მცირე ზომისა და ზომების გამო, თითქმის არ არსებობს არსებული დაბეჭდილი მიკროსქემის დაფის სტანდარტები მზარდი აცვიათ IoT ბაზრისთვის. სანამ ეს სტანდარტები გამოვიდნენ, ჩვენ უნდა დაეყრდნო ცოდნისა და წარმოების გამოცდილებას, რომელიც მიღებულია დაფის დონის განვითარებაში და ვიფიქროთ იმაზე, თუ როგორ უნდა გამოვიყენოთ ისინი უნიკალურ განვითარებად გამოწვევებზე. არსებობს სამი სფერო, რომლებიც ჩვენს განსაკუთრებულ ყურადღებას მოითხოვს. ისინი არიან: მიკროსქემის დაფის ზედაპირული მასალები, RF/მიკროტალღური დიზაინი და RF გადამცემი ხაზები.

PCB მასალა

”PCB” ზოგადად შედგება ლამინატებისგან, რომლებიც შეიძლება დამზადდეს ბოჭკოვანი გამაგრებული ეპოქსიდით (FR4), პოლიმიდის ან როჯერსის მასალებით ან სხვა ლამინატის მასალებით. საიზოლაციო მასალას სხვადასხვა ფენებს შორის ეწოდება პრეს.

აცვიათ მოწყობილობები მოითხოვს მაღალ საიმედოობას, ასე რომ, როდესაც PCB დიზაინერებს წინაშე დგას FR4 (ყველაზე ეფექტური PCB წარმოების მასალა) ან უფრო მოწინავე და უფრო ძვირადღირებული მასალების გამოყენების არჩევანი, ეს გახდება პრობლემა.

თუ აცვიათ PCB პროგრამები მოითხოვს მაღალსიჩქარიან, მაღალი სიხშირის მასალებს, FR4 შეიძლება არ იყოს საუკეთესო არჩევანი. FR4- ის დიელექტრიკული მუდმივი (DK) არის 4.5, უფრო მოწინავე როჯერსის 4003 სერიის მასალის დიელექტრიკული მუდმივი არის 3.55, ხოლო ძმის სერიის როჯერსი 4350 დიელექტრიკული მუდმივი არის 3.66.

”ლამინატის დიელექტრიკული მუდმივი ეხება ტევადობის ან ენერგიის თანაფარდობას, ლამინატთან ახლოს დირიჟორთან, ტევადობასთან ან ენერგიას შორის, ვაკუუმში დირიჟორებს შორის. მაღალი სიხშირით, უმჯობესია ჰქონდეს მცირე ზარალი. ამიტომ, როჯერ 4350, დიელექტრიული მუდმივად 3.66 -ით უფრო მაღალი სიხშირით, ვიდრე Fr4– ით.

ნორმალურ პირობებში, აცვიათ მოწყობილობებისთვის PCB ფენების რაოდენობა 4 -დან 8 ფენამდე მერყეობს. ფენის მშენებლობის პრინციპია ის, რომ თუ ეს არის 8 ფენის PCB, მას უნდა შეეძლოს საკმარისი მიწის და დენის ფენების უზრუნველყოფა და გაყვანილობის ფენა. ამ გზით, Crosstalk– ში მწუხარე ეფექტი შეიძლება ინახებოდეს მინიმუმამდე და ელექტრომაგნიტური ჩარევა (EMI) შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს.

მიკროსქემის განლაგების დიზაინის ეტაპზე, განლაგების გეგმა, ზოგადად, ელექტროენერგიის განაწილების ფენთან ახლოს მდებარე დიდი მიწის ფენის განთავსებაა. ამან შეიძლება შექმნას ძალიან დაბალი მწუხარე ეფექტი, ხოლო სისტემის ხმაური ასევე შეიძლება შემცირდეს თითქმის ნულამდე. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია რადიო სიხშირის ქვესისტემისთვის.

