A causa delle dimensioni e delle dimensioni ridotte, non esistono quasi standard di circuito stampato esistenti per il crescente mercato IoT indossabile. Prima che questi standard fossero usciti, abbiamo dovuto fare affidamento sulla conoscenza e l'esperienza di produzione apprese nello sviluppo a livello di consiglio e pensare a come applicarli a sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono la nostra particolare attenzione. Sono: materiali di superficie del circuito, RF/Microonde e linee di trasmissione RF.

Materiale PCB

Il "PCB" è generalmente costituito da laminati, che possono essere realizzati in epossidico a fibra rinforzata (FR4), materiali di poliimmide o Rogers o altri materiali laminati. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato pre -preg.

I dispositivi indossabili richiedono un'elevata affidabilità, quindi quando i progettisti di PCB devono affrontare la scelta di utilizzare FR4 (il materiale di produzione PCB più economico) o materiali più avanzati e più costosi, questo diventerà un problema.

Se le applicazioni PCB indossabili richiedono materiali ad alta velocità e ad alta frequenza, FR4 potrebbe non essere la scelta migliore. La costante dielettrica (DK) di FR4 è 4,5, la costante dielettrica del materiale più avanzato della serie Rogers 4003 è 3,55 e la costante dielettrica della serie fratello Rogers 4350 è 3,66.

“La costante dielettrica di un laminato si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia tra una coppia di conduttori vicino al laminato alla capacità o all'energia tra la coppia di conduttori nel vuoto. Ad alte frequenze, è meglio avere una piccola perdita.

In circostanze normali, il numero di strati PCB per dispositivi indossabili varia da 4 a 8 strati. Il principio della costruzione di strati è che se si tratta di un PCB a 8 strati, dovrebbe essere in grado di fornire sufficienti strati di terra e di potenza e sandwich lo strato di cablaggio. In questo modo, l'effetto a catena nel crosstalk può essere ridotto al minimo e l'interferenza elettromagnetica (EMI) può essere significativamente ridotta.

Nella fase di progettazione del layout del circuito, il piano di layout è generalmente quello di posizionare un grande strato di terra vicino allo strato di distribuzione dell'alimentazione. Ciò può formare un effetto a catena molto basso e il rumore del sistema può anche essere ridotto a quasi zero. Ciò è particolarmente importante per il sottosistema a radiofrequenza.

Rispetto al materiale Rogers, FR4 ha un fattore di dissipazione più elevato (DF), specialmente ad alta frequenza. Per prestazioni più elevate i laminati FR4, il valore DF è di circa 0,002, che è un ordine di grandezza migliore della normale FR4. Tuttavia, lo stack di Rogers è solo 0,001 o meno. Quando il materiale FR4 viene utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, ci sarà una differenza significativa nella perdita di inserimento. La perdita di inserzione è definita come la perdita di potenza del segnale dal punto A al punto B quando si utilizza FR4, Rogers o altri materiali.

creare problemi

Il PCB indossabile richiede un controllo di impedenza più rigoroso. Questo è un fattore importante per i dispositivi indossabili. La corrispondenza dell'impedenza può produrre trasmissione del segnale più pulito. In precedenza, la tolleranza standard per le tracce di trasporto del segnale era di ± 10%. Questo indicatore non è ovviamente abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità di oggi. L'attuale requisito è ± 7% e in alcuni casi anche ± 5% o meno. Questo parametro e altre variabili influenzeranno seriamente la produzione di questi PCB indossabili con un controllo di impedenza particolarmente rigoroso, limitando così il numero di aziende che possono fabbricarli.

La tolleranza costante dielettrica del laminato realizzato con materiali UHF Rogers è generalmente mantenuta a ± 2%e alcuni prodotti possono persino raggiungere ± 1%. Al contrario, la tolleranza costante dielettrica del laminato FR4 è fino al 10%. Pertanto, confrontare questi due materiali si può scoprire che la perdita di inserimento di Rogers è particolarmente bassa. Rispetto ai tradizionali materiali FR4, la perdita di trasmissione e la perdita di inserimento dello stack Rogers sono metà inferiori.

Nella maggior parte dei casi, il costo è il più importante. Tuttavia, Rogers può fornire prestazioni laminato ad alta frequenza relativamente bassa a un prezzo accettabile. Per applicazioni commerciali, Rogers può essere trasformato in un PCB ibrido con FR4 a base epossidica, alcuni strati di cui usano il materiale Rogers e altri strati utilizzano FR4.

Quando si sceglie uno stack Rogers, la frequenza è la considerazione principale. Quando la frequenza supera i 500 MHz, i progettisti di PCB tendono a scegliere i materiali Rogers, in particolare per i circuiti RF/microonde, poiché questi materiali possono fornire prestazioni più elevate quando le tracce superiori sono rigorosamente controllate dall'impedenza.

Rispetto al materiale FR4, il materiale Rogers può anche fornire una perdita dielettrica inferiore e la sua costante dielettrica è stabile in un ampio intervallo di frequenza. Inoltre, il materiale Rogers può fornire le prestazioni ideali di perdita di inserzione a bassa inserimento richieste dal funzionamento ad alta frequenza.

