Tamaina eta tamaina txikia dela eta, ia ez dago zirkuitu inprimatuko estandarrik hazten ari den IoT eramangarrien merkaturako. Estandar hauek atera baino lehen, taula-mailako garapenean ikasitako ezagutzan eta fabrikazio-esperientzian oinarritu eta sortzen ari ziren erronka berezietan nola aplikatu pentsatu behar genuen. Hiru dira gure arreta berezia eskatzen duten arloak. Hauek dira: zirkuitu plaken gainazaleko materialak, RF/mikrouhinen diseinua eta RF transmisio-lerroak.
PCB materiala
"PCB" orokorrean laminatuez osatuta dago, zuntzekin indartutako epoxi (FR4), poliimida edo Rogers materialez edo beste material laminatuz eginak izan daitezkeenak. Geruza ezberdinen arteko material isolatzaileari prepreg deitzen zaio.
Eramangarri diren gailuek fidagarritasun handia behar dute, beraz, PCB diseinatzaileek FR4 (PCB fabrikatzeko material errentagarriena) edo material aurreratuagoak eta garestiagoak erabiltzearen aurrean arazo bat izango da.
Eramangarri diren PCB aplikazioek abiadura handiko eta maiztasun handiko materialak behar badituzte, baliteke FR4 ez izatea aukerarik onena. FR4-ren konstante dielektrikoa (Dk) 4,5 da, Rogers 4003 serieko material aurreratuagoaren konstante dielektrikoa 3,55 da eta Rogers 4350 anai seriearen konstante dielektrikoa 3,66 da.
"Laminatu baten konstante dielektrikoak laminatutik gertu dauden eroale pare baten arteko kapazitate edo energia hutsean dauden eroaleen arteko kapazitate edo energiaren arteko erlazioari egiten dio erreferentzia. Maiztasun altuetan, hobe da galera txiki bat izatea. Beraz, Roger 4350 3,66ko konstante dielektrikoa duen maiztasun handiagoko aplikazioetarako egokiagoa da FR4 4,5eko konstante dielektrikoa baino.
Egoera normalean, gailu eramangarrietarako PCB geruza kopurua 4 eta 8 geruza bitartekoa da. Geruzaren eraikuntzaren printzipioa 8 geruzako PCB bat bada, lur- eta potentzia-geruza nahikoa eman eta kableatu-geruza ogitartekoa izan beharko luke. Modu honetan, diafonian uhin-efektua gutxienera murriztu daiteke eta interferentzia elektromagnetikoak (EMI) nabarmen murriztu daitezke.
Zirkuitu-plaken diseinuaren fasean, diseinu-plana, oro har, lurreko geruza handi bat potentzia banatzeko geruzatik hurbil jartzea da. Honek uhin-efektu oso baxua sor dezake, eta sistemaren zarata ere ia zerora murriztu daiteke. Hau bereziki garrantzitsua da irrati-maiztasunaren azpisistemarako.
Rogers-eko materialarekin alderatuta, FR4-k xahutze-faktorea (Df) handiagoa du, batez ere maiztasun altuan. Errendimendu handiagoko FR4 laminatuetarako, Df balioa 0,002 ingurukoa da, hau da, FR4 arrunta baino magnitude-ordena hobea da. Hala ere, Rogersen pila 0.001 edo gutxiagokoa da. FR4 materiala maiztasun handiko aplikazioetarako erabiltzen denean, txertatze-galeran alde handia egongo da. Txertazio-galera A puntutik B puntura seinalearen potentzia-galera bezala definitzen da FR4, Rogers edo beste material batzuk erabiltzean.
arazoak sortu
PCB eramangarriak inpedantzia kontrol zorrotzagoa behar du. Hau faktore garrantzitsua da gailu eramangarrientzat. Inpedantzia parekatzeak seinalearen transmisio garbiagoa sor dezake. Lehenago, seinaleak eramateko arrastoen tolerantzia estandarra % ±10ekoa zen. Adierazle hau, jakina, ez da nahikoa ona gaur egungo maiztasun handiko eta abiadura handiko zirkuituetarako. Uneko eskakizuna % ± 7 da, eta kasu batzuetan % 5 edo gutxiago ere bai. Parametro honek eta beste aldagai batzuek inpedantzia kontrol bereziki zorrotzarekin eramangarri diren PCB horien fabrikazioan eragin handia izango dute, eta, ondorioz, fabrikatu ditzaketen negozioen kopurua mugatuko da.