როჯერსის მასალასთან შედარებით, FR4- ს აქვს უფრო მაღალი დაშლის ფაქტორი (DF), განსაკუთრებით მაღალი სიხშირით. უფრო მაღალი შესრულებისთვის FR4 ლამინატებისთვის, DF მნიშვნელობა დაახლოებით 0.002, რაც სიდიდის ბრძანება უკეთესია, ვიდრე ჩვეულებრივი FR4. ამასთან, როჯერსის დასტის მხოლოდ 0.001 ან ნაკლებია. როდესაც FR4 მასალა გამოიყენება მაღალი სიხშირის პროგრამებისთვის, მნიშვნელოვანი განსხვავება იქნება ჩასმის დაკარგვაში. ჩასმის დაკარგვა განისაზღვრება, როგორც სიგნალის ენერგიის დაკარგვა A წერტილიდან B წერტილამდე, FR4, როჯერსის ან სხვა მასალების გამოყენებისას.

პრობლემების შექმნა

Wearable PCB მოითხოვს მკაცრი წინაღობის კონტროლს. ეს მნიშვნელოვანი ფაქტორია აცვიათ მოწყობილობებისთვის. წინაღობის შესატყვისი შეიძლება წარმოქმნას უფრო სუფთა სიგნალის გადაცემა. ადრე, სტანდარტული ტოლერანტობა სიგნალის ტარების კვალი იყო ± 10%. ეს მაჩვენებელი აშკარად არ არის საკმარისი დღევანდელი მაღალი სიხშირის და მაღალსიჩქარიანი სქემებისთვის. ამჟამინდელი მოთხოვნაა ± 7%, ზოგიერთ შემთხვევაში კი ± 5% ან ნაკლები. ეს პარამეტრი და სხვა ცვლადი სერიოზულად იმოქმედებს ამ აცვიათ PCB- ების წარმოებაზე განსაკუთრებით მკაცრი წინაღობის კონტროლით, რითაც შეზღუდავს იმ ბიზნესების რაოდენობას, რომელსაც შეუძლია მათი წარმოება.

როჯერსის UHF მასალებისგან დამზადებული ლამინატის დიელექტრიკული მუდმივი ტოლერანტობა ზოგადად შენარჩუნებულია ± 2%–ით, ზოგიერთ პროდუქტს კი შეუძლია მიაღწიოს ± 1%-ს. ამის საპირისპიროდ, FR4 ლამინატის დიელექტრიკული მუდმივი ტოლერანტობაა 10%. აქედან გამომდინარე, შეადარეთ ეს ორი მასალა, რომ როჯერსის ჩასმის დაკარგვა განსაკუთრებით დაბალია. ტრადიციულ FR4 მასალებთან შედარებით, როჯერსის დასტის გადაცემის დაკარგვა და ჩასმის დაკარგვა ნახევრად დაბალია.

უმეტეს შემთხვევაში, ღირებულება ყველაზე მნიშვნელოვანია. ამასთან, როჯერსს შეუძლია უზრუნველყოს შედარებით დაბალი დაკარგვის მაღალი სიხშირის ლამინატის შესრულება მისაღები ფასის წერტილში. კომერციული პროგრამებისთვის, როჯერსი შეიძლება გადაიყვანოს ჰიბრიდულ PCB- ში, ეპოქსიდური დაფუძნებული FR4, რომელთა ზოგიერთი ფენა იყენებს Rogers მასალას, ხოლო სხვა ფენებს იყენებენ FR4.

როჯერსის დასტის არჩევისას, სიხშირე პირველადი განხილვაა. როდესაც სიხშირე აღემატება 500MHz- ს, PCB დიზაინერები ტენდენციურად ირჩევენ Rogers მასალებს, განსაკუთრებით RF/მიკროტალღური სქემებისთვის, რადგან ამ მასალებს შეუძლიათ უფრო მაღალი შესრულება უზრუნველყონ, როდესაც ზედა კვალი მკაცრად კონტროლდება წინაღობით.

FR4 მასალასთან შედარებით, როჯერსის მასალას ასევე შეუძლია უზრუნველყოს დაბალი დიელექტრიკული დაკარგვა, ხოლო მისი დიელექტრიკული მუდმივი სტაბილურია ფართო სიხშირის დიაპაზონში. გარდა ამისა, როჯერსის მასალას შეუძლია უზრუნველყოს მაღალი სიხშირის ოპერაციით გათვალისწინებული იდეალური დაბალი ჩასმის დაკარგვის შესრულება.

