Aufgrund der geringen Größe und Größe gibt es fast keine vorhandenen Leiterplattenstandards für den wachsenden tragbaren IoT -Markt. Bevor diese Standards herauskamen, mussten wir uns auf das Wissen und die Fertigungserfahrung in der Entwicklung von Vorstandsebene verlassen und darüber nachdenken, wie sie sie auf einzigartige Herausforderungen anwenden können. Es gibt drei Bereiche, die unsere besondere Aufmerksamkeit erfordern. Es handelt sich um: Leiterplattenoberflächenmaterialien, RF/Mikrowellen -Design und RF -Übertragungsleitungen.

PCB -Material

„PCB“ besteht im Allgemeinen aus Laminaten, die aus faserverstärktem Epoxid (FR4), Polyimid- oder Rogermaterialien oder anderen Laminatmaterialien bestehen können. Das Isoliermaterial zwischen den verschiedenen Schichten wird als Prepreg bezeichnet.

Wearable-Geräte erfordern eine hohe Zuverlässigkeit. Wenn PCB-Designer also mit der Auswahl der Verwendung von FR4 (das kostengünstigste PCB-Fertigungsmaterial) oder fortschrittlicheren und teureren Materialien konfrontiert sind, wird dies zu einem Problem.

Wenn tragbare PCB-Anwendungen Hochgeschwindigkeits-, Hochfrequenzmaterialien erfordern, ist FR4 möglicherweise nicht die beste Wahl. Die Dielektrizitätskonstante (DK) von FR4 beträgt 4,5, die Dielektrizitätskonstante des fortschrittlicheren Materialiens der Rogers 4003 -Serie 3,55 und die Dielektrizitätskonstante der Bruderserie Rogers 4350 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 zwischen dem Leiterpaar im Vakuum. Bei hoher Frequenzen ist es am besten, einen kleinen Verlust zu haben.

Unter normalen Umständen reicht die Anzahl der PCB -Schichten für tragbare Geräte von 4 bis 8 Schichten. Das Prinzip der Schichtkonstruktion ist, dass es in der Lage sein sollte, genügend Masse- und Stromschichten zu liefern und die Kabelschicht zu verschieben, wenn es sich um eine 8-Schicht-PCB handelt. Auf diese Weise kann der Welleneffekt im Übersprechen auf minimaler und elektromagnetische Interferenzen (EMI) erheblich reduziert werden.

In der Leitplatinen -Layout -Konstruktionsphase soll der Layoutplan im Allgemeinen eine große Bodenschicht nahe der Stromverteilungsschicht platzieren. Dies kann einen sehr geringen Welligkeitseffekt bilden, und das Systemrauschen kann ebenfalls auf fast Null reduziert werden. Dies ist besonders wichtig für das Funkfrequenz -Subsystem.

Im Vergleich zum Material von Rogers hat FR4 einen höheren Ableitungsfaktor (DF), insbesondere bei hoher Frequenz. Für eine höhere Leistung von FR4 -Laminaten beträgt der DF -Wert etwa 0,002, was eine Größenordnung besser ist als gewöhnlicher FR4. Der Stapel von Rogers beträgt jedoch nur 0,001 oder weniger. Wenn FR4 -Material für Hochfrequenzanwendungen verwendet wird, besteht ein signifikanter Unterschied im Einfügungsverlust. Der Einfügungsverlust ist definiert als der Leistungsverlust des Signals von Punkt A bis Punkt B bei Verwendung von FR4, Rogers oder anderen Materialien.

Probleme schaffen

Tragbare PCB erfordert eine strengere Impedanzkontrolle. Dies ist ein wichtiger Faktor für tragbare Geräte. Die Impedanzübereinstimmung kann eine sauberere Signalübertragung erzeugen. Zuvor betrug die Standardtoleranz für Signaltransportspuren ± 10%. Dieser Indikator ist offensichtlich nicht gut genug für die heutigen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitskreise. Die aktuelle Anforderung beträgt ± 7% und in einigen Fällen sogar ± 5% oder weniger. Dieser Parameter und andere Variablen beeinflussen die Herstellung dieser tragbaren PCBs mit besonders strenger Impedanzkontrolle und beschränken damit die Anzahl der Unternehmen, die sie herstellen können.

