ГОСТ IЕС 61188-1-2-2013

     

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ И ПЕЧАТНЫЕ УЗЛЫ. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

Часть 1-2

Общие требования. Контролируемое волновое сопротивление

Printed boards and printed board assemblies. Design and use. Part 1-2. Generic requirements. Controlled impedance

МКС 31.190

Дата введения 2015-03-01

     

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2009 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, применения, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Некоммерческим образовательным частным учреждением "Новая инженерная школа" (НОЧУ "НИШ") на основе аутентичного перевода на русский язык, указанного в пункте 5 стандарта, который выполнен Российской комиссией экспертов МЭК/ТК 91

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 420 "Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей"

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 14 ноября 2013 г. N 44)

За принятие стандарта проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 16 сентября 2014 года N 1105-ст межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2014 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 марта 2015 года.

5 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту IEC 61188-1-2:1998* Printed boards and printed boards assemblies - Design and use - Part 1-2: Generic requirements - Controlled impedance (Платы печатные и сборки печатных плат. Конструкция и назначение. Часть 1-2. Общие требования. Регулируемое полное сопротивление)

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

Перевод с английского языка (en).

Международный стандарт разработан Техническим комитетом по стандартизации IEC/TC 91 "Технология сборки электронного оборудования" международной электротехнической комиссии (IEC).

Наименование стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5 (пункт 3.5).

Официальные экземпляры международного стандарта, на основе которого подготовлен настоящий межгосударственный стандарт, и международных стандартов, на которые даны ссылки, имеются в национальных органах по стандартизации.

В разделе "Нормативные ссылки" и тексте стандарта ссылки на международные стандарты актуализированы.

Степень соответствия - идентичная (IDT).

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Введение

Компоновка электронных устройств всегда рассматривалась с механической точки зрения. Конструкция электронных компонентов усложняется, так как постоянно растут скорость переключения элементов и плотность их размещения на кристалле. Электронные элементы имеют большое количество связей даже при уменьшении размеров. Чтобы в максимальной степени использовать возможности высокой плотности и скорости переключения соединений внутри электронного элемента, проектирование и изготовление изделий необходимо вести с учетом электромагнитных явлений, сопровождающих прохождение сигнала. Печатные платы с контролируемым волновым сопротивлением - это составная часть указанной концепции.

Проектирование размещения и коммутации электронных компонентов осуществлялось с позиции механики, когда решались вопросы массы, объема, мощностей, формы, а также электрических цепей, в соответствии с таблицей соединений. При этом электрические проводники для передачи сигналов рассматривались только в отношении нескольких факторов, таких как обеспечение контакта между выводами элементов, необходимого сечения проводников, обеспечения зазоров для предотвращения короткого замыкания. Кроме обеспечения надежности контактов электрической цепи, электрические характеристики не являлись основным предметом рассмотрения.

Успехи полупроводниковых (интегральных) технологий привели к созданию интегральных схем с высокой скоростью нарастания сигнала, которые компонуются в электронных устройствах высокой плотности. Для достижения наибольшей эффективности работы таких устройств необходимо применять технологию, обеспечивающую создание межсоединений высокой плотности с улучшенными электрическими характеристиками.

Среди множества проблем систем, связанных с высокоскоростной цифровой обработкой, больше всего внимания приходится уделять межсоединениям. Очевидно, что когда быстродействие системы возрастает, межсоединения, а следовательно, компоновка элементов и печатных плат становятся узким местом, замедляющим работу системы. В устройствах на 100 К эммитерно-связанной логике задержка в межсоединениях системы составляет почти 55%. КМОП-структура, считаясь медленной, используется в тактовом генераторе устройств на частоте свыше 100 МГц. В таких случаях проблемой является не только задержка, но и затухание сигнала при использовании биполярных КМОП-структур из-за низких уровней мощности, амплитуды (напряжения), помехоустойчивости.

     1 Область применения

Настоящий стандарт предназначен для использования разработчиками схем, конструкторами печатных узлов, изготовителями печатных плат и лицами, отвечающими за снабжение, для того чтобы они имели общее представление о каждом направлении деятельности. Цель создания печатного узла состоит в передаче сигнала от компонента к компоненту (одному или нескольким) посредством проводника. Быстродействующие разработки определяются как разработки, в которых свойства соединения заметно влияют на параметры схемы и требуют особенного рассмотрения.

