Aufgrund der geringen Größe und Größe gibt es fast keine bestehenden Leiterplattenstandards für den wachsenden Markt für tragbare IoT-Geräte. Bevor diese Standards herauskamen, mussten wir uns auf das Wissen und die Fertigungserfahrung verlassen, die wir bei der Entwicklung auf Platinenebene erworben hatten, und darüber nachdenken, wie wir sie auf einzigartige neue Herausforderungen anwenden konnten. Es gibt drei Bereiche, die unsere besondere Aufmerksamkeit erfordern. Dabei handelt es sich um: Oberflächenmaterialien für Leiterplatten, HF-/Mikrowellendesign und HF-Übertragungsleitungen.

PCB-Material

„PCB“ besteht im Allgemeinen aus Laminaten, die aus faserverstärktem Epoxidharz (FR4), Polyimid oder Rogers-Materialien oder anderen Laminatmaterialien bestehen können. Das Isoliermaterial zwischen den verschiedenen Schichten wird Prepreg genannt.

Tragbare Geräte erfordern eine hohe Zuverlässigkeit. Wenn PCB-Designer also vor der Wahl stehen, FR4 (das kostengünstigste PCB-Herstellungsmaterial) oder fortschrittlichere und teurere Materialien zu verwenden, wird dies zu einem Problem.

Wenn tragbare PCB-Anwendungen Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzmaterialien erfordern, ist FR4 möglicherweise nicht die beste Wahl. Die Dielektrizitätskonstante (Dk) von FR4 beträgt 4,5, die Dielektrizitätskonstante des fortschrittlicheren Materials der Rogers 4003-Serie beträgt 3,55 und die Dielektrizitätskonstante des Bruders der Rogers-Serie 4350 beträgt 3,66.

„Die Dielektrizitätskonstante eines Laminats bezieht sich auf das Verhältnis der Kapazität oder Energie zwischen einem Leiterpaar in der Nähe des Laminats zur Kapazität oder Energie zwischen dem Leiterpaar im Vakuum. Bei hohen Frequenzen ist es am besten, einen kleinen Verlust zu haben. Daher eignet sich Roger 4350 mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,66 besser für Anwendungen mit höheren Frequenzen als FR4 mit einer Dielektrizitätskonstante von 4,5.

Unter normalen Umständen liegt die Anzahl der PCB-Schichten für tragbare Geräte zwischen 4 und 8 Schichten. Das Prinzip des Schichtaufbaus besteht darin, dass eine 8-schichtige Leiterplatte in der Lage sein sollte, genügend Erdungs- und Stromschichten bereitzustellen und die Verdrahtungsschicht einzuschließen. Auf diese Weise kann der Welligkeitseffekt beim Übersprechen auf ein Minimum reduziert und elektromagnetische Störungen (EMI) deutlich reduziert werden.

In der Entwurfsphase des Leiterplattenlayouts sieht der Layoutplan im Allgemeinen vor, eine große Erdungsschicht in der Nähe der Stromverteilungsschicht zu platzieren. Dadurch kann ein sehr geringer Welligkeitseffekt entstehen und auch das Systemrauschen kann auf nahezu Null reduziert werden. Dies ist besonders wichtig für das Hochfrequenz-Subsystem.

Im Vergleich zu Rogers-Material weist FR4 einen höheren Verlustfaktor (Df) auf, insbesondere bei hohen Frequenzen. Bei FR4-Laminaten mit höherer Leistung liegt der Df-Wert bei etwa 0,002, was eine Größenordnung besser ist als bei gewöhnlichem FR4. Allerdings beträgt der Stack von Rogers nur 0,001 oder weniger. Wenn FR4-Material für Hochfrequenzanwendungen verwendet wird, gibt es einen erheblichen Unterschied in der Einfügungsdämpfung. Unter Einfügedämpfung versteht man den Leistungsverlust des Signals von Punkt A zu Punkt B bei Verwendung von FR4, Rogers oder anderen Materialien.

Probleme schaffen

Tragbare Leiterplatten erfordern eine strengere Impedanzkontrolle. Dies ist ein wichtiger Faktor für tragbare Geräte. Eine Impedanzanpassung kann zu einer saubereren Signalübertragung führen. Früher betrug die Standardtoleranz für signalführende Spuren ±10 %. Dieser Indikator ist offensichtlich nicht gut genug für die heutigen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsstrecken. Der aktuelle Bedarf beträgt ±7 %, in manchen Fällen sogar ±5 % oder weniger. Dieser Parameter und andere Variablen werden die Herstellung dieser tragbaren Leiterplatten mit besonders strenger Impedanzkontrolle erheblich beeinträchtigen und dadurch die Anzahl der Unternehmen begrenzen, die sie herstellen können.

