A causa de la petita mida i la mida, gairebé no hi ha estàndards existents de la placa de circuit imprès per al creixent mercat de IoT. Abans que aquests estàndards sortissin, vam haver de confiar en el coneixement i l’experiència de fabricació apresa en el desenvolupament a nivell del consell i pensar en com aplicar-los a reptes emergents únics. Hi ha tres àrees que requereixen la nostra atenció especial. Són: materials de superfície de la placa de circuit, disseny de rf/microones i línies de transmissió de RF.

Material de PCB

El "PCB" consisteix generalment en laminats, que poden ser epoxi reforçats amb fibra (FR4), polimida o materials Rogers o altres materials laminats. El material aïllant entre les diferents capes s’anomena prepreg.

Els dispositius portables requereixen una alta fiabilitat, de manera que quan els dissenyadors de PCB s’enfronten a l’elecció d’utilitzar FR4 (el material de fabricació de PCB més rendible) o materials més avançats i més cars, això es convertirà en un problema.

Si les aplicacions PCB que es poden portar requereixen materials d’alta velocitat i d’alta freqüència, és possible que FR4 no sigui la millor opció. La constant dielèctrica (DK) de FR4 és de 4.5, la constant dielèctrica del material de la sèrie Rogers 4003 més avançat és de 3,55 i la constant dielèctrica de la sèrie Brother Rogers 4350 és de 3,66.

“La constant dielèctrica d’un laminat es refereix a la relació de la capacitança o l’energia entre un parell de conductors propers al laminat a la capacitança o l’energia entre el parell de conductors al buit. A freqüències altes, el millor és tenir una pèrdua petita. Per tant, Roger 4350 amb una constant dielèctrica de 3,66 és més adequada per a aplicacions de freqüència més elevada que FR4 amb una constant de dielèctrica de 4.5.

En circumstàncies normals, el nombre de capes de PCB per a dispositius portables oscil·la entre 4 i 8 capes. El principi de la construcció de capes és que si es tracta d’un PCB de 8 capes, hauria de ser capaç de proporcionar prou capes de terra i potència i sandwich la capa de cablejat. D’aquesta manera, l’efecte ondulador en la crisi es pot mantenir al mínim i es pot reduir significativament la interferència electromagnètica (EMI).

A l’etapa de disseny de la disposició de la placa de circuit, el pla de disseny és generalment per situar una gran capa de terra a prop de la capa de distribució d’energia. Això pot formar un efecte ondulat molt baix i el soroll del sistema també es pot reduir a gairebé zero. Això és especialment important per al subsistema de freqüència de ràdio.

En comparació amb el material de Rogers, FR4 té un factor de dissipació més elevat (DF), especialment a alta freqüència. Per a laminats FR4 de major rendiment, el valor DF és d'aproximadament 0,002, que és un ordre de magnitud millor que el FR4 ordinari. Tot i això, la pila de Rogers és de només 0,001 o menys. Quan el material FR4 s’utilitza per a aplicacions d’alta freqüència, hi haurà una diferència significativa en la pèrdua d’inserció. La pèrdua d’inserció es defineix com la pèrdua de potència del senyal del punt A al punt B quan s’utilitza FR4, Rogers o altres materials.

Crea problemes

El PCB que es pot portar requereix un control d’impedància més estricte. Aquest és un factor important per als dispositius portables. La concordança d’impedàncies pot produir una transmissió de senyal més net. Anteriorment, la tolerància estàndard per a les traces de transport del senyal va ser de ± 10%. Aquest indicador, òbviament, no és prou bo per als circuits d’alta freqüència i d’alta velocitat actuals. El requisit actual és de ± 7% i, en alguns casos, fins i tot ± 5% o menys. Aquest paràmetre i altres variables afectaran greument la fabricació d’aquests PCB portables amb un control d’impedància especialment estricte, limitant així el nombre d’empreses que els poden fabricar.

La tolerància constant dielèctrica del laminat fet de materials de Rogers UHF es manté generalment al ± 2%, i alguns productes poden fins i tot arribar al ± 1%. En canvi, la tolerància constant dielèctrica del laminat FR4 és tan alta com un 10%. Per tant, compareu aquests dos materials que es pot trobar que la pèrdua d'inserció de Rogers és especialment baixa. En comparació amb els materials FR4 tradicionals, la pèrdua de transmissió i la pèrdua d’inserció de la pila de Rogers són mig més baixos.

En la majoria dels casos, el cost és el més important. Tot i això, Rogers pot proporcionar un rendiment laminat d’alta freqüència relativament baixa en un punt de preu acceptable. Per a aplicacions comercials, Rogers es pot convertir en un PCB híbrid amb FR4 basat en epoxi, algunes de les quals utilitzen material Rogers i altres capes utilitzen FR4.

Quan escolliu una pila de Rogers, la freqüència és la consideració principal. Quan la freqüència supera els 500MHz, els dissenyadors de PCB solen triar materials de Rogers, especialment per als circuits de RF/microones, perquè aquests materials poden proporcionar un rendiment més elevat quan les traces superiors estan estrictament controlades per impedància.

En comparació amb el material FR4, el material de Rogers també pot proporcionar una pèrdua dielèctrica inferior i la seva constant dielèctrica és estable en un ampli rang de freqüència. A més, el material de Rogers pot proporcionar el rendiment ideal de pèrdua d’inserció que requereix el funcionament d’alta freqüència.