Die dielektrische konstante Toleranz des aus Rogers UHF -Materialien hergestellten Laminats wird im Allgemeinen bei ± 2%gehalten, und einige Produkte können sogar ± 1%erreichen. Im Gegensatz dazu beträgt die dielektrische konstante Toleranz des FR4 -Laminats bis zu 10%. Vergleichen Sie daher diese beiden Materialien, dass Rogers 'Einfügungsverlust besonders gering ist. Im Vergleich zu herkömmlichen FR4 -Materialien sind der Übertragungsverlust und der Einfügungsverlust des Rogers -Stapels halb niedriger.

In den meisten Fällen sind die Kosten am wichtigsten. Rogers können jedoch zu einem akzeptablen Preis relativ niedrige Hochfrequenzlaminatleistung liefern. Für kommerzielle Anwendungen können Rogers zu einer hybriden PCB mit Epoxidbasis FR4 verarbeitet werden, von denen einige Schichten Rogers-Material verwenden, und andere Schichten verwenden FR4.

Bei der Auswahl eines Rogers -Stacks ist die Frequenz die primäre Überlegung. Wenn die Frequenz 500 MHz überschreitet, wählen PCB -Designer für Rogers -Materialien tendieren, insbesondere für RF/Mikrowellenschaltungen, da diese Materialien eine höhere Leistung liefern können, wenn die oberen Spuren streng durch Impedanz gesteuert werden.

Im Vergleich zum FR4 -Material kann Rogers -Material auch einen geringeren dielektrischen Verlust liefern, und seine Dielektrizitätskonstante ist in einem weiten Frequenzbereich stabil. Darüber hinaus kann Rogers -Material die ideale Leistung mit niedrigem Einfügen für den Hochfrequenzbetrieb liefern.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Materialien der Serie Rogers 4000 hat eine hervorragende dimensionale Stabilität. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu FR4, wenn die Lötzyklen kalt, heiß und sehr heißer Reflow -Lötzyklen unterzogen werden, die thermische Expansion und Kontraktion der Leiterplatte unter höherer Frequenz und höherer Temperaturzyklen bei einer stabilen Grenze gehalten werden können.

Bei gemischtem Stapeln ist es einfach, die gemeinsame Herstellungsprozess-Technologie zu verwenden, um Rogers und Hochleistungs-FR4 miteinander zu mischen, sodass es relativ einfach zu erzielen ist, eine hohe Herstellungsrendite zu erzielen. Der Rogers Stack benötigt keinen Spezialpunkt über Vorbereitungsprozess.

Gemeinsame FR4 kann keine sehr zuverlässige elektrische Leistung erzielen, aber Hochleistungs-FR4-Materialien haben gute Zuverlässigkeitsmerkmale, wie z. B. höhere TG, noch relativ geringe Kosten, und können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, von einfachem Audiodesign bis hin zu komplexen Mikrowellenanwendungen.

Überlegungen zum RF/Mikrowellendesign

Tragbare Technologie und Bluetooth haben den Weg für RF/Microwave -Anwendungen in tragbaren Geräten geebnet. Der heutige Frequenzbereich wird immer dynamischer. Vor einigen Jahren wurde eine sehr hohe Frequenz (VHF) als 2GHz ~ 3GHz definiert. Aber jetzt können wir ultrahohe Frequenzanwendungen (UHF) von 10 GHz bis 25 GHz sehen.

Für die tragbare PCB erfordert der HF-Teil daher mehr Aufmerksamkeit auf die Kabelprobleme, und die Signale sollten getrennt getrennt werden, und die Spuren, die hochfrequente Signale erzeugen, sollten vom Boden ferngehalten werden. Weitere Überlegungen umfassen: Bereitstellung eines Bypass -Filters, angemessene Entkopplungskondensatoren, Erdung und Entwerfen der Übertragungslinie und der Rückkehrlinie, um nahezu gleich zu sein.