Il coefficiente di espansione termica (CTE) dei materiali della serie Rogers 4000 ha un'eccellente stabilità dimensionale. Ciò significa che rispetto a FR4, quando il PCB subisce cicli di saldatura a ripiegamento freddo, caldo e molto caldo, l'espansione termica e la contrazione del circuito possono essere mantenute a un limite stabile a una frequenza più elevata e cicli di temperatura più elevati.

Nel caso di impilamento misto, è facile utilizzare la tecnologia di processo di produzione comune per mescolare Rogers e FR4 ad alte prestazioni insieme, quindi è relativamente facile ottenere una resa di produzione elevata. Lo stack Rogers non richiede uno speciale processo di preparazione.

La FR4 comune non può ottenere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, come TG più elevato, ancora a basso costo e possono essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dalla semplice progettazione audio alle complesse applicazioni a microonde.

Considerazioni sulla progettazione RF/Microonde

La tecnologia portatile e Bluetooth hanno aperto la strada alle applicazioni RF/Microonde in dispositivi indossabili. La gamma di frequenza di oggi sta diventando sempre più dinamica. Alcuni anni fa, la frequenza molto alta (VHF) è stata definita come 2 GHz ~ 3GHz. Ma ora possiamo vedere applicazioni di frequenza ultra-alta (UHF) che vanno da 10 GHz a 25 GHz.

Pertanto, per il PCB indossabile, la parte RF richiede più attenzione ai problemi di cablaggio e i segnali dovrebbero essere separati separatamente e le tracce che generano segnali ad alta frequenza dovrebbero essere tenute lontano da terra. Altre considerazioni includono: fornire un filtro di bypass, adeguati condensatori di disaccoppiamento, messa a terra e progettazione della linea di trasmissione e della linea di ritorno per essere quasi uguali.

Il filtro di bypass può sopprimere l'effetto a catena del contenuto di rumore e del crosstalk. I condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati più vicini ai pin del dispositivo che trasportano segnali di alimentazione.

Le linee di trasmissione ad alta velocità e i circuiti del segnale richiedono che uno strato di terra sia posizionato tra i segnali del livello di potenza per levigare il jitter generato dai segnali di rumore. A velocità del segnale più elevate, le piccole disallineamenti dell'impedenza causeranno la trasmissione e la ricezione dei segnali sbilanciati, con conseguente distorsione. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione al problema di corrispondenza dell'impedenza relativa al segnale a radiofrequenza, poiché il segnale a radiofrequenza ha una velocità elevata e una tolleranza speciale.

Le linee di trasmissione RF richiedono l'impedenza controllata per trasmettere segnali RF da un substrato IC specifico al PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate sullo strato esterno, strato superiore e strato inferiore o possono essere progettate nel livello centrale.

I metodi utilizzati durante il layout di progettazione RF PCB sono la linea di microstrip, la linea di strisce galleggianti, la guida d'onda Coplanar o la messa a terra. La linea di microstrip è costituita da una lunghezza fissa di metallo o tracce e l'intero piano di terra o parte del piano di terra direttamente sotto di esso. L'impedenza caratteristica nella struttura della linea di microstrip generale varia da 50 Ω a 75Ω.

Floating Stripline è un altro metodo di cablaggio e soppressione del rumore. Questa linea è costituita da cablaggi a larghezza fissa sullo strato interno e un grande piano di terra sopra e sotto il conduttore centrale. Il piano di terra è inserito tra il piano di potenza, quindi può fornire un effetto di messa a terra molto efficace. Questo è il metodo preferito per il cablaggio del segnale RF PCB indossabile.

Coplanar Wave Guide può fornire un migliore isolamento vicino al circuito RF e al circuito che deve essere rotto più vicino. Questo mezzo è costituito da un conduttore centrale e piani di terra su entrambi i lati o sotto. Il modo migliore per trasmettere segnali a radiofrequenza è sospendere le linee d'onda di Coplanar. Questi due metodi possono fornire un migliore isolamento tra le tracce del segnale e RF.

Si consiglia di utilizzare il cosiddetto "Via recinzione" su entrambi i lati della guida d'onda Coplanar. Questo metodo può fornire una fila di VIA di terra su ciascun piano di terra in metallo del conduttore centrale. La traccia principale che corre nel mezzo ha recinzioni su ciascun lato, fornendo così un collegamento per la corrente di ritorno a terra sottostante. Questo metodo può ridurre il livello di rumore associato all'elevato effetto a catena del segnale RF. La costante dielettrica di 4,5 rimane uguale al materiale FR4 del pre -preg, mentre la costante dielettrica della pre -preg - dalla microstrip, a stripline o in offset stripline - è circa 3,8 a 3,9.

In alcuni dispositivi che utilizzano un piano di terra, le VIA cieche possono essere utilizzate per migliorare le prestazioni di disaccoppiamento del condensatore di potenza e fornire un percorso di shunt dal dispositivo a terra. Il percorso di shunt a terra può abbreviare la lunghezza del via. Ciò può raggiungere due scopi: non solo si crea uno shunt o un terreno, ma anche ridurre la distanza di trasmissione dei dispositivi con piccole aree, che è un importante fattore di progettazione RF.