Rogers 4000 სერიის მასალების თერმული გაფართოების (CTE) კოეფიციენტს აქვს შესანიშნავი განზომილებიანი სტაბილურობა. ეს ნიშნავს, რომ FR4– სთან შედარებით, როდესაც PCB გადის ცივ, ცხელ და ძალიან ცხელ რეფლექსურ ციკლებს, მიკროსქემის დაფის თერმული გაფართოება და შეკუმშვა შეიძლება შენარჩუნდეს სტაბილურ ზღვარზე უფრო მაღალი სიხშირით და უფრო მაღალი ტემპერატურის ციკლებით.

შერეული დასტის შემთხვევაში, ადვილია გამოიყენოთ საერთო წარმოების პროცესის ტექნოლოგია, რომ შეურიოთ როჯერსი და მაღალი ხარისხის FR4 ერთად, ამიტომ შედარებით ადვილია წარმოების მაღალი მოსავლიანობის მიღწევა. როჯერსის დასტის არ საჭიროებს სპეციალური მომზადების პროცესის საშუალებით.

საერთო FR4 ვერ მიაღწევს ძალიან საიმედო ელექტრულ შესრულებას, მაგრამ მაღალი ხარისხის FR4 მასალებს აქვთ კარგი საიმედოობის მახასიათებლები, მაგალითად, უფრო მაღალი TG, ჯერ კიდევ შედარებით დაბალი ღირებულება, და შეიძლება გამოყენებულ იქნას ფართო სპექტრის პროგრამებში, მარტივი აუდიო დიზაინიდან დაწყებული მიკროტალღური პროგრამების რთული პროგრამებით.

RF/მიკროტალღური დიზაინის მოსაზრებები

პორტატულმა ტექნოლოგიამ და Bluetooth- მა გზა გაუხსნეს RF/მიკროტალღური პროგრამების აცვიათ მოწყობილობებში. დღევანდელი სიხშირის დიაპაზონი უფრო და უფრო დინამიური ხდება. რამდენიმე წლის წინ, ძალიან მაღალი სიხშირე (VHF) განისაზღვრა, როგორც 2GHz ~ 3GHz. ახლა კი ჩვენ შეგვიძლია ვნახოთ ულტრა მაღალი სიხშირის (UHF) პროგრამები, რომლებიც 10GHz- დან 25GHz- მდეა.

ამრიგად, აცვიათ PCB- სთვის, RF ნაწილი მოითხოვს უფრო მეტ ყურადღებას გაყვანილობის საკითხებზე, ხოლო სიგნალები ცალკე უნდა იყოს განცალკევებული, ხოლო კვალი, რომლებიც წარმოქმნიან მაღალი სიხშირის სიგნალებს, უნდა იყოს დაცული მიწიდან. სხვა მოსაზრებებში შედის: შემოვლითი ფილტრის მიწოდება, ადეკვატური განლაგების კონდენსატორების უზრუნველყოფა, გადამცემი ხაზის და დაბრუნების ხაზის დაპროექტება თითქმის თანაბარი.

შემოვლითი ფილტრის საშუალებით შეუძლია ჩახშოს ხმაურის შემცველობით და ჯვარედინი. კონდენსატორების განლაგება უნდა მიუახლოვდეს მოწყობილობის ქინძისთავებს, რომლებიც ახდენენ ენერგიის სიგნალებს.

მაღალსიჩქარიანი გადამცემი ხაზები და სიგნალის სქემები მოითხოვს მიწის ფენის განთავსებას დენის ფენის სიგნალებს შორის, რათა მოხდეს ხმაურის სიგნალებით წარმოქმნილი ჯიტერი. სიგნალის უფრო მაღალი სიჩქარით, მცირე წინაღობის შეუსაბამობა გამოიწვევს გაუწონასწორებელ გადაცემას და სიგნალების მიღებას, რის შედეგადაც დამახინჯება ხდება. ამრიგად, განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს რადიო სიხშირის სიგნალთან დაკავშირებულ წინაღობის შესაბამის პრობლემას, რადგან რადიო სიხშირის სიგნალს აქვს მაღალი სიჩქარე და სპეციალური ტოლერანტობა.

