A causa delle dimensioni ridotte, non esistono quasi standard di circuiti stampati per il crescente mercato dell’IoT indossabile. Prima che questi standard venissero emanati, dovevamo fare affidamento sulla conoscenza e sull'esperienza di produzione apprese nello sviluppo a livello di consiglio di amministrazione e pensare a come applicarli alle sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono la nostra particolare attenzione. Essi sono: materiali della superficie del circuito, progettazione RF/microonde e linee di trasmissione RF.

Materiale PCB

Il "PCB" è generalmente costituito da laminati, che possono essere realizzati in resina epossidica rinforzata con fibre (FR4), poliimmide o materiali Rogers o altri materiali laminati. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato preimpregnato.

i dispositivi indossabili richiedono un'elevata affidabilità, quindi quando i progettisti di PCB si trovano di fronte alla scelta di utilizzare FR4 (il materiale per la produzione di PCB più conveniente) 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 energia tra una coppia di conduttori vicino al laminato e la capacità o energia tra la coppia di conduttori nel vuoto. Alle alte frequenze è meglio avere una piccola perdita. Pertanto, Roger 4350 con una costante dielettrica di 3,66 è più adatto per applicazioni a frequenza più elevata rispetto a FR4 con una costante dielettrica di 4,5.

In circostanze normali, il numero di strati PCB per i dispositivi indossabili varia da 4 a 8 strati. Il principio della costruzione a strati è che se si tratta di un PCB a 8 strati, dovrebbe essere in grado di fornire sufficienti strati di terra e di alimentazione e inserire lo strato di cablaggio. In questo modo, l'effetto a catena nella diafonia può essere ridotto al minimo e le interferenze elettromagnetiche (EMI) possono essere notevolmente ridotte.

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

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

creare problemi

Il PCB indossabile richiede un controllo dell'impedenza più rigoroso. Questo è un fattore importante per i dispositivi indossabili. L'adattamento dell'impedenza può produrre una trasmissione del segnale più pulita. In precedenza, la tolleranza standard per le tracce che trasportavano il segnale era ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità di oggi. Il requisito attuale 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 produrli.

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

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

Quando si sceglie uno stack Rogers, la considerazione principale è la frequenza. Quando la frequenza supera i 500 MHz, i progettisti di PCB tendono a scegliere i materiali Rogers, soprattutto per i circuiti RF/microonde, perché questi materiali possono fornire prestazioni più elevate quando le tracce superiori sono strettamente 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 frequenze. Inoltre, il materiale Rogers può fornire le prestazioni ideali di bassa perdita di inserzione 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 all'FR4, quando il PCB viene sottoposto a cicli di saldatura a rifusione a freddo, caldo e molto caldo, l'espansione e la contrazione termica del circuito stampato possono essere mantenute a un limite stabile con cicli a frequenza e temperatura più elevate.

Nel caso dell'impilamento misto, è facile utilizzare la tecnologia del processo di produzione comune per mescolare insieme Rogers e FR4 ad alte prestazioni, quindi è relativamente facile ottenere un rendimento di produzione elevato. Lo stack Rogers non richiede un processo di preparazione speciale.

Il comune FR4 non può raggiungere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, come una Tg più elevata, hanno un costo ancora relativamente basso e possono essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, dalla semplice progettazione audio alle complesse applicazioni a microonde .

Considerazioni sulla progettazione RF/microonde

La tecnologia portatile e il Bluetooth hanno aperto la strada alle applicazioni RF/microonde nei dispositivi indossabili. La gamma di frequenza odierna sta diventando sempre più dinamica. Alcuni anni fa, la frequenza molto alta (VHF) era definita come 2GHz~3GHz. Ma ora possiamo vedere applicazioni ad altissima frequenza (UHF) che vanno da 10GHz a 25GHz.

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

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

Le linee di trasmissione ad alta velocità e i circuiti di segnale richiedono uno strato di terra da posizionare tra i segnali dello strato di potenza per attenuare il jitter generato dai segnali di rumore. A velocità del segnale più elevate, piccoli disadattamenti di impedenza causeranno una trasmissione e una ricezione sbilanciata dei segnali, con conseguente distorsione. Pertanto, è necessario prestare particolare attenzione al problema dell'adattamento dell'impedenza relativo al segnale a radiofrequenza, poiché il segnale a radiofrequenza ha un'elevata velocità e una tolleranza speciale.

Le linee di trasmissione RF richiedono un'impedenza controllata per trasmettere segnali RF da uno specifico substrato IC al PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate sullo strato esterno, sullo strato superiore e sullo strato inferiore oppure possono essere progettate nello strato intermedio.

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

La stripline mobile è un altro metodo di cablaggio e soppressione del rumore. Questa linea è costituita da un cablaggio a larghezza fissa sullo strato interno e da un ampio piano di terra sopra e sotto il conduttore centrale. Il piano di massa 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 su PCB indossabile.

La guida d'onda complanare può fornire un migliore isolamento vicino al circuito RF e al circuito che deve essere instradato più vicino. Questo mezzo è costituito da un conduttore centrale e piani di terra su entrambi i lati o al di sotto. Il modo migliore per trasmettere segnali in radiofrequenza è sospendere strip line o guide d'onda complanari. Questi due metodi possono fornire un migliore isolamento tra il segnale e le tracce RF.

Si consiglia di utilizzare la cosiddetta “guida via” su entrambi i lati della guida d'onda complanare. Questo metodo può fornire una fila di vie di terra su ciascun piano di terra metallico del conduttore centrale. Il tracciato principale che corre al centro è dotato di recinzioni su ciascun lato, fornendo così una scorciatoia per la corrente di ritorno al terreno 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 la stessa del materiale FR4 del prepreg, mentre la costante dielettrica del prepreg, da microstrip, stripline o stripline offset, è compresa tra circa 3,8 e 3,9.

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