Vzhledem k malé velikosti a velikosti neexistují téměř žádné existující standardy desek plošných spojů pro rostoucí trh nositelných IoT. Než tyto normy vyšly, museli jsme se spolehnout na znalosti a výrobní zkušenosti získané při vývoji na úrovni desek a přemýšlet o tom, jak je aplikovat na jedinečné vznikající výzvy. Existují tři oblasti, které vyžadují naši zvláštní pozornost. Jsou to: povrchové materiály desek plošných spojů, RF/mikrovlnný design a RF přenosové linky.

Materiál PCB

„PCB“ se obecně skládá z laminátů, které mohou být vyrobeny z vláknem vyztužených epoxidových (FR4), polyimidových nebo Rogersových materiálů nebo jiných laminátových materiálů. Izolační materiál mezi různými vrstvami se nazývá prepreg.

nositelná zařízení vyžadují vysokou spolehlivost, takže když budou návrháři plošných spojů postaveni před volbu použít FR4 (nejcennější materiál pro výrobu plošných spojů) nebo pokročilejší a dražší materiály, stane se to problémem.

Pokud aplikace nositelných desek plošných spojů vyžadují vysokorychlostní a vysokofrekvenční materiály, FR4 nemusí být tou nejlepší volbou. Dielektrická konstanta (Dk) FR4 je 4,5, dielektrická konstanta pokročilejšího materiálu řady Rogers 4003 je 3,55 a dielektrická konstanta bratrské řady Rogers 4350 je 3,66.

„Dielektrická konstanta laminátu se vztahuje k poměru kapacity nebo energie mezi párem vodičů v blízkosti laminátu ke kapacitě nebo energii mezi párem vodičů ve vakuu. Na vysokých frekvencích je nejlepší mít malou ztrátu. Proto je Roger 4350 s dielektrickou konstantou 3,66 vhodnější pro aplikace s vyšší frekvencí než FR4 s dielektrickou konstantou 4,5.

Za normálních okolností se počet vrstev PCB u nositelných zařízení pohybuje od 4 do 8 vrstev. Princip vrstvené konstrukce spočívá v tom, že pokud se jedná o 8vrstvou desku plošných spojů, měla by být schopna poskytnout dostatek zemnících a napájecích vrstev a sendvičovat vrstvu vodičů. Tímto způsobem lze omezit zvlnění v přeslechu na minimum a výrazně snížit elektromagnetické rušení (EMI).

Ve fázi návrhu rozložení desky plošných spojů je plán rozložení obecně umístit velkou zemní vrstvu blízko k vrstvě distribuce energie. To může vytvořit velmi nízký vlnový efekt a také lze snížit hluk systému téměř na nulu. To je zvláště důležité pro vysokofrekvenční subsystém.

Ve srovnání s materiálem Rogers má FR4 vyšší rozptylový faktor (Df), zejména při vysoké frekvenci. U laminátů FR4 s vyšším výkonem je hodnota Df asi 0,002, což je o řád lepší než u běžného FR4. Rogersův stack je však pouze 0,001 nebo méně. Při použití materiálu FR4 pro vysokofrekvenční aplikace bude významný rozdíl ve vložném útlumu. Vložný útlum je definován jako ztrátový výkon signálu z bodu A do bodu B při použití FR4, Rogers nebo jiných materiálů.

vytvářet problémy

Nositelná PCB vyžaduje přísnější kontrolu impedance. To je důležitý faktor pro nositelná zařízení. Impedanční přizpůsobení může zajistit čistší přenos signálu. Dříve byla standardní tolerance pro stopy nesoucí signál ±10 %. Tento indikátor evidentně není dost dobrý pro dnešní vysokofrekvenční a vysokorychlostní obvody. Aktuální požadavek je ±7 % a v některých případech dokonce ±5 % nebo méně. Tento parametr a další proměnné vážně ovlivní výrobu těchto nositelných desek plošných spojů s obzvláště přísnou kontrolou impedance, čímž se omezí počet podniků, které je mohou vyrábět.

Tolerance dielektrické konstanty laminátu vyrobeného z materiálů Rogers UHF je obecně udržována na ±2 % a některé produkty mohou dosáhnout dokonce ±1 %. Naproti tomu tolerance dielektrické konstanty laminátu FR4 je až 10 %. Proto porovnejte U těchto dvou materiálů lze zjistit, že Rogersův vložný útlum je obzvláště nízký. Ve srovnání s tradičními materiály FR4 jsou přenosové ztráty a vložné ztráty u Rogersova zásobníku o polovinu nižší.

Ve většině případů je nejdůležitější cena. Rogers však může poskytnout výkon vysokofrekvenčního laminátu s relativně nízkou ztrátou za přijatelnou cenu. Pro komerční aplikace lze Rogers vyrobit jako hybridní PCB s FR4 na bázi epoxidu, jehož některé vrstvy používají materiál Rogers a jiné vrstvy používají FR4.

Při výběru Rogersova zásobníku je primárním hlediskem frekvence. Když frekvence překročí 500 MHz, návrháři desek plošných spojů mají tendenci volit materiály Rogers, zejména pro RF/mikrovlnné obvody, protože tyto materiály mohou poskytovat vyšší výkon, když jsou horní stopy přísně kontrolovány impedancí.

Ve srovnání s materiálem FR4 může materiál Rogers také poskytovat nižší dielektrické ztráty a jeho dielektrická konstanta je stabilní v širokém frekvenčním rozsahu. Kromě toho může materiál Rogers poskytnout ideální výkon s nízkou vložnou ztrátou, který vyžaduje vysokofrekvenční provoz.

Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) materiálů Rogers řady 4000 má vynikající rozměrovou stabilitu. To znamená, že ve srovnání s FR4, když PCB prochází studenými, horkými a velmi horkými pájecími cykly přetavení, může být tepelná roztažnost a smršťování desky plošných spojů udržována na stabilní hranici při cyklech s vyšší frekvencí a vyšší teplotou.

V případě smíšeného stohování je snadné použít běžnou technologii výrobního procesu ke smíchání Rogers a vysoce výkonného FR4 dohromady, takže je relativně snadné dosáhnout vysokého výrobního výnosu. Stoh Rogers nevyžaduje speciální proces přípravy.

Běžný FR4 nemůže dosáhnout velmi spolehlivého elektrického výkonu, ale vysoce výkonné materiály FR4 mají dobré charakteristiky spolehlivosti, jako je vyšší Tg, stále relativně nízké náklady a lze je použít v široké řadě aplikací, od jednoduchého audio designu až po složité mikrovlnné aplikace. .

RF/mikrovlnné konstrukční úvahy

Přenosná technologie a Bluetooth vydláždily cestu pro RF/mikrovlnné aplikace v nositelných zařízeních. Dnešní frekvenční rozsah je stále dynamičtější. Před několika lety byla velmi vysoká frekvence (VHF) definována jako 2GHz~3GHz. Ale nyní můžeme vidět ultra-vysokofrekvenční (UHF) aplikace v rozsahu od 10 GHz do 25 GHz.

Proto u nositelné desky plošných spojů vyžaduje RF část více pozornosti k problémům s kabeláží a signály by měly být odděleny odděleně a stopy, které generují vysokofrekvenční signály, by měly být udržovány mimo zem. Mezi další úvahy patří: zajištění obtokového filtru, odpovídající oddělovací kondenzátory, uzemnění a navržení přenosového a zpětného vedení tak, aby byly téměř stejné.

Bypass filtr může potlačit vlnový efekt obsahu šumu a přeslechy. Oddělovací kondenzátory je třeba umístit blíže ke kolíkům zařízení, které přenášejí napájecí signály.

Vysokorychlostní přenosová vedení a signálové obvody vyžadují, aby byla mezi signály výkonové vrstvy umístěna zemní vrstva, aby se vyhladil jitter generovaný šumovými signály. Při vyšších rychlostech signálu způsobí malé nesoulady impedance nevyvážený přenos a příjem signálů, což má za následek zkreslení. Proto je třeba věnovat zvláštní pozornost problému impedančního přizpůsobení souvisejícímu s vysokofrekvenčním signálem, protože vysokofrekvenční signál má vysokou rychlost a zvláštní toleranci.

RF přenosové linky vyžadují řízenou impedanci, aby mohly přenášet RF signály ze specifického IC substrátu na PCB. Tyto přenosové linky mohou být implementovány na vnější vrstvě, horní vrstvě a spodní vrstvě nebo mohou být navrženy ve střední vrstvě.

Metody používané při návrhu návrhu PCB RF jsou mikropáskové vedení, plovoucí páskové vedení, koplanární vlnovod nebo uzemnění. Mikropáskové vedení se skládá z pevné délky kovu nebo stop a celé zemní plochy nebo části zemní plochy přímo pod ní. Charakteristická impedance v obecné struktuře mikropáskového vedení se pohybuje od 50 Ω do 75 Ω.

Plovoucí páskové vedení je další způsob zapojení a potlačení hluku. Toto vedení se skládá z kabeláže s pevnou šířkou na vnitřní vrstvě a velké zemnící plochy nad a pod středovým vodičem. Zemnicí plocha je vložena mezi napájecí rovinu, takže může poskytnout velmi účinný uzemňovací efekt. Toto je preferovaná metoda pro přenosné PCB RF signálové vedení.

Koplanární vlnovod může zajistit lepší izolaci v blízkosti obvodu RF a obvodu, který je třeba nasměrovat blíže. Toto médium se skládá z centrálního vodiče a zemnících ploch na obou stranách nebo pod nimi. Nejlepším způsobem přenosu vysokofrekvenčních signálů je zavěšení páskových vedení nebo koplanárních vlnovodů. Tyto dvě metody mohou zajistit lepší izolaci mezi signálem a RF stopami.

Na obou stranách koplanárního vlnovodu se doporučuje použít tzv. „via fence“. Tato metoda může poskytnout řadu zemních prokovů na každé kovové zemnící ploše středního vodiče. Hlavní trasa běžící uprostřed má na každé straně ploty, což poskytuje zkratku pro zpětný proud do země pod ním. Tato metoda může snížit hladinu šumu spojenou s vysokým zvlněním vysokofrekvenčního signálu. Dielektrická konstanta 4,5 zůstává stejná jako u materiálu FR4 prepregu, zatímco dielektrická konstanta prepregu – z mikropáskového, páskového nebo offsetového páskového vedení – je asi 3,8 až 3,9.

V některých zařízeních, která používají zemní plochu, mohou být použity slepé prokovy ke zlepšení výkonu oddělení výkonového kondenzátoru a poskytnutí bočníkové cesty ze zařízení k zemi. Dráha bočníku k zemi může zkrátit délku průchodu. Tím lze dosáhnout dvou účelů: nejen vytvoříte bočník nebo uzemnění, ale také snížíte přenosovou vzdálenost zařízení s malými plochami, což je důležitý faktor návrhu RF.