El coeficient d’expansió tèrmica (CTE) dels materials de la sèrie Rogers 4000 té una excel·lent estabilitat dimensional. Això vol dir que en comparació amb FR4, quan el PCB pateix cicles de soldadura de refrigeració fred, calent i calent, es pot mantenir l’expansió tèrmica i la contracció de la placa de circuit a un límit estable sota cicles de temperatura i freqüència més alta.

En el cas de l’apilament mixt, és fàcil utilitzar la tecnologia de processos de fabricació comuna per barrejar Rogers i FR4 d’alt rendiment junts, de manera que és relativament fàcil aconseguir un alt rendiment de fabricació. La pila de Rogers no requereix un procés especial mitjançant la preparació.

FR4 comú no pot aconseguir un rendiment elèctric molt fiable, però els materials FR4 d’alt rendiment tenen bones característiques de fiabilitat, com ara TG més elevada, encara relativament baix, i es poden utilitzar en una àmplia gamma d’aplicacions, des del disseny d’àudio simple fins a aplicacions complexes de microones.

Consideracions de disseny de RF/microones

La tecnologia portàtil i el Bluetooth han obert el camí per a les aplicacions de RF/microones en dispositius portables. El rang de freqüència actual és cada cop més dinàmic. Fa uns anys, es va definir una freqüència molt alta (VHF) com a 2GHz ~ 3GHz. Però ara podem veure aplicacions de freqüència ultra-alta (UHF) que van de 10 GHz a 25 GHz.

Per tant, per al PCB que es pot portar, la part de RF requereix més atenció als problemes de cablejat i els senyals s’han de separar per separat i s’han de mantenir els rastres que generen senyals d’alta freqüència. Altres consideracions inclouen: proporcionar un filtre de bypass, condensadors de desacoblament adequats, posar a terra i dissenyar la línia de transmissió i la línia de retorn gairebé igual.

El filtre de bypass pot suprimir l'efecte ondulador del contingut de soroll i la crisi. Cal que els condensadors de desacoblació s’apropin als pins del dispositiu que porten senyals d’alimentació.

Les línies de transmissió d’alta velocitat i els circuits de senyal requereixen que es col·loqui una capa de terra entre els senyals de la capa d’alimentació per suavitzar el punyet generat pels senyals de soroll. A velocitats de senyal més elevades, els desajustos d’impedància de petites causen transmissió i recepció desequilibrades de senyals, donant lloc a una distorsió. Per tant, cal prestar una atenció especial al problema de concordança d’impedàncies relacionat amb el senyal de freqüència de ràdio, perquè el senyal de freqüència de ràdio té una velocitat elevada i una tolerància especial.

Les línies de transmissió de RF requereixen una impedància controlada per tal de transmetre senyals RF des d’un substrat IC específic al PCB. Aquestes línies de transmissió es poden implementar a la capa exterior, a la capa superior i a la capa inferior o es poden dissenyar a la capa mitjana.

Els mètodes utilitzats durant la disposició de disseny de RF PCB són la línia de microstrip, la línia de tira flotant, la guia d'ona cooplanar o la posada a terra. La línia de microstrip consisteix en una longitud fixa de metall o traces i tot el pla de terra o part del pla terrestre directament a sota. La impedància característica de l'estructura general de la línia de microstrip oscil·la entre 50Ω i 75Ω.

Stripline flotant és un altre mètode de cablejat i supressió del soroll. Aquesta línia consisteix en un cablejat d’amplada fixa a la capa interior i un gran pla de terra per sobre i per sota del conductor central. El pla terrestre es troba entre el pla de potència, de manera que pot proporcionar un efecte fonamental molt eficaç. Aquest és el mètode preferit per al cablejat de senyal RF de PCB.

Coplanar Wavoide pot proporcionar un millor aïllament a prop del circuit RF i el circuit que cal acostar -se. Aquest mitjà consta d’un conductor central i avions terrestres a banda i banda. La millor manera de transmetre senyals de freqüència de ràdio és suspendre les línies de tira o les guies d’ona cooplanar. Aquests dos mètodes poden proporcionar un millor aïllament entre el senyal i les traces de RF.

Es recomana utilitzar l’anomenada “via tanca” a banda i banda de la guia d’ona coplanar. Aquest mètode pot proporcionar una fila de vies de terra a cada pla de terra metàl·lic del conductor del centre. La traça principal que funciona al centre té tanques a cada costat, proporcionant així una drecera per al corrent de retorn a terra inferior. Aquest mètode pot reduir el nivell de soroll associat a l’elevat efecte ondulador del senyal de RF. La constant dielèctrica de 4.5 continua sent la mateixa que el material FR4 del prepreg, mentre que la constant dielèctrica del prepreg (de microstrip, estriplina o estriplina de desplaçament) és d’uns 3,8 a 3,9.

En alguns dispositius que utilitzen un pla terrestre, es poden utilitzar vies cegues per millorar el rendiment de desacoblament del condensador de potència i proporcionar una ruta de shunt des del dispositiu fins a terra. El camí de shunt cap a terra pot reduir la longitud de la via. Això pot aconseguir dos propòsits: no només creeu un shunt o un terreny, sinó que també reduïu la distància de transmissió dels dispositius amb zones petites, que és un factor de disseny important de RF.