Pienen koon ja koon takia kasvavalle puettaville Internet -markkinoille ei ole melkein olemassa olevia tulostettuja piirilevystandardeja. Ennen kuin nämä standardit ilmestyivät, meidän piti luottaa hallituksen tason kehittämiseen opittuun tietoon ja valmistuskokemukseen ja miettiä, kuinka niitä sovelletaan ainutlaatuisiin nouseviin haasteisiin. On olemassa kolme aluetta, jotka vaativat erityistä huomiota. Ne ovat: piirilevyn pintamateriaalit, RF/mikroaaltouuni ja RF -siirtojohdot.
Pcb -materiaali
”PCB” koostuu yleensä laminaateista, jotka voivat olla valmistettu kuituvahvistetusta epoksista (FR4), polyimidi- tai Rogers-materiaaleista tai muista laminaattimateriaaleista. Eri kerrosten välistä eristävää materiaalia kutsutaan prepregiksi.
Piirrettävät laitteet vaativat korkeaa luotettavuutta, joten kun piirilevyjen suunnittelijat kohtaavat valinnan FR4: n (kustannustehokkain piirilevyjen valmistusmateriaali) tai edistyneempien ja kalliimpien materiaalien käyttäminen, tästä tulee ongelma.
Jos puettavissa olevat piirilevyjen sovellukset vaativat nopeaa, korkeataajuista materiaalia, FR4 ei ehkä ole paras valinta. FR4: n dielektrinen vakio (DK) on 4,5, edistyneemmän Rogers 4003 -sarjan materiaalin dielektrinen vakio on 3,55 ja veli -sarjan Rogers 4350: n dielektrinen vakio on 3,66.
”Laminaatin dielektrinen vakio viittaa kapasitanssin tai energian suhteeseen laminaatin lähellä olevien johtimien parin välillä kapasitanssiin tai energiaan tyhjiön johtimien välillä. Korkeilla taajuuksilla on parasta olla pieni häviö. Siksi Roger 4350: n kanssa dielektrisen vakiona on enemmän korkeampi taajuussovellus.
Normaaliolosuhteissa puettavien laitteiden piirilevyjen lukumäärä vaihtelee 4 - 8 kerrosta. Kerrosrakenteen periaate on, että jos se on 8-kerroksinen piirilevy, sen pitäisi pystyä tarjoamaan riittävästi maa- ja sähkökerroksia ja voileivän johdotuskerroksen. Tällä tavoin Closstalkin aaltoileva vaikutus voidaan pitää vähimmäis- ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) kanssa.
Piirilevyn asettelun suunnitteluvaiheessa asettelusuunnitelma on yleensä sijoittaa suuri maakerros lähelle virranjakelukerrosta. Tämä voi muodostaa erittäin alhaisen aaltoilevan vaikutuksen, ja järjestelmämelu voidaan myös vähentää melkein nollaan. Tämä on erityisen tärkeää radiotaajuusyhteysjärjestelmälle.
Verrattuna Rogers -materiaaliin, FR4: llä on suurempi hajoamiskerroin (DF), etenkin korkealla taajuudella. Korkeammille FR4 -laminaateille DF -arvo on noin 0,002, mikä on suuruusluokkaa parempi kuin tavallinen FR4. Rogersin pino on kuitenkin vain 0,001 tai vähemmän. Kun FR4 -materiaalia käytetään korkeataajuussovelluksiin, lisäyshäviöissä on merkittävä ero. Lisäyshäviö määritellään signaalin tehon menetykseksi pisteestä A pisteeseen B, kun käytetään FR4: tä, Rogersia tai muita materiaaleja.
aiheuttaa ongelmia
Kuutettava piirilevy vaatii tiukemman impedanssinhallinnan. Tämä on tärkeä tekijä puettavissa laitteissa. Impedanssin sovitus voi tuottaa puhtaamman signaalin lähetyksen. Aikaisemmin signaalin kantavien jäljen vakiotoleranssi oli ± 10%. Tämä indikaattori ei selvästikään ole tarpeeksi hyvä nykypäivän korkeataajuus- ja nopean piireiden suhteen. Nykyinen tarve on ± 7% ja joissain tapauksissa jopa ± 5% tai vähemmän. Tämä parametri ja muut muuttujat vaikuttavat vakavasti näiden puettavien piirilevyjen valmistukseen, jolla on erityisen tiukka impedanssinhallinta, rajoittaen siten niiden valmistajien määrää.