Die Dielektrizitätskonstantentoleranz des Laminats aus Rogers UHF-Materialien wird im Allgemeinen bei ±2 % gehalten, und einige Produkte können sogar ±1 % erreichen. Im Gegensatz dazu beträgt die Dielektrizitätskonstantentoleranz des FR4-Laminats bis zu 10 %. Daher kann beim Vergleich dieser beiden Materialien festgestellt werden, dass der Einfügungsverlust von Rogers besonders gering ist. Im Vergleich zu herkömmlichen FR4-Materialien sind der Übertragungsverlust und der Einfügungsverlust des Rogers-Stacks um die Hälfte geringer.

In den meisten Fällen sind die Kosten das Wichtigste. Allerdings kann Rogers eine relativ verlustarme Hochfrequenz-Laminatleistung zu einem akzeptablen Preis bieten. Für kommerzielle Anwendungen kann Rogers zu einer Hybrid-Leiterplatte mit FR4 auf Epoxidbasis verarbeitet werden, wobei einige Schichten Rogers-Material und andere Schichten FR4 verwenden.

Bei der Auswahl eines Rogers-Stacks steht vor allem die Frequenz im Vordergrund. Wenn die Frequenz 500 MHz übersteigt, neigen PCB-Designer dazu, Rogers-Materialien zu wählen, insbesondere für HF-/Mikrowellenschaltungen, da diese Materialien eine höhere Leistung bieten können, wenn die oberen Leiterbahnen streng durch die Impedanz kontrolliert werden.

Im Vergleich zu FR4-Material kann Rogers-Material auch einen geringeren dielektrischen Verlust bieten und seine Dielektrizitätskonstante ist in einem weiten Frequenzbereich stabil. Darüber hinaus kann Rogers-Material die ideal niedrige Einfügedämpfungsleistung bieten, die für den Hochfrequenzbetrieb erforderlich ist.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Materialien der Rogers 4000-Serie weist eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität auf. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu FR4 die thermische Ausdehnung und Kontraktion der Leiterplatte bei Zyklen mit höherer Frequenz und höherer Temperatur bei kalten, heißen und sehr heißen Reflow-Lötzyklen auf einer stabilen Grenze gehalten werden kann.

Im Falle einer gemischten Stapelung ist es einfach, Rogers und Hochleistungs-FR4 mithilfe gängiger Fertigungsverfahrenstechnologien miteinander zu mischen, sodass relativ einfach eine hohe Fertigungsausbeute erzielt werden kann. Für den Rogers-Stack ist kein spezieller Via-Vorbereitungsprozess erforderlich.

Herkömmliches FR4 kann keine sehr zuverlässige elektrische Leistung erzielen, Hochleistungs-FR4-Materialien verfügen jedoch über gute Zuverlässigkeitseigenschaften, wie z. B. eine höhere Tg, sind immer noch relativ kostengünstig und können in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt werden, vom einfachen Audiodesign bis hin zu komplexen Mikrowellenanwendungen .

Überlegungen zum HF-/Mikrowellendesign

Tragbare Technologie und Bluetooth haben den Weg für HF-/Mikrowellenanwendungen in tragbaren Geräten geebnet. Der heutige Frequenzbereich wird immer dynamischer. Vor einigen Jahren wurde die sehr hohe Frequenz (VHF) als 2 GHz bis 3 GHz definiert. Aber jetzt können wir Ultrahochfrequenzanwendungen (UHF) im Bereich von 10 GHz bis 25 GHz sehen.

Daher erfordert der HF-Teil bei der tragbaren Leiterplatte mehr Aufmerksamkeit für die Verkabelungsprobleme, und die Signale sollten separat getrennt werden, und die Leiterbahnen, die Hochfrequenzsignale erzeugen, sollten vom Boden ferngehalten werden. Weitere Überlegungen umfassen: Bereitstellung eines Bypass-Filters, ausreichender Entkopplungskondensatoren, Erdung und eine nahezu gleiche Gestaltung der Übertragungsleitung und der Rückleitung.

