Karena ukuran dan ukurannya yang kecil, hampir tidak ada standar papan sirkuit cetak untuk pasar IoT yang dapat dikenakan yang sedang berkembang. Sebelum standar ini dikeluarkan, kami harus mengandalkan pengetahuan dan pengalaman manufaktur yang dipelajari dalam pengembangan di tingkat dewan dan memikirkan cara menerapkannya pada tantangan unik yang muncul. Ada tiga bidang yang memerlukan perhatian khusus kita. Yaitu: bahan permukaan papan sirkuit, desain RF/microwave, dan jalur transmisi RF.

bahan PCB

“PCB” umumnya terdiri dari laminasi, yang dapat dibuat dari bahan epoksi yang diperkuat serat (FR4), polimida atau bahan Rogers atau bahan laminasi lainnya. Bahan isolasi antara lapisan yang berbeda disebut prepreg.

perangkat wearable memerlukan keandalan yang tinggi, sehingga ketika perancang PCB dihadapkan pada pilihan untuk menggunakan FR4 (bahan pembuat PCB yang paling hemat biaya) atau bahan yang lebih canggih dan mahal, hal ini akan menjadi masalah.

Jika aplikasi PCB yang dapat dipakai memerlukan material berkecepatan tinggi dan berfrekuensi tinggi, FR4 mungkin bukan pilihan terbaik. Konstanta dielektrik (Dk) FR4 adalah 4,5, konstanta dielektrik material seri Rogers 4003 yang lebih maju adalah 3,55, dan konstanta dielektrik seri saudara Rogers 4350 adalah 3,66.

“Konstanta dielektrik laminasi mengacu pada rasio kapasitansi atau energi antara sepasang konduktor di dekat laminasi dengan kapasitansi atau energi antara pasangan konduktor dalam ruang hampa. Pada frekuensi tinggi, yang terbaik adalah memiliki kerugian yang kecil. Oleh karena itu, Roger 4350 dengan konstanta dielektrik 3,66 lebih cocok untuk aplikasi frekuensi lebih tinggi dibandingkan FR4 dengan konstanta dielektrik 4,5.

Dalam keadaan normal, jumlah lapisan PCB untuk perangkat wearable berkisar antara 4 hingga 8 lapisan. Prinsip konstruksi lapisan adalah jika itu adalah PCB 8 lapis, ia harus mampu menyediakan lapisan ground dan daya yang cukup serta mengapit lapisan kabel. Dengan cara ini, efek riak dalam crosstalk dapat diminimalkan dan interferensi elektromagnetik (EMI) dapat dikurangi secara signifikan.

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

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

menciptakan masalah

PCB yang dapat dipakai memerlukan kontrol impedansi yang lebih ketat. Ini merupakan faktor penting untuk perangkat wearable. 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 kecepatan tinggi saat ini. Persyaratan saat ini adalah ±7%, dan dalam beberapa kasus bahkan ±5% atau kurang. Parameter ini dan variabel lainnya akan sangat mempengaruhi pembuatan PCB yang dapat dipakai ini dengan kontrol impedansi yang sangat ketat, sehingga membatasi jumlah bisnis yang dapat memproduksinya.

Toleransi konstanta dielektrik laminasi yang terbuat dari bahan Rogers UHF umumnya dipertahankan pada ±2%, dan beberapa produk bahkan dapat mencapai ±1%. Sebaliknya, toleransi konstanta dielektrik laminasi FR4 mencapai 10%. Oleh karena itu, jika kita membandingkan kedua bahan ini, kita dapat menemukan bahwa kerugian penyisipan Rogers sangat rendah. Dibandingkan dengan material FR4 tradisional, kehilangan transmisi dan kehilangan penyisipan tumpukan Rogers setengahnya lebih rendah.

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

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

Dibandingkan dengan material FR4, material Rogers juga dapat memberikan kehilangan dielektrik yang lebih rendah, dan konstanta dielektriknya stabil dalam rentang frekuensi yang luas. Selain itu, material Rogers dapat memberikan kinerja insertion loss rendah yang ideal yang dibutuhkan oleh operasi frekuensi tinggi.

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

Dalam kasus penumpukan campuran, teknologi proses manufaktur umum dapat dengan mudah digunakan untuk mencampurkan Rogers dan FR4 berperforma tinggi, sehingga relatif mudah untuk mencapai hasil produksi yang tinggi. Tumpukan Rogers tidak memerlukan proses persiapan khusus.