Der Bypass -Filter kann den Ripple -Effekt von Rauschgehalt und Übersprechen unterdrücken. Entkopplungskondensatoren müssen näher an den Gerätestiften platziert werden, die Leistungssignale tragen.

Hochgeschwindigkeitsübertragungsleitungen und Signalkreise erfordern eine Erdungsschicht zwischen den Leistungsschichtsignalen, um den durch Rauschsignale erzeugten Jitter zu glätten. Bei höheren Signalgeschwindigkeiten verursachen kleine Impedanzfehlanpassungen eine unausgeglichene Übertragung und Rezeption von Signalen, was zu Verzerrungen führt. Daher muss dem Impedanz -Matching -Problem im Zusammenhang mit dem Funkfrequenzsignal besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da das Funkfrequenzsignal eine hohe Geschwindigkeit und eine spezielle Toleranz aufweist.

HF -Übertragungsleitungen erfordern eine kontrollierte Impedanz, um HF -Signale von einem bestimmten IC -Substrat an die PCB zu übertragen. Diese Übertragungsleitungen können auf der Außenschicht, der oberen Schicht und der unteren Schicht implementiert oder in der mittleren Schicht gestaltet werden.

Die Methoden, die während des Layouts von PCB -HF -Design verwendet werden, sind Microstrip -Linien, schwimmende Streifenlinie, Coplanar -Wellenleiter oder Erdung. Die Mikrostreifenlinie besteht aus einer festen Länge von Metall oder Spuren und der gesamten gemahlenen Ebene oder einem Teil der gemahlenen Ebene direkt darunter. Die charakteristische Impedanz in der allgemeinen Microstrip -Linienstruktur reicht von 50 Ω bis 75 Ω.

Die schwimmende Stripline ist eine weitere Methode zur Verkabelung und Rauschunterdrückung. Diese Linie besteht aus der Kabelweitverkabelung auf der inneren Schicht und einer großen Bodenebene über und unter dem Mittelleiter. Die Erdungsebene ist zwischen der Leistungsebene eingeklemmt, sodass sie einen sehr effektiven Erdungseffekt liefern kann. Dies ist die bevorzugte Methode für die tragbare PCB -HF -Signalverkabelung.

Coplanarer Wellenleiter kann eine bessere Isolierung in der Nähe des HF -Schaltkreises und der Schaltung bieten, die näher geleitet werden muss. Dieses Medium besteht aus einem zentralen Leiter und einer Bodenebenen auf beiden Seiten oder darunter. Der beste Weg, um Radiofrequenzsignale zu übertragen, besteht darin, Streifenleitungen oder koplanare Wellenleiter aufzuhalten. Diese beiden Methoden können eine bessere Isolierung zwischen den Signal- und HF -Spuren liefern.

Es wird empfohlen, das sogenannte „über Zaun“ auf beiden Seiten des Coplanar-Wellenleiters zu verwenden. Diese Methode kann eine Reihe von Bodenvias auf jeder Metallmödenebene des Mittelleiters liefern. Die Hauptspur in der Mitte hat Zäune auf jeder Seite und sorgt somit eine Abkürzung für den Rückgaberostrom am Boden unten. Diese Methode kann den Rauschpegel verringern, der mit dem hohen Welligkeitseffekt des HF -Signals verbunden ist. Die Dielektrizitätskonstante von 4,5 bleibt das gleiche wie das FR4 -Material des Prepregs, während die Dielektrizitätskonstante des Prepregs - von Microstrip, Stripline oder Offset Stripline - etwa 3,8 bis 3,9 beträgt.

In einigen Geräten, die eine Erdungsebene verwenden, können blinde Vias verwendet werden, um die Entkopplungsleistung des Leistungskondensators zu verbessern und einen Shunt -Pfad vom Gerät zum Boden zu bieten. Der Shunt -Pfad zum Boden kann die Länge der via verkürzen. Dies kann zwei Zwecke erzielen: Sie erstellen nicht nur einen Shunt oder Masse, sondern reduzieren auch den Übertragungsabstand von Geräten mit kleinen Bereichen, was ein wichtiger HF -Designfaktor ist.