Zbog male veličine i veličine, gotovo da ne postoje postojeći standardi štampanih ploča za rastuće tržište nosivih IoT-a. Prije nego što su ovi standardi izašli, morali smo se osloniti na znanje i proizvodno iskustvo stečeno u razvoju na razini odbora i razmišljati o tome kako ih primijeniti na jedinstvene izazove koji se pojavljuju. Postoje tri oblasti koje zahtevaju našu posebnu pažnju. To su: površinski materijali ploča, RF/mikrotalasni dizajn i RF dalekovodi.

PCB materijal

“PCB” se općenito sastoji od laminata, koji mogu biti napravljeni od epoksida ojačanog vlaknima (FR4), poliimida ili Rogers materijala ili drugih laminatnih materijala. Izolacijski materijal između različitih slojeva naziva se prepreg.

Nosivi uređaji zahtijevaju visoku pouzdanost, tako da kada dizajneri PCB-a budu suočeni s izborom korištenja FR4 (najisplativijeg materijala za proizvodnju PCB-a) ili naprednijih i skupljih materijala, to će postati problem.

Ako aplikacije za nosive PCB zahtijevaju materijale velike brzine i visoke frekvencije, FR4 možda nije najbolji izbor. Dielektrična konstanta (Dk) FR4 je 4,5, dielektrična konstanta naprednije Rogers 4003 serije materijala je 3,55, a dielektrična konstanta bratske serije Rogers 4350 je 3,66.

„Dielektrična konstanta laminata odnosi se na omjer kapacitivnosti ili energije između para vodiča u blizini laminata i kapacitivnosti ili energije između para vodiča u vakuumu. Na visokim frekvencijama, najbolje je imati mali gubitak. Stoga je Roger 4350 s dielektričnom konstantom od 3,66 pogodniji za primjene viših frekvencija od FR4 s dielektričnom konstantom od 4,5.

U normalnim okolnostima, broj slojeva PCB-a za nosive uređaje kreće se od 4 do 8 slojeva. Princip konstrukcije slojeva je da ako se radi o 8-slojnoj štampanoj ploči, on treba da bude u stanju da obezbedi dovoljno slojeva za uzemljenje i napajanje i uklopi sloj ožičenja. Na ovaj način, efekat talasanja u preslušavanju može se svesti na minimum, a elektromagnetne smetnje (EMI) mogu biti značajno smanjene.

U fazi dizajna sklopa, plan rasporeda je općenito postavljanje velikog sloja zemlje blizu sloja za distribuciju energije. Ovo može stvoriti efekat vrlo niskog talasa, a sistemska buka se također može smanjiti na skoro nulu. Ovo je posebno važno za podsistem radio frekvencija.

U poređenju sa Rogersovim materijalom, FR4 ima veći faktor disipacije (Df), posebno na visokoj frekvenciji. Za FR4 laminate viših performansi, vrijednost Df je oko 0,002, što je za red veličine bolje od običnog FR4. Međutim, Rogersov stack je samo 0,001 ili manje. Kada se FR4 materijal koristi za visokofrekventne aplikacije, postojaće značajna razlika u gubitku umetanja. Gubitak umetanja se definiše kao gubitak snage signala od tačke A do tačke B kada se koriste FR4, Rogers ili drugi materijali.

stvaraju probleme

Nosivi PCB zahtijeva strožiju kontrolu impedancije. Ovo je važan faktor za nosive uređaje. Usklađivanje impedancije može proizvesti čistiji prijenos signala. Ranije je standardna tolerancija za tragove prenosa signala bila ±10%. Ovaj indikator očito nije dovoljno dobar za današnja visokofrekventna i brza kola. Trenutni zahtjev je ±7%, au nekim slučajevima čak ±5% ili manje. Ovaj parametar i druge varijable će ozbiljno uticati na proizvodnju ovih nosivih PCB-a sa posebno strogom kontrolom impedancije, ograničavajući na taj način broj preduzeća koja ih mogu proizvoditi.

Tolerancija dielektrične konstante laminata napravljenog od Rogers UHF materijala općenito se održava na ±2%, a neki proizvodi mogu doseći i ±1%. Nasuprot tome, tolerancija dielektrične konstante FR4 laminata je čak 10%. Stoga, uporedi Za ova dva materijala može se utvrditi da je Rogersov gubitak umetanja posebno nizak. U poređenju sa tradicionalnim FR4 materijalima, gubitak pri prijenosu i umetanje Rogers steka su upola manji.

U većini slučajeva, cijena je najvažnija. Međutim, Rogers može pružiti performanse laminata visoke frekvencije s relativno malim gubicima po prihvatljivoj cijeni. Za komercijalne primjene, Rogers se može napraviti u hibridni PCB sa FR4 na bazi epoksida, od kojih neki slojevi koriste Rogers materijal, a drugi slojevi koriste FR4.

Prilikom odabira Rogers steka, frekvencija je primarna stvar. Kada frekvencija prelazi 500MHz, dizajneri PCB-a teže da biraju Rogers materijale, posebno za RF/mikrovalna kola, jer ovi materijali mogu pružiti veće performanse kada su gornji tragovi strogo kontrolirani impedancijom.

U poređenju sa FR4 materijalom, Rogers materijal takođe može da obezbedi manji dielektrični gubitak, a njegova dielektrična konstanta je stabilna u širokom frekventnom opsegu. Osim toga, Rogers materijal može pružiti idealne performanse niskog gubitka umetanja koje zahtijeva visokofrekventni rad.