Rogers -materiaaleista valmistetun laminaatin dielektrinen vakiotoleranssi ylläpidetään yleensä ± 2%: lla, ja jotkut tuotteet voivat jopa saavuttaa ± 1%. Sitä vastoin FR4 -laminaatin dielektrinen vakiotoleranssi on jopa 10%. Siksi vertaa näitä kahta materiaalia voidaan havaita, että Rogersin lisäyshäviö on erityisen pieni. Verrattuna perinteisiin FR4 -materiaaleihin, Rogers -pinon voimansiirtohäviö ja lisäyshäviö ovat puoliksi alhaisemmat.
Useimmissa tapauksissa kustannukset ovat tärkeimpiä. Rogers voi kuitenkin tarjota suhteellisen alhaisen menetyksen korkeataajuisen laminaattien suorituskyvyn hyväksyttävään hintaan. Kaupallisissa sovelluksissa Rogersista voidaan tehdä hybridi-piirilevy, jossa on epoksipohjainen FR4, joista jotkut kerrokset käyttävät Rogers-materiaalia, ja muut kerrokset käyttävät FR4: tä.
Kun valitset Rogers -pinoa, taajuus on ensisijainen huomio. Kun taajuus ylittää 500MHz, PCB -suunnittelijat valitsevat yleensä Rogers -materiaalit, etenkin RF/mikroaaltopiireihin, koska nämä materiaalit voivat tarjota suuremman suorituskyvyn, kun ylemmät jäljet säätelevät tiukasti impedanssin avulla.
FR4 -materiaaliin verrattuna Rogers -materiaali voi myös tarjota alhaisemman dielektrisen häviön, ja sen dielektrisyysvakio on vakaa laajalla taajuusalueella. Lisäksi Rogers -materiaali voi tarjota ihanteellisen matalan lisäyshäviön suorituskyvyn, jota vaaditaan korkeataajuustoiminnassa.
Rogers 4000 -sarjan materiaalien lämpölaajennuksen (CTE) kerroin (CTE) on erinomainen ulottuvuuden stabiilisuus. Tämä tarkoittaa, että verrattuna FR4: een, kun piirilevy käy läpi kylmän, kuuman ja erittäin kuuman heijastusjakson syklit, piirilevyn lämpölaajennus ja supistuminen voidaan ylläpitää stabiililla rajoilla korkeammalla taajuudella ja korkeammilla lämpötilasykleillä.
Sekoitetun pinoamisen tapauksessa on helppo käyttää yhteistä valmistusprosessitekniikkaa Rogersin ja korkean suorituskyvyn FR4: n sekoittamiseen, joten korkean valmistustuoton saavuttaminen on suhteellisen helppoa. Rogers -pino ei vaadi erityistä valmisteluprosessin kautta.
Yleinen FR4 ei voi saavuttaa kovin luotettavaa sähkösuorituskykyä, mutta korkean suorituskyvyn FR4-materiaaleilla on hyvät luotettavuusominaisuudet, kuten korkeampi TG, silti suhteellisen edulliset, ja niitä voidaan käyttää monissa sovelluksissa yksinkertaisesta äänisuunnittelusta monimutkaisiin mikroaaltouunisovelluksiin.
RF/mikroaaltouunin suunnittelun näkökohdat
Kannettava tekniikka ja Bluetooth ovat tasoittaneet tietä RF/mikroaaltosovelluksille puettavissa laitteissa. Tämän päivän taajuusalue on yhä dynaamisempi. Muutama vuosi sitten erittäin korkea taajuus (VHF) määriteltiin 2 GHz ~ 3 GHz. Mutta nyt voimme nähdä erittäin korkeataajuuden (UHF) sovellukset, jotka vaihtelevat 10 GHz-25 GHz.
Siksi puettavan piirilevyjen osalta RF-osa vaatii enemmän huomiota johdotusongelmiin, ja signaalit on erotettava erikseen, ja korkean taajuuden signaalien tuottavat jäljet tulisi pitää poissa maasta. Muita näkökohtia ovat: ohitussuodattimen tarjoaminen, riittävät irtisanomiskondensaattorit, maadoittaminen ja lähetyslinjan ja palautuslinjan suunnittelu melkein yhtä suureksi.
