Karena ukuran dan ukuran yang kecil, hampir tidak ada standar papan sirkuit cetak yang ada untuk pasar IoT yang dapat dipakai. Sebelum standar-standar ini keluar, kami harus mengandalkan pengalaman pengetahuan dan manufaktur yang dipelajari dalam pengembangan tingkat dewan dan berpikir tentang bagaimana menerapkannya pada tantangan yang muncul unik. Ada tiga area yang membutuhkan perhatian khusus kami. Mereka adalah: bahan permukaan papan sirkuit, desain RF/microwave dan jalur transmisi RF.

Materi PCB

"PCB" umumnya terdiri dari laminasi, yang dapat terbuat dari epoksi yang diperkuat serat (FR4), bahan polimida atau rogers atau bahan laminasi lainnya. Bahan isolasi antara lapisan yang berbeda disebut prepreg.

Perangkat yang dapat dipakai membutuhkan keandalan tinggi, jadi ketika desainer PCB dihadapkan dengan pilihan menggunakan FR4 (bahan manufaktur PCB yang paling hemat biaya) atau bahan yang lebih canggih dan lebih mahal, ini akan menjadi masalah.

Jika aplikasi PCB yang dapat dipakai membutuhkan bahan berkecepatan tinggi dan frekuensi tinggi, FR4 mungkin bukan pilihan terbaik. Konstanta dielektrik (DK) dari FR4 adalah 4,5, konstanta dielektrik dari bahan seri Rogers 4003 yang lebih maju adalah 3,55, dan konstanta dielektrik dari seri saudara Rogers 4350 adalah 3,66.

“Konstanta dielektrik laminasi mengacu pada rasio kapasitansi atau energi antara sepasang konduktor di dekat laminasi terhadap kapasitansi atau energi antara pasangan konduktor dalam ruang hampa. Pada frekuensi tinggi, yang terbaik untuk memiliki lebih kecil. Konstanta yang lebih tinggi untuk fiksi yang lebih tinggi.

Dalam keadaan normal, jumlah lapisan PCB untuk perangkat yang dapat dikenakan berkisar antara 4 hingga 8 lapisan. Prinsip konstruksi lapisan adalah bahwa jika itu adalah PCB 8-lapis, ia harus dapat memberikan lapisan tanah dan daya yang cukup dan menyandarkan lapisan kabel. Dengan cara ini, efek riak di crosstalk dapat dijaga agar minimum dan gangguan elektromagnetik (EMI) dapat dikurangi secara signifikan.

Pada tahap desain tata letak papan sirkuit, rencana tata letak umumnya menempatkan lapisan tanah besar dekat dengan lapisan distribusi daya. Ini dapat membentuk efek riak yang sangat rendah, dan kebisingan sistem juga dapat dikurangi menjadi hampir nol. Ini sangat penting untuk subsistem frekuensi radio.

Dibandingkan dengan bahan Rogers, FR4 memiliki faktor disipasi yang lebih tinggi (DF), terutama pada frekuensi tinggi. Untuk kinerja yang lebih tinggi FR4 laminasi, nilai DF adalah sekitar 0,002, yang merupakan urutan besarnya lebih baik daripada FR4 biasa. Namun, tumpukan Rogers hanya 0,001 atau kurang. Ketika bahan FR4 digunakan untuk aplikasi frekuensi tinggi, akan ada perbedaan yang signifikan dalam kehilangan penyisipan. Kehilangan penyisipan didefinisikan sebagai kehilangan daya sinyal dari titik A ke titik B saat menggunakan FR4, Rogers atau bahan lainnya.

membuat masalah

PCB yang dapat dipakai membutuhkan kontrol impedansi yang lebih ketat. Ini adalah faktor penting untuk perangkat yang dapat dipakai. Pencocokan impedansi dapat menghasilkan transmisi sinyal yang lebih bersih. Sebelumnya, toleransi standar untuk jejak pembawa sinyal adalah ± 10%. Indikator ini jelas tidak cukup baik untuk sirkuit frekuensi tinggi dan berkecepatan tinggi saat ini. Persyaratan saat ini adalah ± 7%, dan dalam beberapa kasus bahkan ± 5% atau kurang. Parameter ini dan variabel lain akan secara serius mempengaruhi pembuatan PCB yang dapat dipakai ini dengan kontrol impedansi yang sangat ketat, sehingga membatasi jumlah bisnis yang dapat memproduksinya.

