo Plotter PCB İmalatı için gerekli veriler PCB Makinesi Boyama, Aşındırma, Delme, v.s.. Baskı Devre Devre montajı Otomatik veya elle test Ölçülen Özellikler İstatistik değerler
BİLGİSAYAR DESTEKLİ TASARıM (CAD) PROGRAMı YAPıSı ŞEMA (Schematic Capture) Netlist PCB (Layout) CAD Veri Çıkışı Part Symbol Part Reference Part Value KÜTÜPHANE (Lib) Part Package (Footprint) Part ID Part Value
ELEKTRONİK ÇİZİM Şemalar 1. Çizim sembolleri ELEMAN ISO The International Standard Organization ISO ANSI The American National Standards Institution ANSI Dış görünüm direnç bobin The International Standard Organization The American National Standards Institution kondansatör elektrolitik kondansatör diyot transistör potensiyometre
ÇOK KULLANILAN SMD (YÜZEY MONTAJLI) KILIFLAR (DIRENÇ/KONDANSATÖR) Imperial Metric 1206 1005 0805 0603 0402 (3216) 0.12" 0.06" (3.2 mm 1.6 mm) (2512) 0.10" 0.05" (2.5 mm 1.2 mm) (2012) 0.08" 0.05" (2.0 mm 1.3 mm) (1608) 0.06" 0.03" (1.5 mm 0.8 mm) (1005) 0.04" 0.02" (1.0 mm 0.5 mm) SMD Elektrolitik Kondansatörler
Bacaklı (Dual In Line: DIL) TÜMDEVRE KILIFLARI SMD BGA
ELEKTRONİK ÇİZİM 3. Bağlantılar bağlantı atlama Nokta gerekir Tercih edilen garantili Nokta gerekmez
ŞEMALAR
ELEKTRONİK ÇİZİM 4. Şemalar Bakınca kolay anlaşılır olmalı. Düzgün olmalı, elemanlar aynı hizada olmalı. İlgili elemanlar aynı bölgede olmalı. Giriş, çıkış, diğer sayfalara bağlantılar belirtilmeli, adlanmalı veya numaralanmalıdır. Eleman referans numaraları ve değerleri tüm devrelerin bacak numaraları belirtilmelidir. Devrenin adı, kuruluşun adı, çizenin adı, çizim tarihi gibi bilgiler başlık kısmında verilmelidir.
BASKI DEVRE, PCB Baskı devre elemanları elektriksel olarak birbirine bağlayan yalıtkan bir taban malzeme üzerindeki bakır yollardan oluşur. bakır iletkenler lehim yalıtkan taban (dielektrik, izolatör malzeme) uçlar eleman
BASKI DEVRE, PCB (DEVAM) Baskı devrenin avantajları Az hata Çabuk montaj Yüksek yoğunluk Kolay hata bulma Eğitimli personel gerektirmez Otomatik makinelerle montaja uygun Titreşimden etkilenmez Daha az beklenmeyen etkiler (radyasyon, osilasyon, gürültü v.b. çözülmesi zor problemler) oluşur.
BASKI DEVRE ÇEŞİTLERİ Katman sayısı Proses teknolojileri Tek yüzlü Çift yüzlü Çok katmanlı Aşındırma Yoğuşturma veya yapıştırma Taban malzemeleri Kimyasal Epoxy-glass (Cam elyaf) (FR-4) Pertinaks (FR-2) Diğer (Teflon, Alumina, Duroid... ) Mekanik (Freze)
EN ÇOK KULLANILAN TABAN MALZEMELERİ FR-2 (Flame Resistant 2), Reçine emdirilmiş kağıt. Ucuz, genellikle düşük kalitesi tek yüzlü, elektronik devre üretiminde kullanılır. Genellikle 105 C ye dayanır. FR-4 Epoksi reçinesine bandırılmış fiberglass kumaş. Rutubete dayanıklı, iyi izalatör, 130 C dayanır. Endüstriyel ürünlerde kullanılır. 0.1 mm kadar ince levhalar bükülebilir devrelerde kullanılır. Aluminyum, veya metal baskı devre: Isı iletkenliği yüksek ince yalıtkan malzemeden yapılır. Tek veya çift yüzlü yüksek sıcaklıkta çalışan devrelerde kullanılır. Yüksek güçlü anahtari LED lambalar gibi. 0,8 3 mm kalınlıkta yapılabilir.
