Λόγω του μικρού μεγέθους και του μεγέθους, δεν υπάρχουν σχεδόν υπάρχοντα πρότυπα πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος για την αναπτυσσόμενη αγορά φορετών IoT. Προτού εμφανιστούν αυτά τα πρότυπα, έπρεπε να βασιστούμε στη γνώση και την εμπειρία παραγωγής που αποκτήσαμε στην ανάπτυξη σε επίπεδο ταμπλό και να σκεφτούμε πώς να τα εφαρμόσουμε σε μοναδικές αναδυόμενες προκλήσεις. Υπάρχουν τρεις τομείς που απαιτούν την ιδιαίτερη προσοχή μας. Αυτά είναι: υλικά επιφάνειας πλακέτας κυκλώματος, σχεδιασμός RF/μικροκυμάτων και γραμμές μετάδοσης ραδιοσυχνοτήτων.

Υλικό PCB

Το "PCB" αποτελείται γενικά από ελάσματα, τα οποία μπορεί να είναι κατασκευασμένα από εποξειδικά ενισχυμένα με ίνες (FR4), πολυϊμίδιο ή υλικά Rogers ή άλλα ελασματοποιημένα υλικά. Το μονωτικό υλικό μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων ονομάζεται prepreg.

Οι φορητές συσκευές απαιτούν υψηλή αξιοπιστία, επομένως όταν οι σχεδιαστές PCB έρχονται αντιμέτωποι με την επιλογή χρήσης FR4 (το πιο οικονομικό υλικό κατασκευής PCB) ή πιο προηγμένων και ακριβότερων υλικών, αυτό θα γίνει πρόβλημα.

Εάν οι εφαρμογές φορητών PCB απαιτούν υλικά υψηλής ταχύτητας και υψηλής συχνότητας, το FR4 μπορεί να μην είναι η καλύτερη επιλογή. Η διηλεκτρική σταθερά (Dk) του FR4 είναι 4,5, η διηλεκτρική σταθερά του πιο προηγμένου υλικού της σειράς Rogers 4003 είναι 3,55 και η διηλεκτρική σταθερά της αδελφής σειράς Rogers 4350 είναι 3,66.

«Η διηλεκτρική σταθερά ενός πολυστρωματικού υλικού αναφέρεται στην αναλογία της χωρητικότητας ή της ενέργειας μεταξύ ενός ζεύγους αγωγών κοντά στο πολυστρωματικό υλικό προς την χωρητικότητα ή την ενέργεια μεταξύ του ζεύγους αγωγών στο κενό. Στις υψηλές συχνότητες, είναι καλύτερο να έχετε μια μικρή απώλεια. Επομένως, το Roger 4350 με διηλεκτρική σταθερά 3,66 είναι πιο κατάλληλο για εφαρμογές υψηλότερης συχνότητας από το FR4 με διηλεκτρική σταθερά 4,5.

Υπό κανονικές συνθήκες, ο αριθμός των στρωμάτων PCB για φορητές συσκευές κυμαίνεται από 4 έως 8 στρώσεις. Η αρχή της κατασκευής του στρώματος είναι ότι εάν πρόκειται για ένα PCB 8 επιπέδων, θα πρέπει να μπορεί να παρέχει αρκετά στρώματα γείωσης και ισχύος και να στριμώχνει το στρώμα καλωδίωσης. Με αυτόν τον τρόπο, το φαινόμενο κυματισμού στο crosstalk μπορεί να περιοριστεί στο ελάχιστο και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI) μπορεί να μειωθεί σημαντικά.

Στο στάδιο του σχεδιασμού της διάταξης της πλακέτας κυκλώματος, το σχέδιο διάταξης είναι γενικά η τοποθέτηση ενός μεγάλου στρώματος γείωσης κοντά στο στρώμα διανομής ισχύος. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει ένα πολύ χαμηλό φαινόμενο κυματισμού και ο θόρυβος του συστήματος μπορεί επίσης να μειωθεί σχεδόν στο μηδέν. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για το υποσύστημα ραδιοσυχνοτήτων.