Toleransi konstan dielektrik dari laminasi yang terbuat dari bahan Rogers UHF umumnya dipertahankan pada ± 2%, dan beberapa produk bahkan dapat mencapai ± 1%. Sebaliknya, toleransi konstan dielektrik dari laminasi FR4 setinggi 10%. Oleh karena itu, bandingkan kedua bahan ini dapat ditemukan bahwa kehilangan penyisipan Rogers sangat rendah. Dibandingkan dengan bahan FR4 tradisional, kehilangan transmisi dan kehilangan tumpukan Rogers setengah lebih rendah.

Dalam kebanyakan kasus, biaya adalah yang paling penting. Namun, Rogers dapat memberikan kinerja laminasi frekuensi tinggi yang relatif rendah pada titik harga yang dapat diterima. Untuk aplikasi komersial, Rogers dapat dibuat menjadi PCB hibrida dengan FR4 berbasis epoksi, beberapa lapisan yang menggunakan bahan Rogers, dan lapisan lain menggunakan FR4.

Saat memilih tumpukan Rogers, frekuensi adalah pertimbangan utama. Ketika frekuensi melebihi 500MHz, desainer PCB cenderung memilih bahan Rogers, terutama untuk sirkuit RF/microwave, karena bahan -bahan ini dapat memberikan kinerja yang lebih tinggi ketika jejak atas dikontrol secara ketat oleh impedansi.

Dibandingkan dengan bahan FR4, bahan Rogers juga dapat memberikan kehilangan dielektrik yang lebih rendah, dan konstanta dielektriknya stabil dalam rentang frekuensi yang luas. Selain itu, bahan Rogers dapat memberikan kinerja kerugian penyisipan rendah yang ideal yang diperlukan oleh operasi frekuensi tinggi.

Koefisien ekspansi termal (CTE) dari bahan seri Rogers 4000 memiliki stabilitas dimensi yang sangat baik. Ini berarti bahwa dibandingkan dengan FR4, ketika PCB mengalami siklus solder reflow yang dingin, panas dan sangat panas, ekspansi termal dan kontraksi papan sirkuit dapat dipertahankan pada batas yang stabil di bawah frekuensi yang lebih tinggi dan siklus suhu yang lebih tinggi.

Dalam hal penumpukan campuran, mudah untuk menggunakan teknologi proses manufaktur umum untuk mencampur Rogers dan FR4 berkinerja tinggi bersama-sama, sehingga relatif mudah untuk mencapai hasil manufaktur yang tinggi. Tumpukan Rogers tidak memerlukan proses persiapan khusus.

FR4 umum tidak dapat mencapai kinerja listrik yang sangat andal, tetapi bahan FR4 berkinerja tinggi memang memiliki karakteristik keandalan yang baik, seperti TG yang lebih tinggi, masih biaya yang relatif rendah, dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, dari desain audio sederhana hingga aplikasi gelombang mikro yang kompleks.

Pertimbangan Desain RF/Microwave

Teknologi portabel dan Bluetooth telah membuka jalan bagi aplikasi RF/microwave di perangkat yang dapat dipakai. Rentang frekuensi saat ini menjadi semakin dinamis. Beberapa tahun yang lalu, frekuensi sangat tinggi (VHF) didefinisikan sebagai 2GHz ~ 3GHz. Tapi sekarang kita dapat melihat aplikasi Ultra-High Frequency (UHF) mulai dari 10GHz hingga 25GHz.

