Debido al tamaño y el tamaño pequeños, casi no hay estándares de placa de circuito impreso existentes para el creciente mercado de IoT portátil. Antes de que salieran estos estándares, tuvimos que confiar en el conocimiento y la experiencia de fabricación aprendida en el desarrollo a nivel de la junta y pensar en cómo aplicarlos a desafíos emergentes únicos. Hay tres áreas que requieren nuestra atención especial. Son: Materiales de superficie de la placa de circuito, diseño de RF/microondas y líneas de transmisión de RF.

Material PCB

"PCB" generalmente consiste en laminados, que pueden estar hecho de epoxi reforzado con fibra (FR4), materiales de poliimida o Rogers u otros materiales laminados. El material aislante entre las diferentes capas se llama prepregio.

Los dispositivos portátiles requieren una alta confiabilidad, por lo que cuando los diseñadores de PCB se enfrentan a la opción de usar FR4 (el material de fabricación de PCB más rentable) o materiales más avanzados y más caros, esto se convertirá en un problema.

Si las aplicaciones PCB portátiles requieren materiales de alta velocidad y alta frecuencia, FR4 puede no ser la mejor opción. La constante dieléctrica (DK) de FR4 es 4.5, la constante dieléctrica del material de la serie Rogers 4003 más avanzado es 3.55, y la constante dieléctrica de la serie Brother Rogers 4350 es 3.66.

“La constante dieléctrica de un laminado se refiere a la relación de la capacitancia o energía entre un par de conductores cerca del laminado a la capacitancia o energía entre el par de conductores al vacío. A altas frecuencias, es mejor tener una pequeña pérdida.

En circunstancias normales, el número de capas de PCB para dispositivos portátiles varía de 4 a 8 capas. El principio de la construcción de la capa es que si se trata de una PCB de 8 capas, debería poder proporcionar suficientes capas de tierra y potencia y intercontar la capa de cableado. De esta manera, el efecto de ondulación en la diafonía puede mantenerse al mínimo y la interferencia electromagnética (EMI) puede reducirse significativamente.

En la etapa de diseño de diseño de la placa de circuito, el plan de diseño generalmente es colocar una capa de tierra grande cerca de la capa de distribución de energía. Esto puede formar un efecto de ondulación muy bajo, y el ruido del sistema también puede reducirse a casi cero. Esto es especialmente importante para el subsistema de radiofrecuencia.

En comparación con el material de Rogers, FR4 tiene un factor de disipación (DF) más alto, especialmente a alta frecuencia. Para los laminados de FR4 de mayor rendimiento, el valor de DF es de aproximadamente 0.002, que es un orden de magnitud mejor que FR4 ordinario. Sin embargo, la pila de Rogers es solo 0.001 o menos. Cuando el material FR4 se usa para aplicaciones de alta frecuencia, habrá una diferencia significativa en la pérdida de inserción. La pérdida de inserción se define como la pérdida de potencia de la señal del punto A al punto B cuando se usa FR4, Rogers u otros materiales.

crear problemas

PCB portátil requiere un control de impedancia más estricto. Este es un factor importante para los dispositivos portátiles. La coincidencia de impedancia puede producir una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para trazas de transporte de señal fue de ± 10%. Este indicador obviamente no es lo suficientemente bueno para los circuitos de alta frecuencia y alta velocidad de hoy. El requisito actual es ± 7%, y en algunos casos incluso ± 5% o menos. Este parámetro y otras variables afectarán seriamente la fabricación de estos PCB portátiles con un control de impedancia particularmente estricto, lo que limita el número de empresas que pueden fabricarlos.

La tolerancia constante dieléctrica del laminado hecho de los materiales Rogers UHF generalmente se mantiene al ± 2%, y algunos productos pueden incluso alcanzar ± 1%. En contraste, la tolerancia constante dieléctrica del laminado FR4 es tan alta como 10%. Por lo tanto, compare estos dos materiales se puede encontrar que la pérdida de inserción de Rogers es particularmente baja. En comparación con los materiales FR4 tradicionales, la pérdida de transmisión y la pérdida de inserción de la pila Rogers son medio más bajas.

En la mayoría de los casos, el costo es el más importante. Sin embargo, Rogers puede proporcionar un rendimiento laminado de alta frecuencia relativamente bajo en una alta frecuencia a un precio aceptable. Para aplicaciones comerciales, Rogers se puede convertir en una PCB híbrida con FR4 basado en epoxi, algunas de las cuales usan material Rogers, y otras capas usan FR4.

Al elegir una pila de Rogers, la frecuencia es la consideración principal. Cuando la frecuencia excede los 500MHz, los diseñadores de PCB tienden a elegir los materiales de Rogers, especialmente para los circuitos de RF/microondas, porque estos materiales pueden proporcionar un mayor rendimiento cuando las trazas superiores están estrictamente controladas por la impedancia.

En comparación con el material FR4, el material Rogers también puede proporcionar una pérdida dieléctrica más baja, y su constante dieléctrica es estable en un amplio rango de frecuencia. Además, el material de Rogers puede proporcionar el rendimiento ideal de pérdida de baja inserción requerida por la operación de alta frecuencia.