Σε σύγκριση με το υλικό Rogers, το FR4 έχει υψηλότερο συντελεστή διάχυσης (Df), ειδικά σε υψηλή συχνότητα. Για ελάσματα FR4 υψηλότερης απόδοσης, η τιμή Df είναι περίπου 0,002, που είναι μια τάξη μεγέθους καλύτερη από το συνηθισμένο FR4. Ωστόσο, η στοίβα του Rogers είναι μόνο 0,001 ή λιγότερο. Όταν το υλικό FR4 χρησιμοποιείται για εφαρμογές υψηλής συχνότητας, θα υπάρχει σημαντική διαφορά στην απώλεια εισαγωγής. Η απώλεια εισαγωγής ορίζεται ως η απώλεια ισχύος του σήματος από το σημείο Α στο σημείο Β όταν χρησιμοποιείται FR4, Rogers ή άλλα υλικά.

δημιουργούν προβλήματα

Το φορητό PCB απαιτεί αυστηρότερο έλεγχο σύνθετης αντίστασης. Αυτός είναι ένας σημαντικός παράγοντας για φορητές συσκευές. Η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης μπορεί να παράγει καθαρότερη μετάδοση σήματος. Νωρίτερα, η τυπική ανοχή για ίχνη μεταφοράς σήματος ήταν ±10%. Αυτός ο δείκτης προφανώς δεν είναι αρκετά καλός για τα σημερινά κυκλώματα υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας. Η τρέχουσα απαίτηση είναι ±7%, και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμη και ±5% ή λιγότερο. Αυτή η παράμετρος και άλλες μεταβλητές θα επηρεάσουν σοβαρά την κατασκευή αυτών των φορητών PCB με ιδιαίτερα αυστηρό έλεγχο σύνθετης αντίστασης, περιορίζοντας έτσι τον αριθμό των επιχειρήσεων που μπορούν να τα κατασκευάσουν.

Η ανοχή διηλεκτρικής σταθεράς του πολυστρωματικού υλικού από Rogers UHF υλικά διατηρείται γενικά στο ±2%, και ορισμένα προϊόντα μπορεί να φτάσουν ακόμη και το ±1%. Αντίθετα, η ανοχή διηλεκτρικής σταθεράς του πολυστρωματικού υλικού FR4 είναι τόσο υψηλή όσο 10%. Επομένως, συγκρίνετε αυτά τα δύο υλικά μπορεί να βρεθεί ότι η απώλεια εισαγωγής του Rogers είναι ιδιαίτερα χαμηλή. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά FR4, η απώλεια μετάδοσης και η απώλεια εισαγωγής της στοίβας Rogers είναι κατά το ήμισυ χαμηλότερες.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το κόστος είναι το πιο σημαντικό. Ωστόσο, η Rogers μπορεί να παρέχει σχετικά χαμηλής απώλειας απόδοση laminate υψηλής συχνότητας σε αποδεκτή τιμή. Για εμπορικές εφαρμογές, το Rogers μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα υβριδικό PCB με εποξειδικό FR4, ορισμένα στρώματα του οποίου χρησιμοποιούν υλικό Rogers και άλλα στρώματα χρησιμοποιούν FR4.

Όταν επιλέγετε μια στοίβα Rogers, η συχνότητα είναι το κύριο μέλημα. Όταν η συχνότητα υπερβαίνει τα 500 MHz, οι σχεδιαστές PCB τείνουν να επιλέγουν υλικά Rogers, ειδικά για κυκλώματα RF/μικροκυμάτων, επειδή αυτά τα υλικά μπορούν να παρέχουν υψηλότερη απόδοση όταν τα ανώτερα ίχνη ελέγχονται αυστηρά από την αντίσταση.

Σε σύγκριση με το υλικό FR4, το υλικό Rogers μπορεί επίσης να παρέχει χαμηλότερη διηλεκτρική απώλεια και η διηλεκτρική σταθερά του είναι σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Επιπλέον, το υλικό Rogers μπορεί να παρέχει την ιδανική απόδοση χαμηλής απώλειας εισαγωγής που απαιτείται από τη λειτουργία υψηλής συχνότητας.