Oleh karena itu, untuk PCB yang dapat dipakai, bagian RF membutuhkan lebih banyak perhatian pada masalah kabel, dan sinyal harus dipisahkan secara terpisah, dan jejak yang menghasilkan sinyal frekuensi tinggi harus dijauhkan dari tanah. Pertimbangan lain termasuk: Menyediakan filter bypass, kapasitor decoupling yang memadai, landasan, dan merancang saluran transmisi dan saluran pengembalian hampir sama.

Filter bypass dapat menekan efek riak dari konten noise dan crosstalk. Kapasitor decoupling perlu ditempatkan lebih dekat ke pin perangkat yang membawa sinyal daya.

Garis transmisi berkecepatan tinggi dan sirkuit sinyal membutuhkan lapisan tanah untuk ditempatkan di antara sinyal lapisan daya untuk menghaluskan jitter yang dihasilkan oleh sinyal kebisingan. Pada kecepatan sinyal yang lebih tinggi, ketidakcocokan impedansi kecil akan menyebabkan penularan dan penerimaan sinyal yang tidak seimbang, yang mengakibatkan distorsi. Oleh karena itu, perhatian khusus harus diberikan pada masalah pencocokan impedansi yang terkait dengan sinyal frekuensi radio, karena sinyal frekuensi radio memiliki kecepatan tinggi dan toleransi khusus.

Jalur transmisi RF membutuhkan impedansi terkontrol untuk mengirimkan sinyal RF dari substrat IC tertentu ke PCB. Garis transmisi ini dapat diimplementasikan pada lapisan luar, lapisan atas, dan lapisan bawah, atau dapat dirancang di lapisan tengah.

Metode yang digunakan selama tata letak desain RF PCB adalah garis microstrip, garis strip mengambang, coplanar waveguide atau grounding. Garis microstrip terdiri dari panjang tetap logam atau jejak dan seluruh bidang tanah atau bagian dari bidang tanah tepat di bawahnya. Impedansi karakteristik dalam struktur garis microstrip umum berkisar dari 50Ω hingga 75Ω.

Floating Stripline adalah metode lain untuk penindasan kabel dan kebisingan. Garis ini terdiri dari kabel lebar tetap pada lapisan dalam dan bidang tanah besar di atas dan di bawah konduktor tengah. Pesawat tanah diapit di antara bidang listrik, sehingga dapat memberikan efek grounding yang sangat efektif. Ini adalah metode yang disukai untuk kabel sinyal RF PCB yang dapat dipakai.

Waveguide Coplanar dapat memberikan isolasi yang lebih baik di dekat sirkuit RF dan sirkuit yang perlu dialihkan lebih dekat. Media ini terdiri dari kontraktor pusat dan bidang tanah di kedua sisi atau di bawahnya. Cara terbaik untuk mengirimkan sinyal frekuensi radio adalah dengan menangguhkan jalur strip atau pandu gelombang coplanar. Kedua metode ini dapat memberikan isolasi yang lebih baik antara jejak sinyal dan RF.

Dianjurkan untuk menggunakan apa yang disebut "melalui pagar" di kedua sisi Waveguide Coplanar. Metode ini dapat memberikan deretan vias tanah pada setiap bidang tanah logam dari konduktor tengah. Jejak utama yang berjalan di tengah memiliki pagar di setiap sisi, sehingga memberikan jalan pintas untuk arus pengembalian ke tanah di bawah. Metode ini dapat mengurangi tingkat kebisingan yang terkait dengan efek riak tinggi dari sinyal RF. Konstanta dielektrik 4,5 tetap sama dengan bahan FR4 dari prepreg, sedangkan konstanta dielektrik dari prepreg - dari microstrip, stripline atau stripline offset - sekitar 3,8 hingga 3,9.

Di beberapa perangkat yang menggunakan bidang tanah, vias buta dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja decoupling dari kapasitor daya dan menyediakan jalur shunt dari perangkat ke tanah. Jalur shunt ke tanah dapat memperpendek panjang via. Ini dapat mencapai dua tujuan: Anda tidak hanya membuat shunt atau ground, tetapi juga mengurangi jarak transmisi perangkat dengan area kecil, yang merupakan faktor desain RF yang penting.