El coeficiente de expansión térmica (CTE) de los materiales de la serie Rogers 4000 tiene una excelente estabilidad dimensional. Esto significa que en comparación con FR4, cuando la PCB se somete a ciclos de soldadura de reflujo frío, caliente y muy caliente, la expansión térmica y la contracción de la placa de circuito pueden mantenerse en un límite estable bajo ciclos de mayor frecuencia y temperatura más alta.

En el caso del apilamiento mixto, es fácil usar la tecnología de proceso de fabricación común para mezclar Rogers y FR4 de alto rendimiento, por lo que es relativamente fácil lograr un alto rendimiento de fabricación. La pila Rogers no requiere un especial a través del proceso de preparación.

El FR4 común no puede lograr un rendimiento eléctrico muy confiable, pero los materiales FR4 de alto rendimiento tienen buenas características de confiabilidad, como TG más alto, aún relativamente bajo en un costo, y pueden usarse en una amplia gama de aplicaciones, desde un diseño de audio simple hasta aplicaciones complejas de microondas.

Consideraciones de diseño de RF/microondas

La tecnología portátil y Bluetooth han allanado el camino para aplicaciones de RF/microondas en dispositivos portátiles. El rango de frecuencia actual se está volviendo cada vez más dinámico. Hace unos años, se definió una frecuencia muy alta (VHF) como 2GHz ~ 3GHz. Pero ahora podemos ver aplicaciones de frecuencia ultra alta (UHF) que van desde 10 GHz hasta 25 GHz.

Por lo tanto, para la PCB portátil, la parte de RF requiere más atención a los problemas de cableado, y las señales deben separarse por separado, y las trazas que generan señales de alta frecuencia deben mantenerse alejadas del suelo. Otras consideraciones incluyen: proporcionar un filtro de derivación, condensadores de desacoplamiento adecuados, conexión a tierra y diseñar la línea de transmisión y la línea de retorno para que sea casi igual.

El filtro de derivación puede suprimir el efecto de ondulación del contenido de ruido y la diafonía. Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse más cerca de los pines del dispositivo que transportan señales de alimentación.

Las líneas de transmisión de alta velocidad y los circuitos de señal requieren que se coloque una capa de tierra entre las señales de la capa de potencia para suavizar el fluctuación generada por las señales de ruido. A velocidades de señal más altas, los pequeños desajustes de impedancia causarán transmisión no balanceada y recepción de señales, lo que dará como resultado una distorsión. Por lo tanto, se debe prestar especial atención al problema de coincidencia de impedancia relacionado con la señal de radiofrecuencia, porque la señal de radiofrecuencia tiene una alta velocidad y una tolerancia especial.

Las líneas de transmisión de RF requieren impedancia controlada para transmitir señales de RF desde un sustrato IC específico al PCB. Estas líneas de transmisión se pueden implementar en la capa externa, la capa superior y la capa inferior, o se pueden diseñar en la capa media.

Los métodos utilizados durante el diseño de diseño de RF PCB son la línea de microstrip, la línea de tiras flotantes, la guía de onda coplanar o la conexión a tierra. La línea de microstrip consiste en una longitud fija de metal o trazas y todo el plano de tierra o parte del plano de tierra directamente debajo de ella. La impedancia característica en la estructura general de la línea de microstrip varía de 50Ω a 75Ω.

Flotating StripLine es otro método de cableado y supresión de ruido. Esta línea consiste en cableado de ancho fijo en la capa interna y un gran plano de tierra sobre y debajo del conductor central. El plano de tierra está intercalado entre el plano de energía, por lo que puede proporcionar un efecto de conexión a tierra muy efectivo. Este es el método preferido para el cableado de señal PCB RF portátil.

La guía de onda coplanar puede proporcionar un mejor aislamiento cerca del circuito de RF y el circuito que debe enrutarse más cerca. Este medio consiste en un conductor central y planos terrestres a ambos lados o inferiores. La mejor manera de transmitir señales de radiofrecuencia es suspender las líneas de tiras o las guías de onda coplanares. Estos dos métodos pueden proporcionar un mejor aislamiento entre la señal y las trazas de RF.

Se recomienda utilizar la llamada "Vía cerca" en ambos lados de la guía de onda coplanar. Este método puede proporcionar una fila de vías de tierra en cada plano metálico de tierra del conductor central. La traza principal que se ejecuta en el medio tiene cercas en cada lado, proporcionando así un atajo para la corriente de retorno al suelo a continuación. Este método puede reducir el nivel de ruido asociado con el alto efecto de ondulación de la señal de RF. La constante dieléctrica de 4.5 sigue siendo la misma que el material FR4 del prepregio, mientras que la constante dieléctrica del prepregio, desde microstrip, línea de tiras u compensación de strip Strip, es aproximadamente 3.8 a 3.9.

En algunos dispositivos que usan un plano de tierra, se pueden usar VIA ciegas para mejorar el rendimiento del desacoplamiento del condensador de alimentación y proporcionar una ruta de derivación desde el dispositivo hasta el suelo. El camino de la derivación hacia el suelo puede acortar la longitud de la Via. Esto puede lograr dos propósitos: no solo crea una derivación o tierra, sino que también reduce la distancia de transmisión de los dispositivos con áreas pequeñas, que es un factor de diseño de RF importante.