     2 Нормативные документы

Для применения настоящего стандарта необходимы следующие ссылочные документы*. Для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного документа. Для недатированных ссылок применяют последнее издание ссылочного документа (включая все его изменения).

_______________

* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.     

IEC 61182 (все части) Printed boards - Electronic data description and transfer (Печатные платы. Описание и передача электронных данных)

IEC 61182-1:1994 Printed boards - Electronic data description and transfer - Part 1: Printed board description in digital form (Печатные платы. Описание и передача электронных данных. Часть 1. Описание печатной платы в цифровой форме)

IEC 61189-3:1997 Test methods for electrical materials, interconnection structures and assemblies - Part 3: Test methods for interconnection structures (printed boards) (Методы испытаний электрических материалов, печатных плат и других структур межсоединений и печатных узлов. Часть 3. Методы испытаний материалов для структур межсоединений (печатных плат))

     3 Краткий обзор конструкций

3.1 Выбор компонента

Семейства компонентов создаются на основе разных схемотехнических решений таких как ТТЛ, ТТЛ с диодами Шотки, КМОП-структуры, эмиттерно-связанная логика, технология на основе арсенид галлия, в результате чего они обладают специфичным набором требований к мощности, диапазону рабочих температур, плотности упаковки элементов на кристалле, входным сопротивлением и выходным сопротивлениям, пороговым уровням сигнала, чувствительности к помехам, ко времени срабатывания, и крутизной переднего и спада. Во многих устройствах используют смешанную технологию, когда монтаж на поверхность платы и в отверстия осуществляется с использованием компонентов на основе ТТЛ, КМОП-структуры, эмиттерно-связанной логики. Это может потребовать разной ширины проводников (для обеспечения волнового сопротивления) на одном и том же слое платы или в качестве компромисса одной промежуточной ширины, обеспечивающей допустимое значение для различных семейств логических схем.

Полупроводниковые приборы допускается устанавливать непосредственно на плату или монтировать на промежуточной плате или иной подложке. Крупные изделия могут включать в себя узлы, состоящие из нескольких уровней соединений. Переход от одного уровня межсоединений к последующему будет сопровождаться ухудшением параметров, таких как помехи, временные характеристики, затухание.

При создании электрических соединений применяют широкий набор решений от использования двухрядного расположения штырьковых выводов, устанавливаемых в металлизированные отверстия печатной платы, до группового расположения выводов при поверхностном монтаже. Требования к монтажу компонента зависят от многих факторов, таких как назначение устройства, экономичность, электрические параметры и надежность, а также преобладающий метод монтажа. Компоненты должны быть подготовлены таким образом, чтобы они совмещались с технологиями монтажа, используемыми для изготовления печатного узла.

При проектировании высокочастотных устройств необходимо учитывать особенности монтажа компонентов. В пассивных компонентах главным фактором будет длина выводов, так как они обеспечивают дополнительную индуктивность и емкость, которые влияют на скорость распространения сигнала и нестационарные процессы. Чтобы минимизировать эти явления, выводы должны быть настолько короткие, насколько возможно или удалены вообще. Компоненты поверхностного монтажа имеют безвыводные корпуса, которые могут быть непосредственно установлены на подложку межсоединения.

При проектировании быстродействующих устройств конструкцию корпуса необходимо учитывать. У пассивных элементов доминирующим фактором является длина выводов, так как они вносят дополнительную индуктивность и емкость, которые влияют на скорость распространения и время переключения сигналов. Чтобы минимизировать эти эффекты, необходимо снизить длину выводов или вообще исключить их. Поверхностный монтаж позволяет использовать безвыводные корпуса, которые можно монтировать непосредственно на печатную плату.

Примечание - Технические требования компонента часто не содержат данных по высокочастотным шумам и скорости распространения.

Активные компоненты, такие как интегральные схемы, часто выпускаются в разных корпусах. В общем случае DIP-корпуса или пластмассовые, или керамические являются преобладающими. Они, как правило, наиболее габаритны и из-за конфигурации выводов не приспособлены для высокочастотных разработок. Лучший тип корпуса - корпус для поверхностного монтажа. Их выпускают во многих вариантах корпусов, таких как SOIC, PLCC, PFQP, TSOP, BGA. У этих корпусов, как правило, емкость и индуктивность ниже.