Ohitussuodatin voi tukahduttaa melupitoisuuden ja ylikuormituksen aaltoilevan vaikutuksen. Kondensaattorit on asetettava lähemmäksi laitetappeja, jotka kantavat voimansignaaleja.
Nopeat lähetyslinjat ja signaalipiirit vaativat maakerroksen asettamisen sähkökerroksen signaalien väliin kohinasignaalien tuottaman värinän tasoittamiseksi. Suuremmilla signaalinopeuksilla pienet impedanssin epäsuhteet aiheuttavat epätasapainoisen siirron ja signaalien vastaanottamisen, mikä johtaa vääristymiseen. Siksi radiotaajuussignaaliin liittyvään impedanssin sovitusongelmaan on kiinnitettävä erityistä huomiota, koska radiotaajuussignaalilla on suuri ja erityinen toleranssi.
RF -lähetyslinjat vaativat hallittuja impedansseja RF -signaalien lähettämiseksi tietystä IC -substraatista piirilevyyn. Nämä lähetyslinjat voidaan toteuttaa ulkokerroksessa, yläkerroksessa ja alakerroksessa tai ne voidaan suunnitella keskikerrokseen.
PCB RF -suunnitteluasettelun aikana käytetyt menetelmät ovat Microstrip -viiva, kelluva nauha viiva, koplanaarinen aaltojohto tai maadoitus. Mikrovallan viiva koostuu kiinteästä metallista tai jäljityksestä ja koko maatasosta tai maanpinnan osasta suoraan sen alapuolella. Tyypillinen impedanssi yleisessä mikroliuskaluulurakenteessa vaihtelee välillä 50Ω - 75Ω.
Kelluva stripline on toinen johdotus- ja melunvaimennusmenetelmä. Tämä viiva koostuu kiinteän leveyden johdotuksesta sisäkerroksessa ja suuresta maatasosta keskimmäisen kapellimen ylä- ja alapuolella. Maataso on kerrostettu tehotason väliin, joten se voi tarjota erittäin tehokkaan maadoitusvaikutuksen. Tämä on edullinen menetelmä puettavan piirilevyn RF -signaalin johdotukselle.
Coplanar -aaltojohto voi tarjota paremman eristyksen lähellä RF -piiriä ja piiri, joka on ohjattava lähemmäksi. Tämä väliaine koostuu keskimmäisestä kapellimestarista ja maatasoista kummallakin puolella tai sen alapuolella. Paras tapa siirtää radiotaajuussignaaleja on ripustaa nauhat tai koplanaariset aaltoputket. Nämä kaksi menetelmää voivat tarjota paremman eristyksen signaalin ja RF -jälkien välillä.
On suositeltavaa käyttää ns. ”Via-aidan” Coplanar-aaltojohdon molemmilla puolilla. Tämä menetelmä voi tarjota rivin jauhettua viasia jokaiselle keskiosaajan metallitasolle. Keskellä käytävässä pääosassa on aidat kummallakin puolella, mikä tarjoaa pikakuvakkeen paluuvirralle alla olevaan maahan. Tämä menetelmä voi vähentää RF -signaalin korkeaan aaltoiluvaikutukseen liittyvää melutasoa. Dielektrinen vakio 4,5 pysyy samana kuin prepreg -materiaalin FR4 -materiaali, kun taas prepreg -dielektrinen vakio - mikroliuskasta, stripline tai siirtymä stripline - on noin 3,8 - 3,9.
Joissakin laitteissa, jotka käyttävät maatasoa, sokeita VIA -laitteita voidaan käyttää parantamaan virtalähteen kondensaattorin irrottamisen suorituskykyä ja tarjoamaan shuntpolku laitteesta maahan. Shunt -polku maahan voi lyhentää Via: n pituutta. Tämä voi saavuttaa kaksi tarkoitusta: et vain luo šuntia tai maata, vaan myös vähennä pienten alueiden laitteiden siirtoetäisyyttä, mikä on tärkeä RF -suunnittelukerroin.
