Debido al pequeño tamaño y tamaño, casi no existen estándares de placas de circuito impreso para el creciente mercado de IoT portátil. Antes de que salieran estos estándares, teníamos que confiar en el conocimiento y la experiencia de fabricación adquiridos en el desarrollo a nivel de placa y pensar en cómo aplicarlos a desafíos emergentes únicos. Hay tres áreas que requieren nuestra especial atención. Estos son: materiales de superficie de placas de circuito, diseño de RF/microondas y líneas de transmisión de RF.

material de placa de circuito impreso

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

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

Si las aplicaciones de PCB portátiles requieren materiales de alta velocidad y alta frecuencia, es posible que FR4 no sea la mejor opción. La constante dieléctrica (Dk) de FR4 es 4,5, la constante dieléctrica del material más avanzado de la serie Rogers 4003 es 3,55 y la constante dieléctrica de la serie hermano Rogers 4350 es 3,66.

“La constante dieléctrica de un laminado se refiere a la relación entre la capacitancia o energía entre un par de conductores cerca del laminado y la capacitancia o energía entre el par de conductores en el vacío. En frecuencias altas, es mejor tener una pequeña pérdida. Por lo tanto, Roger 4350 con una constante dieléctrica de 3,66 es más adecuado para aplicaciones de mayor frecuencia que el FR4 con una constante dieléctrica de 4,5.

En circunstancias normales, el número de capas de PCB para dispositivos portátiles oscila entre 4 y 8 capas. El principio de la construcción de capas es que si se trata de una PCB de 8 capas, debería poder proporcionar suficientes capas de tierra y energía y emparedar la capa de cableado. De esta manera, el efecto dominó en la diafonía se puede mantener al mínimo y la interferencia electromagnética (EMI) se puede reducir significativamente.

En la etapa de diseño del diseño de la placa de circuito, el plan de diseño generalmente consiste en colocar una gran capa de tierra cerca de la capa de distribución de energía. Esto puede generar un efecto dominó 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, el FR4 tiene un factor de disipación (Df) más alto, especialmente a alta frecuencia. Para laminados FR4 de mayor rendimiento, el valor Df es aproximadamente 0,002, que es un orden de magnitud mejor que el FR4 normal. Sin embargo, el stack de Rogers es sólo 0,001 o menos. Cuando se utiliza material FR4 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 desde el punto A al punto B cuando se utiliza FR4, Rogers u otros materiales.

crear problemas

La PCB portátil requiere un control de impedancia más estricto. Este es un factor importante para los dispositivos portátiles. La adaptación de impedancia puede producir una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para las trazas portadoras de señales era de ±10%. Obviamente, este indicador no es lo suficientemente bueno para los circuitos de alta frecuencia y alta velocidad actuales. El requisito actual es de ±7% y, en algunos casos, incluso de ±5% o menos. Este parámetro y otras variables afectarán gravemente a la fabricación de estos PCB portátiles con un control de impedancia especialmente estricto, limitando así el número de empresas que pueden fabricarlos.

La tolerancia constante dieléctrica del laminado fabricado con materiales Rogers UHF generalmente se mantiene en ±2% y algunos productos pueden alcanzar incluso ±1%. Por el contrario, la tolerancia constante dieléctrica del laminado FR4 llega al 10%. Por lo tanto, al comparar 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 la mitad menores.

En la mayoría de los casos, el costo es lo más importante. Sin embargo, Rogers puede ofrecer un rendimiento de laminado de alta frecuencia con pérdidas relativamente bajas a un precio aceptable. Para aplicaciones comerciales, Rogers se puede convertir en una PCB híbrida con FR4 a base de epoxi, algunas capas del cual usan material Rogers y otras capas usan FR4.

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

En comparación con el material FR4, el material Rogers también puede proporcionar una menor pérdida dieléctrica y su constante dieléctrica es estable en un amplio rango de frecuencia. Además, el material Rogers puede proporcionar el rendimiento ideal de baja pérdida de inserción requerido 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 por reflujo en frío, calor y muy caliente, la expansión y contracción térmica de la placa de circuito se puede mantener en un límite estable bajo ciclos de mayor frecuencia y mayor temperatura.

En el caso del apilamiento mixto, es fácil utilizar 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 proceso de preparación especial.

El FR4 común no puede lograr un rendimiento eléctrico muy confiable, pero los materiales FR4 de alto rendimiento tienen buenas características de confiabilidad, como una Tg más alta, un costo relativamente bajo y se pueden usar en una amplia gama de aplicaciones, desde diseños de audio simples hasta aplicaciones complejas de microondas. .

Consideraciones de diseño de RF/Microondas

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

Por lo tanto, para la PCB portátil, la parte de RF requiere más atención a los problemas de cableado, 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 sean casi iguales.

El filtro de derivación puede suprimir el efecto dominó 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 energía para suavizar la fluctuación generada por las señales de ruido. A velocidades de señal más altas, pequeños desajustes de impedancia provocarán un desequilibrio en la transmisión y recepción de señales, lo que provocará distorsión. Por lo tanto, se debe prestar especial atención al problema de adaptación 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 una impedancia controlada para transmitir señales de RF desde un sustrato de CI específico a la PCB. Estas líneas de transmisión se pueden implementar en la capa exterior, la capa superior y la capa inferior, o se pueden diseñar en la capa intermedia.

Los métodos utilizados durante el diseño de PCB RF son línea microstrip, línea de tira flotante, guía de ondas coplanar o conexión a tierra. La línea microstrip consta de una longitud fija de metal o pistas y todo el plano de tierra o parte del plano de tierra directamente debajo de él. La impedancia característica en la estructura general de línea microstrip varía de 50 Ω a 75 Ω.

La línea de banda flotante es otro método de cableado y supresión de ruido. Esta línea consta de cableado de ancho fijo en la capa interior y un gran plano de tierra encima y debajo del conductor central. El plano de tierra está intercalado entre el plano de potencia, por lo que puede proporcionar un efecto de conexión a tierra muy eficaz. Este es el método preferido para el cableado de señales de RF de PCB portátiles.

La guía de ondas coplanar puede proporcionar un mejor aislamiento cerca del circuito de RF y del circuito que debe acercarse. Este medio consta de un conductor central y planos de tierra a ambos lados o debajo. La mejor manera de transmitir señales de radiofrecuencia es suspender líneas de cinta o guías de ondas coplanares. Estos dos métodos pueden proporcionar un mejor aislamiento entre la señal y las trazas de RF.

Se recomienda utilizar la denominada “vía valla” en ambos lados de la guía de ondas coplanar. Este método puede proporcionar una fila de vías de tierra en cada plano de tierra metálico del conductor central. La pista principal que corre en el medio tiene vallas a cada lado, proporcionando así un atajo para la corriente de retorno al suelo. Este método puede reducir el nivel de ruido asociado con el alto efecto dominó de la señal de RF. La constante dieléctrica de 4,5 sigue siendo la misma que la del material FR4 del preimpregnado, mientras que la constante dieléctrica del preimpregnado (de microstrip, stripline o offset stripline) es de aproximadamente 3,8 a 3,9.

En algunos dispositivos que usan un plano de tierra, se pueden usar vías ciegas para mejorar el rendimiento de desacoplamiento del capacitor de potencia y proporcionar una ruta en derivación desde el dispositivo a tierra. El camino de derivación al suelo puede acortar la longitud de la vía. Esto puede lograr dos propósitos: no solo crea una derivación o conexión a tierra, sino que también reduce la distancia de transmisión de dispositivos con áreas pequeñas, lo cual es un factor de diseño de RF importante.