En raison de la petite taille et de la taille, il n'y a presque pas de normes de circuit imprimé existantes pour le marché IoT portable croissant. Avant la publication de ces normes, nous avons dû nous fier à l'expérience des connaissances et de la fabrication apprises dans le développement au niveau du conseil d'administration et réfléchir à la façon de les appliquer à des défis émergents uniques. Il y a trois domaines qui nécessitent notre attention particulière. Ce sont: les matériaux de surface de la carte de circuit imprimé, la conception RF / micro-ondes et les lignes de transmission RF.

Matériau PCB

Le «PCB» se compose généralement de stratifiés, qui peuvent être faits d'époxy renforcé de fibre (FR4), de matériaux de polyimide ou de Rogers ou d'autres matériaux stratifiés. Le matériau isolant entre les différentes couches est appelé préimprécision.

Les appareils portables nécessitent une grande fiabilité, donc lorsque les concepteurs de PCB sont confrontés au choix d'utiliser FR4 (le matériau de fabrication de PCB le plus rentable) ou des matériaux plus avancés et plus chers, cela deviendra un problème.

Si les applications PCB portables nécessitent des matériaux à haute vitesse et haute fréquence, FR4 peut ne pas être le meilleur choix. La constante diélectrique (DK) de FR4 est de 4,5, la constante diélectrique du matériau de la série Rogers 4003 plus avancé est de 3,55, et la constante diélectrique de la série Brother Rogers 4350 est de 3,66.

«La constante diélectrique d'un stratifié fait référence au rapport de la capacité ou de l'énergie entre une paire de conducteurs près du stratifié à la capacité ou à l'énergie entre la paire de conducteurs dans le vide. Aux hautes fréquences, il est préférable d'avoir une petite perte. Par conséquent, Roger 4350 avec une constante diélectrique de 3,66 est plus adapté à des applications de fréquence plus élevées que FR4 avec une constante Dielectrique de 4,66.

Dans des circonstances normales, le nombre de couches de PCB pour les appareils portables varie de 4 à 8 couches. Le principe de la construction de la couche est que s'il s'agit d'un PCB à 8 couches, il devrait être en mesure de fournir suffisamment de couches de terrain et d'alimentation et de sandwich la couche de câblage. De cette façon, l'effet d'entraînement dans la diaphonie peut être réalisé à une interférence minimale et électromagnétique (EMI) peut être considérablement réduit.

Dans l'étape de conception de disposition de la carte de circuit imprimé, le plan de disposition consiste généralement à placer une grande couche de sol près de la couche de distribution d'alimentation. Cela peut former un effet d'entraînement très faible, et le bruit du système peut également être réduit à presque zéro. Ceci est particulièrement important pour le sous-système radiofréquence.

Par rapport au matériau Rogers, FR4 a un facteur de dissipation plus élevé (DF), en particulier à une fréquence élevée. Pour les stratifiés FR4 de performances plus élevées, la valeur DF est d'environ 0,002, ce qui est un ordre de grandeur mieux que FR4 ordinaire. Cependant, la pile de Rogers n'est que de 0,001 ou moins. Lorsque le matériau FR4 est utilisé pour les applications à haute fréquence, il y aura une différence significative dans la perte d'insertion. La perte d'insertion est définie comme la perte de puissance du signal du point A au point B lors de l'utilisation de FR4, Rogers ou d'autres matériaux.

créer des problèmes

Le PCB portable nécessite un contrôle d'impédance plus strict. Il s'agit d'un facteur important pour les appareils portables. La correspondance d'impédance peut produire une transmission de signal plus propre. Plus tôt, la tolérance standard pour les traces de transport du signal était de ± 10%. Cet indicateur n'est évidemment pas assez bon pour les circuits à haute fréquence et à grande vitesse d'aujourd'hui. L'exigence actuelle est de ± 7%, et dans certains cas même ± 5% ou moins. Ce paramètre et d'autres variables affecteront sérieusement la fabrication de ces PCB portables avec un contrôle d'impédance particulièrement strict, limitant ainsi le nombre d'entreprises qui peuvent les fabriquer.

La tolérance constante diélectrique du stratifié composé de matériaux Rogers UHF est généralement maintenue à ± 2%, et certains produits peuvent même atteindre ± 1%. En revanche, la tolérance constante diélectrique du stratifié FR4 atteint 10%. Par conséquent, comparer ces deux matériaux peuvent être constatés que la perte d'insertion de Rogers est particulièrement faible. Par rapport aux matériaux FR4 traditionnels, la perte de transmission et la perte d'insertion de la pile Rogers sont à moitié inférieures.

Dans la plupart des cas, le coût est le plus important. Cependant, Rogers peut fournir des performances de stratifié à haute fréquence relativement faibles à un prix acceptable. Pour les applications commerciales, Rogers peut être transformé en PCB hybride avec FR4 à base d'époxy, dont certaines couches utilisent du matériau Rogers et d'autres couches utilisent FR4.

Lors du choix d'une pile Rogers, la fréquence est la principale considération. Lorsque la fréquence dépasse 500 MHz, les concepteurs de PCB ont tendance à choisir les matériaux Rogers, en particulier pour les circuits RF / micro-ondes, car ces matériaux peuvent fournir des performances plus élevées lorsque les traces supérieures sont strictement contrôlées par l'impédance.

Par rapport au matériau FR4, le matériau Rogers peut également fournir une perte diélectrique plus faible, et sa constante diélectrique est stable dans une large plage de fréquences. De plus, le matériau Rogers peut fournir les performances idéales à faible perte d'insertion requises par un fonctionnement à haute fréquence.