BÜKÜLEBİLİR TABAN MALZEMELERİ Kapton, polyimide folyo. Bükülebilir baskı devreler için kullanılır. Yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. Pyralux, polyimide-fluoropolymer kompozit folyo Bakır kaplama lehimleme sırasında kalkabilir.
DAHA AZ KULLANILAN TABAN MALZEMELERİ FR-1, FR-2ye benzer, genelde 105 C, bazıları 130 C ye dayanır. Rutubete dayanıklığı az. FR-3, epoksi ile yapıştırılmış kağıt yünü. Tipik olarak 105 C. FR-5, Dokunmuş camyünü ve epoksi, yüksek sıcaklığa dayanıklı, 170 C. FR-6, cam yünü ve polyester G-10, Dokunmuş camyünü ve epoksi - yüksek izolasyon direnci, rutubete dayanıklı, çok sert ve dayanıklı. 130 C. G-11, Dokunmuş camyünü ve epoksi solventlere dayanıklı, yüksek sıcaklığa dayanıklı 170 C.
DİĞER TABAN MALZEMELERİ CEM-1, CEM-2 Kağıt yünü ve epoksi CEM-3, Dokunmamış cam yünü ve epoksi CEM-4, Dokunmuş cam yünü ve epoksi CEM-5, Dokunmuş cam yünü ve polyester PTFE, Rutubete çok dayanıklı (%0,01) saf, pahalı, yüksek frekans uygulamalarında kullanılır. Mekanik olarak yumuşak fakat çok dayanıklı. Seramik katkılı PTFE, dielektrik özellikleri ayarlanabilir. Çok pahalı.yüksek frekanslarda kullanılır. RF-35, fiberglas-güçlendirilmiş seramics katkılı PTFE. Daha az pahalı mekanik özellikleri iyi. Yüksek frekans uygulamalarında kullanılır. Alumina, Seramik tabanlı. Sert ve kırılgan. Çok pahalı. Çok iyi ısı iletkenliği var. Mikrodalga devrelerde kullanılır. Polyimide, Yüksek sıcaklığa dayanıklı polimer. Pahalı yüksek kaliteli taban. Çok düşük sıcaklıklardan 260 C a kadar kullnılabilir.
BAKIR YOLLAR Standart Bakır kaplama kalınlığı ½ ons 18mikrometre 1 ons 36 mikrometre 2 ons 72 mikrometre Genişliği W, Uzunluğu L ve kalınlığı x olan bakır yolun Direnci: R = ρ l l x w x Bakırın özgül direnci r = 1,724 10-6 Ωcm, Bakır kalınlığı x = 18 mm = 0.0018 cm ise w=l yani kare şeklindeki bakır yolun direnci R 1 m dur. Bu bakır yolun endüktansı L = 0,2L(ln 2L + 0,2235 W + 0,5) nh W L w=0,5mm, l=2mm olan bakır yolun endüktansı L=1 nh olur. w
* Mümkün olduğunca KISA * Mümkün olduğunca KALIN DOĞRU BAKIR YOLLAR YANLIŞ Bağlantı Yolu Genişliği Taşınabilecek Maksimum Akım Değeri 0,2 mm 100 ma 0,5 mm 300 ma 1,0 mm 2,5 A 2,0 mm 5 A 3,0 mm 6 A 4,0 mm 7 A 5,0 mm 9 A Sadece 90 veya 45 Dar açılar ve yamuk çizgiler yasak
BAKIR YOLLAR Mümkün olduğunca KISA Çünkü yollar bir anten gibi çalışır Havadan gelen parazitleri toplar Havaya parazit yayar Mümkün olduğunca KALIN İmalat sırasında ve lehim yaparken yollar kopmaz, kalkmaz Direnci küçük olur Yeterince akım taşıyabilir Besleme ve toprak hatları diğer hatlardan daha kalın olmalı
BASKI DEVRE ÇİZİMİNDE HATA KAYNAKLARI İstenmeyen gürültü ve sinyallerin karışma yolları: Kapasitif enterferans Endüktif enterferans Elektromanyetik enterferans Topraklama
KAPASİTİF ENTERFERANS Sebep: Yakın yollar arasındaki kapasite Ne zaman etkilidir? Yüksek empedanslı düğümlerde Yüksek frekanslı sinyallerin olduğu yollarda Yüksek gerilim sinyallerin olduğu yollarda Hızlı değişen sayısal sinyallerin olduğu yollarda Nasıl Korunulur? Mümkünse empedansı düşürün Yolların arasından toprak hatları geçirin Yukarda sayılan türden sinyalleri taşıyan yolları birbirinden uzaklaştırın Analog ve sayısal toprakları ayırın