Ein Bypass-Filter kann den Welligkeitseffekt von Rauschinhalten und Übersprechen unterdrücken. Entkopplungskondensatoren müssen näher an den Gerätepins platziert werden, die Stromsignale übertragen.

Hochgeschwindigkeitsübertragungsleitungen und Signalschaltungen erfordern die Platzierung einer Erdungsschicht zwischen den Signalen der Leistungsschicht, um den durch Rauschsignale erzeugten Jitter zu glätten. Bei höheren Signalgeschwindigkeiten führen kleine Impedanzunterschiede zu einem unsymmetrischen Senden und Empfangen von Signalen, was zu Verzerrungen führt. Daher muss dem Problem der Impedanzanpassung im Zusammenhang mit dem Hochfrequenzsignal besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da das Hochfrequenzsignal eine hohe Geschwindigkeit und eine besondere Toleranz aufweist.

HF-Übertragungsleitungen erfordern eine kontrollierte Impedanz, um HF-Signale von einem bestimmten IC-Substrat zur Leiterplatte zu übertragen. Diese Übertragungsleitungen können auf der Außenschicht, der Oberschicht und der Unterschicht implementiert oder in der Mittelschicht ausgelegt sein.

Die beim PCB-HF-Design-Layout verwendeten Methoden sind Mikrostreifenleitung, schwebende Streifenleitung, koplanarer Wellenleiter oder Erdung. Die Mikrostreifenleitung besteht aus einem festen Stück Metall oder Leiterbahnen und der gesamten Masseebene oder einem Teil der Masseebene direkt darunter. Die charakteristische Impedanz in der allgemeinen Mikrostreifenleitungsstruktur liegt zwischen 50 Ω und 75 Ω.

Floating Stripline ist eine weitere Methode zur Verkabelung und Rauschunterdrückung. Diese Leitung besteht aus einer Verkabelung mit fester Breite auf der Innenschicht und einer großen Erdungsebene über und unter dem Mittelleiter. Die Erdungsebene liegt zwischen der Stromversorgungsebene und kann so einen sehr effektiven Erdungseffekt erzielen. Dies ist die bevorzugte Methode für die HF-Signalverkabelung tragbarer Leiterplatten.

Koplanare Wellenleiter können eine bessere Isolierung in der Nähe des HF-Schaltkreises und des Schaltkreises bieten, der näher verlegt werden muss. Dieses Medium besteht aus einem zentralen Leiter und Erdungsebenen auf beiden Seiten oder darunter. Die beste Möglichkeit, Hochfrequenzsignale zu übertragen, ist die Aufhängung von Streifenleitungen oder koplanaren Wellenleitern. Diese beiden Methoden können eine bessere Isolierung zwischen Signal und HF-Leiterbahnen ermöglichen.

Es wird empfohlen, auf beiden Seiten des koplanaren Wellenleiters den sogenannten „Via-Fence“ zu verwenden. Mit dieser Methode kann auf jeder Metallerdungsebene des Mittelleiters eine Reihe von Erdungsdurchkontaktierungen bereitgestellt werden. Die in der Mitte verlaufende Hauptleitung ist auf jeder Seite mit Zäunen versehen und stellt so eine Abkürzung für den Rückstrom zum darunter liegenden Boden dar. Diese Methode kann den Rauschpegel reduzieren, der mit dem starken Welligkeitseffekt des HF-Signals verbunden ist. Die Dielektrizitätskonstante von 4,5 bleibt die gleiche wie beim FR4-Material des Prepregs, während die Dielektrizitätskonstante des Prepregs – aus Mikrostreifen, Streifenleiter oder versetztem Streifenleiter – etwa 3,8 bis 3,9 beträgt.

In einigen Geräten, die eine Masseebene verwenden, können Blind Vias verwendet werden, um die Entkopplungsleistung des Leistungskondensators zu verbessern und einen Nebenschlusspfad vom Gerät zur Erde bereitzustellen. Der Shunt-Pfad zur Erde kann die Länge der Durchkontaktierung verkürzen. Dadurch können zwei Ziele erreicht werden: Sie schaffen nicht nur einen Shunt oder eine Erdung, sondern reduzieren auch die Übertragungsentfernung von Geräten mit kleinen Flächen, was ein wichtiger HF-Designfaktor ist.