Rogers UHF materialez egindako laminatuaren konstante dielektrikoen tolerantzia ±% 2an mantentzen da, eta produktu batzuk ±% 1 ere irits daitezke. Aitzitik, FR4 laminatuaren konstante dielektrikoen tolerantzia % 10ekoa da. Beraz, alderatu Bi material hauek Rogersen txertatze-galera bereziki baxua dela aurki daiteke. FR4 material tradizionalekin alderatuta, Rogers pilaren transmisio-galera eta txertatze-galera erdi txikiagoak dira.
Kasu gehienetan, kostua da garrantzitsuena. Hala ere, Rogersek galera baxu samarreko maiztasun handiko laminatuaren errendimendua eskain dezake prezio onargarrian. Aplikazio komertzialetarako, Rogers PCB hibrido batean egin daiteke epoxian oinarritutako FR4rekin, geruza batzuek Rogers materiala erabiltzen dute eta beste geruza batzuek FR4 erabiltzen dute.
Rogers pila bat aukeratzerakoan, maiztasuna da kontu nagusia. Maiztasuna 500MHz gainditzen duenean, PCB diseinatzaileek Rogers-eko materialak aukeratu ohi dituzte, batez ere RF/mikrouhin-zirkuituetarako, material hauek errendimendu handiagoa eman dezaketelako goiko arrastoak inpedantziaz zorrozki kontrolatzen direnean.
FR4 materialarekin alderatuta, Rogers materialak galera dielektriko txikiagoa ere eman dezake, eta bere konstante dielektrikoa egonkorra da maiztasun tarte zabal batean. Horrez gain, Rogers materialak maiztasun handiko funtzionamenduak eskatzen duen txertatze-galera baxuko errendimendu ezin hobea eskain dezake.
Rogers 4000 serieko materialen hedapen termikoaren koefizienteak (CTE) egonkortasun dimentsional bikaina du. Horrek esan nahi du FR4-rekin alderatuta, PCBak hotza, beroa eta oso beroa errefluxuaren soldadura-zikloak jasaten dituenean, zirkuitu plakaren hedapen eta uzkurdura termikoa muga egonkor batean mantendu daitekeela maiztasun handiagoko eta tenperatura altuagoko zikloetan.
Pilatze mistoaren kasuan, erraza da fabrikazio prozesuen teknologia arrunta erabiltzea Rogers eta errendimendu handiko FR4 elkarrekin nahasteko, beraz, nahiko erraza da fabrikazio-errendimendu handia lortzea. Rogers pilak ez du prestaketa prozesu berezirik behar.
FR4 arruntak ezin du errendimendu elektriko oso fidagarria lortu, baina errendimendu handiko FR4 materialek fidagarritasun-ezaugarri onak dituzte, hala nola Tg handiagoa, oraindik kostu nahiko baxua, eta aplikazio ugaritan erabil daiteke, audio diseinu soiletik mikrouhin-aplikazio konplexuetara. .
RF/Microuhinen diseinuaren gogoetak
Teknologia eramangarriak eta Bluetooth-ak RF/mikrouhin-labeen aplikazioetarako bidea ireki dute gailu eramangarrietan. Gaur egungo maiztasun tartea gero eta dinamikoagoa da. Duela urte batzuk, oso maiztasun handiko (VHF) 2GHz~3GHz gisa definitzen zen. Baina orain frekuentzia ultra altuko (UHF) aplikazioak ikus ditzakegu 10GHz eta 25GHz bitartekoak.
Hori dela eta, PCB eramangarrirako, RF zatiak kableatuaren arazoei arreta handiagoa eskatzen die, eta seinaleak bereizi behar dira, eta maiztasun handiko seinaleak sortzen dituzten arrastoak lurretik urrun mantendu behar dira. Beste kontu batzuk honako hauek dira: saihesbide-iragazkia ematea, desakoplatze-kondentsadore egokiak, lurreratzea eta transmisio-lerroa eta itzulerako linea ia berdinak izateko diseinatzea.