Ο συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE) των υλικών της σειράς Rogers 4000 έχει εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων. Αυτό σημαίνει ότι σε σύγκριση με το FR4, όταν το PCB υφίσταται κύκλους συγκόλλησης κρύου, ζεστού και πολύ ζεστού αναρροής, η θερμική διαστολή και συστολή της πλακέτας κυκλώματος μπορεί να διατηρηθεί σε σταθερό όριο σε κύκλους υψηλότερης συχνότητας και υψηλότερης θερμοκρασίας.

Στην περίπτωση της μικτής στοίβαξης, είναι εύκολο να χρησιμοποιηθεί η κοινή τεχνολογία διαδικασίας παραγωγής για την ανάμειξη του Rogers και του FR4 υψηλής απόδοσης, επομένως είναι σχετικά εύκολο να επιτευχθεί υψηλή απόδοση κατασκευής. Η στοίβα Rogers δεν απαιτεί ειδική διαδικασία προετοιμασίας.

Το κοινό FR4 δεν μπορεί να επιτύχει πολύ αξιόπιστη ηλεκτρική απόδοση, αλλά τα υλικά FR4 υψηλής απόδοσης έχουν καλά χαρακτηριστικά αξιοπιστίας, όπως υψηλότερο Tg, ακόμα σχετικά χαμηλό κόστος και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από απλό σχεδιασμό ήχου έως σύνθετες εφαρμογές μικροκυμάτων .

Σχεδιασμός RF/Μικροκυμάτων

Η φορητή τεχνολογία και το Bluetooth έχουν ανοίξει το δρόμο για εφαρμογές ραδιοσυχνοτήτων/μικροκυμάτων σε φορητές συσκευές. Το σημερινό εύρος συχνοτήτων γίνεται όλο και πιο δυναμικό. Πριν από μερικά χρόνια, η πολύ υψηλή συχνότητα (VHF) ορίστηκε ως 2GHz~3GHz. Τώρα όμως μπορούμε να δούμε εφαρμογές εξαιρετικά υψηλής συχνότητας (UHF) που κυμαίνονται από 10 GHz έως 25 GHz.

Επομένως, για το φορητό PCB, το τμήμα ραδιοσυχνοτήτων απαιτεί περισσότερη προσοχή στα ζητήματα καλωδίωσης και τα σήματα θα πρέπει να διαχωρίζονται χωριστά και τα ίχνη που δημιουργούν σήματα υψηλής συχνότητας θα πρέπει να διατηρούνται μακριά από το έδαφος. Άλλα ζητήματα περιλαμβάνουν: παροχή φίλτρου παράκαμψης, επαρκείς πυκνωτές αποσύνδεσης, γείωση και σχεδιασμός της γραμμής μεταφοράς και της γραμμής επιστροφής ώστε να είναι σχεδόν ίσες.

Το φίλτρο παράκαμψης μπορεί να καταστείλει το φαινόμενο κυματισμού του περιεχομένου θορύβου και της αλληλεπίδρασης. Οι πυκνωτές αποσύνδεσης πρέπει να τοποθετούνται πιο κοντά στις ακίδες της συσκευής που μεταφέρουν σήματα ισχύος.

Οι γραμμές μετάδοσης υψηλής ταχύτητας και τα κυκλώματα σήματος απαιτούν να τοποθετηθεί ένα στρώμα γείωσης μεταξύ των σημάτων του επιπέδου ισχύος για να εξομαλύνει το jitter που δημιουργείται από τα σήματα θορύβου. Σε υψηλότερες ταχύτητες σήματος, μικρές αναντιστοιχίες αντίστασης θα προκαλέσουν μη ισορροπημένη μετάδοση και λήψη σημάτων, με αποτέλεσμα παραμόρφωση. Επομένως, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο πρόβλημα αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης που σχετίζεται με το σήμα ραδιοσυχνότητας, επειδή το σήμα ραδιοσυχνότητας έχει υψηλή ταχύτητα και ειδική ανοχή.