Для обеспечения наибольшего быстродействия бескорпусной полупроводниковый прибор может быть непосредственно установлен на подложке по схеме "чип на плате" или в перевернутом виде по схеме "флип-чип", или методом автоматизированной установки с ленты-носителя. Указанные методы рассматриваются как оптимальная технология, так как она минимизирует емкость и индуктивность вывода.

3.2 Межплатные соединения

3.2.1 Соединители

Межуровневые соединения часто создают проблемы в высокочастотных устройствах, так как не обеспечивается непрерывность среды распространения сигнала. Большинство межплатных соединителей (разъемов) были разработаны без учета высокого быстродействия, что приводит к искажению сигналов. Соединители плат часто рассогласованы с волновым сопротивлением линий на плате.

Существуют два основных подхода по уменьшению неоднородности, вызванной системами соединителей:

a) первый подход заключается в подключении соединителя таким образом, чтобы обеспечить рациональный путь прохождения сигнала. Для однополярных сигналов должна обеспечиваться электромагнитная связь между сигнальным проводником и ближайшей плоскостью опорной цепи (питания или земли). Качество не однополярного сигнала зависит от геометрии и расстояния проводника от опорной цепи, что тем самым определяет волновое сопротивление. Относительное расположение сигнальных и потенциальных контактов влияет на параметры сети. Чтобы оптимизировать эти характеристики, дополнительно к контактам соединителя подводят опорную цепь, тем самым снижая проблемы от перекрестных помех. Как правило, соотношение числа сигнальных выводов к числу выводов опорной цепи 3:1 (т.е. на три сигнальных - один вывод опорной цепи), является достаточным;

b) второй подход заключается в модификации соединителя так, чтобы минимизировать неоднородность. Это достигается сокращением длины штырьковых выводов, добавлением опорного слоя земли внутри соединителя или уменьшением расстояния между платами.

Коаксиальные соединители часто устанавливаются на платы, когда относительно немного линий связи соединены с печатной платой или там, где важны и гальваническая развязка, и стабильность сигнала.

3.2.2 Кабели

Коаксиальные соединители и кабели часто используются, потому что они могут обеспечивать высокую скорость и передачу высокочастотных сигналов на печатную плату с небольшим затуханием сигнала. Имеются четыре области применения, в которых использование кабелей обеспечивает положительный эффект:

- скорость распространения сигнала;

- перекрестные помехи;

- наведенные помехи;

- согласование волновых сопротивлений.

Для устройств, работающих на частоте до 18 ГГц, для объемного монтажа используют коаксиальные кабели. Оптический кабель также используют с платами объемного монтажа для высокочастотных сигналов.

3.3 Печатная плата и печатные узлы

Размещение компонентов - чрезвычайно важный фактор в разработке быстродействующих систем. Последствия неправильной компоновки могут быть существенными и создавать проблемы в следующих областях:

- обеспечение помехоустойчивости;

- обеспечение необходимого уровня волнового сопротивления;

- распределение питания.

3.3.1 Проектирование платы

Количество сигнальных слоев в многослойных платах зависит как от плотности трассировки проводников, так и от уровня перекрестных помех, а также связи между сигнальными линиями. Наличие перекрестной помехи может привести к необходимости добавления слоев или может требовать увеличения расстояния между проводниками, уменьшающее плотность трассировки.

Плотность проводного монтажа в пределах платы будет влиять на перекрестную помеху. Трассировка проводников по диагонали в слоях, где проводники проложены ортогонально (т.е. по направлениям X и Y), позволяет повышать плотность соединений и соответственно обеспечивать более плотное размещение компонентов, и снижать уровень перекрестных помех.

Тесная связь между разработкой и быстродействием существует в случае соединительных линий, предназначенных для передачи высокочастотных цифровых сигналов. Эта взаимозависимость не наблюдалась ранее или могла быть проигнорирована применительно к сигналам с малым быстродействием, однако, для высоких частот налагаются новые правила проектирования и контроля изготовления.