Bypass iragazkiak zarata edukiaren eta diafoniaren uhin-efektua kendu dezake. Desakoplatzeko kondentsadoreak potentzia-seinaleak daramatzaten gailuaren pinetatik hurbilago jarri behar dira.
Abiadura handiko transmisio-lerroek eta seinale-zirkuituek potentzia-geruzako seinaleen artean lur-geruza bat jarri behar da zarata-seinaleek sortutako jitter-a leuntzeko. Seinale-abiadura handiagoetan, inpedantzia-desegokitze txikiek seinaleen transmisio eta harrera desorekatua eragingo dute, distortsioa eraginez. Hori dela eta, arreta berezia jarri behar zaio irrati-maiztasun-seinaleari lotutako inpedantzia parekatzeko arazoari, irrati-maiztasunaren seinaleak abiadura handia eta tolerantzia berezia duelako.
RF transmisio-lerroek inpedantzia kontrolatua behar dute RF seinaleak IC substratu zehatz batetik PCBra transmititzeko. Transmisio-lerro hauek kanpoko geruzan, goiko geruzan eta beheko geruzan ezar daitezke edo erdiko geruzan diseinatu daitezke.
PCB RF diseinuaren diseinuan erabiltzen diren metodoak mikrostrip line, banda flotatzaile lerroa, uhin-gida koplanarra edo lurreratzea dira. Mikrostrip-lerroa metal edo arrastoen luzera finko batez osatuta dago eta lurreko plano osoa edo lur-planoaren zati bat zuzenean azpian dago. Microstrip linearen egitura orokorrean inpedantzia ezaugarria 50Ω-tik 75Ω bitartekoa da.
Floating stripline kableatu eta zarata kentzeko beste metodo bat da. Lerro hau barruko geruzan zabalera finkoko kableatua eta erdiko eroalearen gainean eta azpian lur-plano handi bat osatzen dute. Lurreko planoa potentzia hegazkinaren artean sartuta dago, beraz, lurreratzeko efektu oso eraginkorra eman dezake. Hau da PCB RF seinalearen kableagarri eramangarrietarako hobetsitako metodoa.
Uhin-gida koplanarrak isolamendu hobea eman dezake RF zirkuitutik eta hurbilago bideratu behar den zirkuitutik gertu. Euskarri hau eroale zentral batek eta lurreko planoek alboetan edo behean osatzen dute. Irrati-maiztasunaren seinaleak transmititzeko modurik onena banda-lerroak edo uhin-gida koplanarrak etetea da. Bi metodo hauek seinalearen eta RF arrastoen arteko isolamendu hobea eman dezakete.
Uhin-gida koplanarraren bi aldeetan "bide hesia" deritzona erabiltzea gomendatzen da. Metodo honek lurrezko bide-lerro bat eman dezake erdiko eroalearen metalezko lurreko plano bakoitzean. Erdian dabilen arrasto nagusiak hesiak ditu alde bakoitzean, eta horrela, beheko lurrera itzultzeko korronteari lasterbidea ematen zaio. Metodo honek RF seinalearen uhindura handiko efektuarekin lotutako zarata maila murriztu dezake. 4,5eko konstante dielektrikoa aurreprepregaren FR4 materialaren berdina izaten jarraitzen du, eta prepregaren konstante dielektrikoa —microstrip, stripline edo offset striplinetik— 3,8 eta 3,9 artekoa da.
Lur-planoa erabiltzen duten gailu batzuetan, bide itsuak erabil daitezke potentzia-kondentsadorearen desakoplatze-errendimendua hobetzeko eta gailutik lurrerako shunt-bide bat eskaintzeko. Lurrerako shunt-bideak bidearen luzera laburtu dezake. Honek bi helburu lor ditzake: shunt edo lurra sortzeaz gain, eremu txikiak dituzten gailuen transmisio distantzia murrizten duzu, hau da RF diseinu faktore garrantzitsua.