Οι γραμμές μετάδοσης ραδιοσυχνοτήτων απαιτούν ελεγχόμενη σύνθετη αντίσταση για τη μετάδοση σημάτων ραδιοσυχνοτήτων από ένα συγκεκριμένο υπόστρωμα IC στο PCB. Αυτές οι γραμμές μετάδοσης μπορούν να εφαρμοστούν στο εξωτερικό στρώμα, στο επάνω στρώμα και στο κάτω στρώμα ή μπορούν να σχεδιαστούν στο μεσαίο στρώμα.

Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται κατά τη διάταξη σχεδίασης PCB RF είναι γραμμή μικροταινίας, γραμμή πλωτής ταινίας, ομοεπίπεδος κυματοδηγός ή γείωση. Η γραμμή microstrip αποτελείται από ένα σταθερό μήκος μετάλλου ή ίχνη και ολόκληρο το επίπεδο γείωσης ή μέρος του επιπέδου γείωσης ακριβώς κάτω από αυτό. Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση στη γενική δομή γραμμής μικρολωρίδων κυμαίνεται από 50Ω έως 75Ω.

Το Floating stripline είναι μια άλλη μέθοδος καλωδίωσης και καταστολής θορύβου. Αυτή η γραμμή αποτελείται από καλωδίωση σταθερού πλάτους στο εσωτερικό στρώμα και ένα μεγάλο επίπεδο γείωσης πάνω και κάτω από τον κεντρικό αγωγό. Το επίπεδο γείωσης βρίσκεται ανάμεσα στο επίπεδο ισχύος, έτσι μπορεί να προσφέρει ένα πολύ αποτελεσματικό αποτέλεσμα γείωσης. Αυτή είναι η προτιμώμενη μέθοδος για φορητή καλωδίωση σήματος PCB RF.

Ο ομοεπίπεδος κυματοδηγός μπορεί να παρέχει καλύτερη απομόνωση κοντά στο κύκλωμα RF και στο κύκλωμα που πρέπει να δρομολογηθεί πιο κοντά. Αυτό το μέσο αποτελείται από έναν κεντρικό αγωγό και επίπεδα γείωσης εκατέρωθεν ή κάτω. Ο καλύτερος τρόπος για τη μετάδοση σημάτων ραδιοσυχνοτήτων είναι η αναστολή λωρίδων ή ομοεπίπεδων κυματοδηγών. Αυτές οι δύο μέθοδοι μπορούν να παρέχουν καλύτερη απομόνωση μεταξύ του σήματος και των ιχνών RF.

Συνιστάται η χρήση του λεγόμενου «μέσω φράχτη» και στις δύο πλευρές του ομοεπίπεδου κυματοδηγού. Αυτή η μέθοδος μπορεί να παρέχει μια σειρά αγωγών γείωσης σε κάθε μεταλλικό επίπεδο γείωσης του κεντρικού αγωγού. Το κύριο ίχνος που τρέχει στη μέση έχει φράκτες σε κάθε πλευρά, παρέχοντας έτσι μια συντόμευση για το ρεύμα επιστροφής στο έδαφος από κάτω. Αυτή η μέθοδος μπορεί να μειώσει το επίπεδο θορύβου που σχετίζεται με το υψηλό φαινόμενο κυματισμού του σήματος RF. Η διηλεκτρική σταθερά του 4,5 παραμένει η ίδια με το υλικό FR4 του prepreg, ενώ η διηλεκτρική σταθερά του prepreg - από microstrip, stripline ή offset stripline - είναι περίπου 3,8 έως 3,9.

Σε ορισμένες συσκευές που χρησιμοποιούν επίπεδο γείωσης, μπορεί να χρησιμοποιηθούν τυφλές διόδους για τη βελτίωση της απόδοσης αποσύνδεσης του πυκνωτή ισχύος και την παροχή μιας διαδρομής διακλάδωσης από τη συσκευή στο έδαφος. Η διαδρομή διακλάδωσης προς το έδαφος μπορεί να συντομεύσει το μήκος της διόδου. Αυτό μπορεί να επιτύχει δύο σκοπούς: όχι μόνο δημιουργείτε διακλάδωση ή γείωση, αλλά και μειώνετε την απόσταση μετάδοσης συσκευών με μικρές περιοχές, κάτι που είναι ένας σημαντικός παράγοντας σχεδιασμού RF.