En raison de leur petite taille et de leur taille, il n'existe pratiquement aucune norme en matière de cartes de circuits imprimés pour le marché en pleine croissance de l'IoT portable. Avant la publication de ces normes, nous devions nous appuyer sur les connaissances et l'expérience de fabrication acquises lors du développement au niveau des cartes et réfléchir à la manière de les appliquer aux défis émergents uniques. Trois domaines nécessitent notre attention particulière. Il s'agit des matériaux de surface des circuits imprimés, de la conception RF/micro-ondes et des lignes de transmission RF.

Matériau PCB

« PCB » est généralement constitué de stratifiés, qui peuvent être constitués de matériaux époxy renforcés de fibres (FR4), de polyimide ou de Rogers ou d'autres matériaux stratifiés. Le matériau isolant entre les différentes couches est appelé préimprégné.

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

Si les applications de PCB portables nécessitent des matériaux à haute vitesse et haute fréquence, le FR4 n'est peut-être pas le meilleur choix. La constante diélectrique (Dk) du FR4 est de 4,5, la constante diélectrique du matériau plus avancé de la série Rogers 4003 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 entre la capacité ou l'énergie entre une paire de conducteurs proches du stratifié et la capacité ou l'énergie entre la paire de conducteurs dans le vide. Aux hautes fréquences, il est préférable d’avoir une petite perte. Par conséquent, le Roger 4350 avec une constante diélectrique de 3,66 est plus adapté aux applications à haute fréquence que le FR4 avec une constante diélectrique de 4,5.

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 des couches est que s'il s'agit d'un PCB à 8 couches, il doit être capable de fournir suffisamment de couches de terre et d'alimentation et de prendre en sandwich la couche de câblage. De cette manière, l'effet d'entraînement de la diaphonie peut être réduit au minimum et les interférences électromagnétiques (EMI) peuvent être considérablement réduites.

Au stade de la conception de la configuration du circuit imprimé, le plan de configuration consiste généralement à placer une grande couche de terre à proximité de la couche de distribution d'énergie. Cela peut former un très faible effet d’entraînement et le bruit du système peut également être réduit à presque zéro. Ceci est particulièrement important pour le sous-système radiofréquence.

Comparé au matériau Rogers, le FR4 a un facteur de dissipation (Df) plus élevé, en particulier à haute fréquence. Pour les stratifiés FR4 aux performances plus élevées, la valeur Df est d'environ 0,002, ce qui est un ordre de grandeur meilleur que le FR4 ordinaire. Cependant, le stack de Rogers n’est que de 0,001 ou moins. Lorsque le matériau FR4 est utilisé pour des applications 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

Les PCB portables nécessitent un contrôle d'impédance plus strict. Il s’agit d’un facteur important pour les appareils portables. L'adaptation d'impédance peut produire une transmission de signal plus propre. Auparavant, la tolérance standard pour les traces transportant des signaux était de ± 10 %. Cet indicateur n'est évidemment pas suffisant pour les circuits haute fréquence et haute vitesse d'aujourd'hui. L'exigence actuelle est de ±7 %, et dans certains cas même de ±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 capables de les fabriquer.

La tolérance de constante diélectrique du stratifié constitué de matériaux Rogers UHF est généralement maintenue à ± 2 %, et certains produits peuvent même atteindre ± 1 %. En revanche, la tolérance de constante diélectrique du stratifié FR4 atteint 10 %. Par conséquent, en comparant ces deux matériaux, on peut constater 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 moitié inférieures.

Dans la plupart des cas, le coût est le facteur le plus important. Cependant, Rogers peut fournir des performances de stratifié haute fréquence avec des pertes relativement faibles à un prix acceptable. Pour les applications commerciales, Rogers peut être transformé en un 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 circuits imprimés ont tendance à choisir les matériaux Rogers, en particulier pour les circuits RF/micro-ondes, car ces matériaux peuvent offrir des performances supérieures lorsque les traces supérieures sont strictement contrôlées par l'impédance.

Comparé 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 le fonctionnement à haute fréquence.

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux de la série Rogers 4000 présente une excellente stabilité dimensionnelle. Cela signifie que par rapport au FR4, lorsque le PCB subit des cycles de brasage par refusion à froid, à chaud et à très chaud, la dilatation et la contraction thermiques du circuit imprimé peuvent être maintenues à une limite stable sous des cycles de fréquence et de température plus élevés.

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

Le FR4 commun ne peut pas atteindre des performances électriques très fiables, mais les matériaux FR4 hautes performances ont de bonnes caractéristiques de fiabilité, telles qu'une Tg plus élevée, un coût encore relativement faible et peuvent être utilisés dans une large gamme d'applications, de la simple conception audio 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 les appareils portables. La gamme de fréquences actuelle devient de plus en plus dynamique. Il y a quelques années, la très haute fréquence (VHF) était définie comme étant comprise entre 2 GHz et 3 GHz. Mais nous pouvons désormais voir des applications à ultra haute fréquence (UHF) allant de 10 GHz à 25 GHz.

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

Le filtre de dérivation peut supprimer l'effet d'entraînement du contenu sonore et de la diaphonie. Les condensateurs de découplage doivent être placés plus près des broches de l'appareil transportant les signaux d'alimentation.

Les lignes de transmission à grande vitesse et les circuits de signaux nécessitent qu'une couche de masse soit placée entre les signaux de la couche de puissance pour lisser la gigue générée par les signaux de bruit. À des vitesses de signal plus élevées, de petites disparités d'impédance provoqueront une transmission et une réception déséquilibrées des signaux, entraînant une distorsion. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée au problème d’adaptation d’impédance lié au signal radiofréquence, car le signal radiofréquence a une vitesse élevée et une tolérance particulière.

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

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

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

Le guide d'ondes coplanaire peut fournir une meilleure isolation à proximité du circuit RF et du circuit qui doit être acheminé plus près. Ce support est constitué d'un conducteur central et de plans de masse de chaque côté ou en dessous. La meilleure façon de transmettre des signaux radiofréquences est de suspendre des lignes à ruban ou des guides d'ondes coplanaires. Ces deux méthodes peuvent fournir une meilleure isolation entre le signal et les traces RF.

Il est recommandé d'utiliser ce que l'on appelle une « grille via » des deux côtés du guide d'ondes coplanaire. Ce procédé peut fournir une rangée de vias de terre sur chaque plan de masse métallique du conducteur central. La trace principale qui passe au milieu est dotée de clôtures de chaque côté, fournissant ainsi un raccourci pour le courant de retour vers le sol en contrebas. 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 celle du matériau FR4 du préimprégné, tandis que la constante diélectrique du préimprégné (microruban, stripline ou offset stripline) est d'environ 3,8 à 3,9.

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