Koeficijent termičke ekspanzije (CTE) materijala Rogers serije 4000 ima odličnu dimenzijsku stabilnost. To znači da u poređenju sa FR4, kada PCB prolazi kroz cikluse hladnog, vrućeg i vrlo vrućeg reflow lemljenja, termičko širenje i kontrakcija ploče može se održavati na stabilnoj granici pod ciklusima viših frekvencija i viših temperatura.

U slučaju miješanog slaganja, lako je koristiti uobičajenu tehnologiju proizvodnog procesa za miješanje Rogersa i FR4 visokih performansi, tako da je relativno lako postići visok proizvodni prinos. Rogers stog ne zahtijeva poseban proces pripreme.

Uobičajeni FR4 ne može postići vrlo pouzdane električne performanse, ali FR4 materijali visokih performansi imaju dobre karakteristike pouzdanosti, kao što je viši Tg, još uvijek relativno niska cijena, i mogu se koristiti u širokom rasponu aplikacija, od jednostavnog audio dizajna do složenih mikrovalnih aplikacija .

Razmatranja dizajna RF/mikrovalne pećnice

Prijenosna tehnologija i Bluetooth utrli su put za RF/mikrovalne aplikacije u nosivim uređajima. Današnji frekventni opseg postaje sve dinamičniji. Prije nekoliko godina, vrlo visoka frekvencija (VHF) je definirana kao 2GHz~3GHz. Ali sada možemo vidjeti aplikacije ultra-visokih frekvencija (UHF) u rasponu od 10GHz do 25GHz.

Stoga, za nosivu PCB, RF dio zahtijeva više pažnje na probleme ožičenja, a signale treba odvojiti odvojeno, a tragove koji generiraju visokofrekventne signale treba držati podalje od zemlje. Ostala razmatranja uključuju: obezbjeđivanje bypass filtera, adekvatne kondenzatore za razdvajanje, uzemljenje i projektovanje dalekovoda i povratnog voda da budu gotovo jednaki.

Bypass filter može potisnuti efekat talasanja sadržaja buke i preslušavanja. Kondenzatori za razdvajanje moraju biti postavljeni bliže pinovima uređaja koji prenose signale napajanja.

Linije za prijenos velike brzine i signalna kola zahtijevaju da se sloj zemlje postavi između signala sloja snage kako bi se izgladio podrhtavanje generirano signalima šuma. Pri većim brzinama signala, male neusklađenosti impedanse će uzrokovati neuravnotežen prijenos i prijem signala, što će rezultirati izobličenjem. Stoga se posebna pažnja mora posvetiti problemu usklađivanja impedanse koji se odnosi na radio frekvencijski signal, jer radio frekvencijski signal ima veliku brzinu i posebnu toleranciju.

RF prijenosne linije zahtijevaju kontroliranu impedanciju kako bi prenijeli RF signale sa specifične IC podloge na PCB. Ovi dalekovodi mogu biti implementirani na vanjskom sloju, gornjem sloju i donjem sloju, ili mogu biti dizajnirani u srednjem sloju.

Metode koje se koriste tokom PCB RF dizajna su mikrotrakasta linija, plutajuća trakasta linija, koplanarni talasovod ili uzemljenje. Mikrotrakasta linija se sastoji od fiksne dužine metala ili tragova i cijele uzemljene ravnine ili dijela uzemljene ravnine direktno ispod nje. Karakteristična impedansa u opštoj mikrotrakastoj linijskoj strukturi kreće se od 50Ω do 75Ω.

Plutajuća trakasta linija je još jedna metoda ožičenja i suzbijanja buke. Ova linija se sastoji od ožičenja fiksne širine na unutrašnjem sloju i velike ravni uzemljenja iznad i ispod središnjeg provodnika. Uzemljena ploča je u sendviču između ravni za napajanje, tako da može pružiti vrlo efikasan efekat uzemljenja. Ovo je poželjna metoda za ožičenje nosivog PCB RF signala.

Koplanarni talasovod može da obezbedi bolju izolaciju u blizini RF kola i kola koje treba usmeriti bliže. Ovaj medij se sastoji od centralnog provodnika i uzemljenja sa obje strane ili ispod. Najbolji način za prijenos radiofrekventnih signala je suspenzija trakastih linija ili komplanarnih valovoda. Ove dvije metode mogu obezbijediti bolju izolaciju između signala i RF tragova.

Preporučljivo je koristiti tzv. “preko ograde” na obje strane koplanarnog valovoda. Ova metoda može obezbijediti red uzemljenja na svakoj metalnoj ravni uzemljenja središnjeg provodnika. Glavni trag koji se proteže u sredini ima ograde sa svake strane, pružajući tako prečicu za povratnu struju do tla ispod. Ova metoda može smanjiti nivo šuma povezan sa visokim efektom talasanja RF signala. Dielektrična konstanta od 4,5 ostaje ista kao i FR4 materijal preprega, dok je dielektrična konstanta preprega - od mikrotrakaste, trakaste ili offset trake - oko 3,8 do 3,9.

U nekim uređajima koji koriste uzemljenu ravninu, slijepi spojevi se mogu koristiti za poboljšanje performansi razdvajanja kondenzatora snage i obezbjeđivanje putanje šanta od uređaja do zemlje. Putanja šanta do zemlje može skratiti dužinu prolaza. Time se mogu postići dvije svrhe: ne samo da stvarate šant ili uzemljenje, već i smanjujete udaljenost prijenosa uređaja s malim površinama, što je važan faktor RF dizajna.