FR4 biasa tidak dapat mencapai performa kelistrikan yang sangat andal, namun material FR4 berperforma tinggi memiliki karakteristik keandalan yang baik, seperti Tg yang lebih tinggi, biayanya masih relatif rendah, dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai 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 pada perangkat yang dapat dikenakan. Rentang frekuensi saat ini menjadi semakin dinamis. Beberapa tahun yang lalu, frekuensi sangat tinggi (VHF) didefinisikan sebagai 2GHz~3GHz. Namun kini kita bisa melihat aplikasi frekuensi ultra-tinggi (UHF) mulai dari 10GHz hingga 25GHz.

Oleh karena itu, untuk PCB yang dapat dipakai, bagian RF memerlukan lebih banyak perhatian pada masalah perkabelan, 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, grounding, dan merancang saluran transmisi dan saluran balik agar hampir sama.

Filter bypass dapat menekan efek riak konten kebisingan dan crosstalk. Kapasitor pelepasan harus ditempatkan lebih dekat ke pin perangkat yang membawa sinyal daya.

Saluran transmisi berkecepatan tinggi dan sirkuit sinyal memerlukan lapisan tanah untuk ditempatkan di antara sinyal lapisan daya untuk memperlancar jitter yang dihasilkan oleh sinyal kebisingan. Pada kecepatan sinyal yang lebih tinggi, ketidaksesuaian impedansi yang kecil akan menyebabkan transmisi dan penerimaan sinyal yang tidak seimbang, sehingga mengakibatkan distorsi. Oleh karena itu perhatian khusus harus diberikan pada masalah pencocokan impedansi yang berkaitan dengan sinyal frekuensi radio, karena sinyal frekuensi radio mempunyai kecepatan yang tinggi dan toleransi yang khusus.

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

Metode yang digunakan selama tata letak desain PCB RF adalah garis mikrostrip, garis strip mengambang, pandu gelombang coplanar atau grounding. Garis mikrostrip terdiri dari logam atau jejak yang panjangnya tetap dan seluruh bidang tanah atau bagian dari bidang tanah tepat di bawahnya. Impedansi karakteristik pada struktur saluran mikrostrip umum berkisar antara 50Ω hingga 75Ω.

Stripline mengambang adalah metode lain untuk perkabelan dan peredam kebisingan. Garis ini terdiri dari kabel dengan lebar tetap pada lapisan dalam dan bidang tanah besar di atas dan di bawah konduktor tengah. Ground plane diapit di antara power plane, sehingga dapat memberikan efek grounding yang sangat efektif. Ini adalah metode yang disukai untuk pengkabelan sinyal RF PCB yang dapat dipakai.

Pandu gelombang koplanar dapat memberikan isolasi yang lebih baik di dekat sirkuit RF dan sirkuit yang perlu dirutekan lebih dekat. Media ini terdiri dari konduktor pusat dan bidang tanah di kedua sisi atau bawahnya. Cara terbaik untuk mengirimkan sinyal frekuensi radio adalah dengan menangguhkan garis strip atau pandu gelombang koplanar. Kedua metode ini dapat memberikan isolasi yang lebih baik antara sinyal dan jejak RF.

Disarankan untuk menggunakan apa yang disebut “melalui pagar” di kedua sisi pandu gelombang koplanar. Metode ini dapat menyediakan deretan ground vias pada setiap bidang ground logam dari konduktor tengah. Jalur utama yang berjalan di tengah memiliki pagar di setiap sisinya, sehingga menjadi jalan pintas bagi arus balik ke tanah di bawahnya. Metode ini dapat mengurangi tingkat kebisingan yang terkait dengan efek riak tinggi dari sinyal RF. Konstanta dielektrik sebesar 4,5 tetap sama dengan bahan FR4 pada prepreg, sedangkan konstanta dielektrik prepreg—dari mikrostrip, stripline, atau offset stripline—adalah sekitar 3,8 hingga 3,9.

Pada beberapa perangkat yang menggunakan ground plane, blind vias dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja pelepasan kapasitor daya dan menyediakan jalur shunt dari perangkat ke ground. Jalur shunt ke tanah dapat memperpendek panjang via. Hal 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.