Le coefficient d'expansion thermique (CTE) des matériaux de la série Rogers 4000 a une excellente stabilité dimensionnelle. Cela signifie que par rapport à FR4, lorsque le PCB subit des cycles de soudage de reflux froids, chauds et très chauds, l'expansion thermique et la contraction de la carte de circuit imprimé peuvent être maintenues à une limite stable sous des cycles de fréquence plus élevée et de température plus élevés.

Dans le cas de l'empilement mixte, il est facile d'utiliser une technologie de processus de fabrication courante pour mélanger Rogers et FR4 haute performance, il est donc relativement facile d'obtenir un rendement de fabrication élevé. La pile Rogers ne nécessite pas de processus de préparation via spécial.

Le FR4 commun ne peut pas atteindre des performances électriques très fiables, mais les matériaux FR4 à haute performance ont de bonnes caractéristiques de fiabilité, tels que le TG plus élevé, encore relativement faible, et peuvent être utilisés dans un large éventail d'applications, de la conception audio simple aux applications micro-ondes complexes.

Considérations de conception RF / micro-ondes

La technologie portable et Bluetooth ont ouvert la voie aux applications RF / micro-ondes dans des appareils portables. La gamme de fréquences d'aujourd'hui devient de plus en plus dynamique. Il y a quelques années, une fréquence très élevée (VHF) a été définie comme 2 GHz ~ 3 GHz. Mais maintenant, nous pouvons voir des applications de fréquence ultra-élevée (UHF) allant de 10 GHz à 25 GHz.

Par conséquent, pour le PCB portable, la pièce RF nécessite plus d'attention aux problèmes de câblage, et les signaux doivent être séparés séparément, et les traces qui génèrent des signaux à haute fréquence doivent être éloignées du sol. Les autres considérations comprennent: la fourniture d'un filtre de contournement, des condensateurs de découplage adéquats, de la mise à la terre et de la conception de la ligne de transmission et de la ligne de retour pour être presque égaux.

Le filtre de contournement peut supprimer l'effet d'entraînement de la teneur en bruit et de la diaphonie. Les condensateurs de découplage doivent être placés plus près des épingles de dispositif transportant des signaux de puissance.

Les lignes de transmission à grande vitesse et les circuits de signal nécessitent une couche de sol entre les signaux de couche de puissance pour lisser la gigue générée par les signaux de bruit. À des vitesses de signal plus élevées, de petites non-affectations d'impédance entraîneront une transmission déséquilibrée et une réception des signaux, entraînant une distorsion. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée au problème de correspondance d'impédance lié au signal radiofréquence, car le signal radiofréquence a une vitesse élevée et une tolérance spéciale.

Les lignes de transmission RF nécessitent une impédance contrôlée afin de transmettre des signaux RF d'un substrat IC spécifique au PCB. Ces lignes de transmission peuvent être implémentées sur la couche externe, la couche supérieure et la couche inférieure, ou peuvent être conçues dans la couche moyenne.

Les méthodes utilisées lors de la disposition de conception PCB RF sont la ligne de microruban, la ligne de bande flottante, le guide d'onde coplanaire ou la mise à la terre. La ligne de microruban se compose d'une longueur fixe de métal ou de traces et tout le plan de sol ou la partie du plan de masse directement en dessous. L'impédance caractéristique de la structure générale de la ligne microruban varie de 50Ω à 75Ω.

Le stripline flottant est une autre méthode de câblage et de suppression du bruit. Cette ligne se compose d'un câblage à largeur fixe sur la couche intérieure et d'un grand plan de masse au-dessus et en dessous du conducteur central. Le plan de sol est pris en sandwich entre le plan d'alimentation, afin qu'il puisse fournir un effet de mise à la terre très efficace. Il s'agit de la méthode préférée pour le câblage du signal RF PCB portable.

Le guide d'onde Coplanar peut fournir une meilleure isolement près du circuit RF et le circuit qui doit être acheminé plus près. Ce milieu se compose d'un conducteur central et de plans de terre de chaque côté ou en dessous. La meilleure façon de transmettre des signaux radiofréquences est de suspendre les lignes de bande ou les guides d'ondes coplanaires. Ces deux méthodes peuvent fournir une meilleure isolement entre les traces de signal et RF.

Il est recommandé d'utiliser la soi-disant «via clôture» des deux côtés du guide d'onde coplanaire. Cette méthode peut fournir une rangée de vias terrestres sur chaque plan de sol métallique du conducteur central. La trace principale fonctionnant au milieu a des clôtures de chaque côté, fournissant ainsi un raccourci pour le courant de retour au sol ci-dessous. Cette méthode peut réduire le niveau de bruit associé à l'effet d'entraînement élevé du signal RF. La constante diélectrique de 4,5 reste la même que le matériau FR4 de la préprég, tandis que la constante diélectrique de la préprég - du microruban, du stripline ou du décalage - est d'environ 3,8 à 3,9.

Dans certains appareils qui utilisent un plan de masse, les vias aveugles peuvent être utilisés pour améliorer les performances de découplage du condensateur de puissance et fournir un chemin de shunt de l'appareil au sol. Le chemin de shunt vers le sol peut raccourcir la longueur de la via. Cela peut atteindre deux objectifs: non seulement vous créez un shunt ou un sol, mais aussi réduire la distance de transmission des appareils avec de petites zones, ce qui est un facteur de conception RF important.