RF გადამცემი ხაზები მოითხოვს კონტროლირებად წინაღობას, რათა გადაიტანონ RF სიგნალები სპეციფიკური IC სუბსტრატიდან PCB- ში. ეს გადამცემი ხაზები შეიძლება განხორციელდეს გარე ფენაზე, ზედა ფენაზე და ქვედა ფენაზე, ან შეიძლება შეიქმნას შუა ფენაში.

PCB RF დიზაინის განლაგების დროს გამოყენებული მეთოდები არის მიკროტროსპრიპის ხაზი, მცურავი ზოლების ხაზი, კოპლანარული ტალღოვანი ან დასაბუთება. MicroStrip ხაზი შედგება ლითონის ან კვალი ფიქსირებული სიგრძისა და მთლიანი მიწის თვითმფრინავის ან მიწის თვითმფრინავის ნაწილისგან პირდაპირ მის ქვემოთ. ზოგადი მიკროტრიპის ხაზის სტრუქტურაში დამახასიათებელი წინაღობა მერყეობს 50Ω- დან 75Ω- მდე.

მცურავი ზოლები არის გაყვანილობისა და ხმაურის ჩახშობის კიდევ ერთი მეთოდი. ეს ხაზი შედგება ფიქსირებული სიგანის გაყვანილობისგან შიდა ფენაზე და ცენტრის დირიჟორის ზემოთ და ქვემოთ მდებარე დიდი მიწის თვითმფრინავი. მიწის თვითმფრინავი დენის თვითმფრინავს შორის სენდვიჩია, ასე რომ, მას შეუძლია უზრუნველყოს ძალიან ეფექტური დასაბუთებული ეფექტი. ეს არის სასურველი მეთოდი აცვიათ PCB RF სიგნალის გაყვანილობისთვის.

Coplanar Waveguide- ს შეუძლია უკეთესი იზოლაცია უზრუნველყოს RF წრეზე და წრეზე, რომელიც უფრო ახლოს უნდა იყოს. ეს საშუალო შედგება ცენტრალური დირიჟორისა და მიწისქვეშა თვითმფრინავებისგან ორივე მხრიდან ან ქვემოთ. რადიო სიხშირის სიგნალების გადაცემის საუკეთესო გზაა ზოლების ხაზების ან კოპლანარული ტალღების შეჩერება. ამ ორ მეთოდს შეუძლია უკეთესი იზოლაცია უზრუნველყოს სიგნალსა და RF- ს კვალი.

მიზანშეწონილია გამოიყენოთ ეგრეთ წოდებული "მეშვეობით ღობე" კოპლანარული ტალღის ორივე მხრიდან. ამ მეთოდს შეუძლია მიაწოდოს მიწის ნაკვეთის რიგის რიგები ცენტრის დირიჟორის თითოეულ ლითონის გრუნტზე. შუაში გაშვებული მთავარი კვალი აქვს ღობეებს თითოეულ მხარეს, რითაც უზრუნველყოფს მალსახმობას ქვემოთ დაბრუნების დენის ქვემოთ. ამ მეთოდს შეუძლია შეამციროს ხმაურის დონე, რომელიც დაკავშირებულია RF სიგნალის მაღალ მწუხარე ეფექტთან. დიელექტრიკული მუდმივი 4.5 რჩება იგივე, რაც პრეპრეგის FR4 მასალა, ხოლო პრეპრეგის დიელექტრიკული მუდმივი - მიკროტრიპიდან, ზოლიდან ან ოფსეტური ზოლიდან - დაახლოებით 3.8 - დან 3.9 - მდეა.

ზოგიერთ მოწყობილობაში, რომლებიც იყენებენ გრუნტის თვითმფრინავს, ბრმა VIA შეიძლება გამოყენებულ იქნას დენის კონდენსატორის განადგურების შესრულების გასაუმჯობესებლად და მოწყობილობიდან მიწაზე მყოფი ბილიკის უზრუნველსაყოფად. მიწის ნაკვეთისკენ მიმავალ გზას შეუძლია შეამციროს VIO სიგრძე. ამან შეიძლება მიაღწიოს ორ მიზანს: თქვენ არა მხოლოდ შექმნით შუნტს ან მიწას, არამედ შეამცირებთ მოწყობილობების გადაცემის მანძილს მცირე ტერიტორიებით, რაც მნიშვნელოვანი RF დიზაინის ფაქტორია.