ENDÜKTİF ENETERFERANS Sebap: Hatlar arasındaki manyetik kuplaj Ne zaman oluşur? Büyük genlikli alternatif akımlar Hızlı anahtarlamalar Uzun yollar Halka şeklinde yollar (Loop) Korunma yolları: Yolları kısa tutun Yolları birbirine dik yapın Toprak bağlantılarını yıldız şeklinde yapın Halka varsa alanını küçültün Toprak bağlantılarını uygun yapın
ELEKTROMANYETİK ENTERFERANS Sebebi: Uzun yollar ve teller anten gibi çalışır Dalga boyunun ( ) 1/20 sinden uzun yollar (özellikle toprak düzleminden uzakta ise) Enterferans üreten kaynaklar: Telsiz iletişim sitemleri: Telefon (900-1800 MHz; =30-15cm WiFi, Bluetooth (2.5-5GHz; =12-6cm) FM Radyo, TV yayını ( =300cm 35cm) Ortamda bulunan her türlü elektrikli cihazlar Yüksek hızlı mikroişlemciler vb. Korunma yolları Kısa yollar kullanmak Ekranlama için geniş toprak alanları kullanmak Besleme yollarında ferrit boncuk veya bobin kullanmak
KAPALI HALKALAR Kapalı halkalar manyetik alan enerjisini toplar ve manyetik alan üretir. Halka Bağlantı Yıldız Bağlantı +VDC +VDC
ANALOG VE DİJİTAL KISIMLAR Analog ve Dijital kısımların besleme ve toprak bağlantıları ayrı ayrı yapılmalı Bir tane büyük kondansatör Analog Toprak +VDC Ferrite Boncuk Tek noktada toprak bağlantısı Dijital Toprak Her besleme noktası için ayrı köprüleme kondansatörü Toprağı kesmeyecek şekilde dolaşıyor Analog Kısım Dijital Kısım
VDD BESLEME VE TOPRAK DAĞITIMI IC1 IC2 IC3 YANLIŞ GND VDD GND IC1 IC2 IC3 DOĞRU
Excellon Dosyası Gerber Dosyası PCB KATMANLARI Top Copper (GTL) : Üst Bakır Top Solder mask (GTS): Üst Lehim maskesi Top Silkscreen (GTO): Üst serigraf (yazılar) Bottom Copper (GTL) : Alt Bakır Bottom Solder mask (GTS): Alt Lehim maskesi Bottom Silkscreen (GTO): Alt serigraf (yazılar) Drill File: Delik dosyası
REFERANSLAR PCB Design Guidelines For Reduced EMI, Texas Instruments, SZZA009 November 1999, www.ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf Prınter Cırcuıt Board Issues, Analog Devices, 2006, www.analog.com/library/analogdialogue/archives/43-09/edch12pcissues.pdf Lecture 2: Fundamentals and PCB Layout, Hong Ma, Biomedical Devices Design Laboratory, 2007, http://ocw.mit.edu/courses/mechanical-engineering/2-996-biomedicaldevices-design-laboratory-fall-2007/lecture-notes/lecture02.pdf PCB Layout Design Guide for Analog Applications, Edward Lee, Rafael Garcia Mora, Freescale Semiconductor Application Note AN3962, http://cache.freescale.com/files/analog/doc/app_note/an3962.pdf Effective PCB Design: TechniquestoImprovePerformance Techniques to Improve Performance Daniel Beeker Senior Field Applications Engineer Freescale Semiconductor, Inc., https://www.nxp.com/files/training_pdf/wbnr_pcbdesign.pdf?lang_cd=en RF Design Guidelines: PCB Layout and Circuit Optimization, Semtech, Appl. Note AN 1200.04, http://www.semtech.com/images/datasheet/rf_design_guidelines_semtech.pdf