მცირე ზომისა და ზომის გამო, თითქმის არ არსებობს ბეჭდური მიკროსქემის დაფის სტანდარტები მზარდი აცვიათ IoT ბაზრისთვის. სანამ ეს სტანდარტები გამოვიდოდა, ჩვენ უნდა დავეყრდნოთ ცოდნასა და წარმოების გამოცდილებას, რომელიც ვისწავლეთ საბჭოს დონეზე განვითარების პროცესში და გვეფიქრა, როგორ გამოგვეყენებინა ისინი უნიკალური წარმოშობის გამოწვევებისთვის. არის სამი სფერო, რომელიც ჩვენს განსაკუთრებულ ყურადღებას მოითხოვს. ესენია: მიკროსქემის ზედაპირის მასალები, RF/მიკროტალღური დიზაინი და RF გადამცემი ხაზები.
PCB მასალა
"PCB" ძირითადად შედგება ლამინატებისგან, რომლებიც შეიძლება დამზადდეს ბოჭკოვანი გამაგრებული ეპოქსიდისგან (FR4), პოლიიმიდის ან როჯერსის მასალებისგან ან სხვა ლამინირებული მასალებისგან. საიზოლაციო მასალას სხვადასხვა ფენებს შორის ეწოდება პრეპრეგ.
ტარებადი მოწყობილობები მოითხოვს მაღალ საიმედოობას, ასე რომ, როდესაც PCB დიზაინერებს აწყდებიან FR4 (ყველაზე ეკონომიური PCB წარმოების მასალა) ან უფრო მოწინავე და ძვირადღირებული მასალების გამოყენება, ეს გახდება პრობლემა.
თუ ტარებადი PCB აპლიკაციები მოითხოვს მაღალსიჩქარიან, მაღალი სიხშირის მასალებს, FR4 შეიძლება არ იყოს საუკეთესო არჩევანი. FR4-ის დიელექტრიკული მუდმივა (Dk) არის 4,5, უფრო მოწინავე Rogers 4003 სერიის მასალის დიელექტრიკული მუდმივა არის 3,55, ხოლო ძმური სერიის Rogers 4350 დიელექტრიკული მუდმივა არის 3,66.
”ლამინატის დიელექტრიკული მუდმივი ეხება ტევადობის ან ენერგიის თანაფარდობას ლამინატთან მახლობლად მდებარე გამტარების წყვილს შორის ტევადობას ან ენერგიას დირიჟორების წყვილს შორის ვაკუუმში. მაღალ სიხშირეებზე უმჯობესია მცირე დანაკარგი გქონდეთ. ამიტომ, Roger 4350 დიელექტრიკული მუდმივით 3.66 უფრო შესაფერისია უფრო მაღალი სიხშირის გამოყენებისთვის, ვიდრე FR4 დიელექტრიკული მუდმივით 4.5.
ნორმალურ პირობებში, PCB ფენების რაოდენობა ტარებადი მოწყობილობებისთვის მერყეობს 4-დან 8 ფენამდე. ფენის აგების პრინციპი არის ის, რომ თუ ეს არის 8 ფენიანი PCB, მას უნდა შეეძლოს უზრუნველყოს საკმარისი გრუნტის და დენის ფენები და გაყვანილობის ფენა. ამგვარად, ტალღოვანი ეფექტი კროსტალკში შეიძლება დარჩეს მინიმუმამდე და ელექტრომაგნიტური ჩარევა (EMI) შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს.
მიკროსქემის დაფის განლაგების დიზაინის ეტაპზე, განლაგების გეგმა ზოგადად არის დიდი მიწის ფენის განთავსება ელექტროენერგიის განაწილების ფენასთან ახლოს. ამან შეიძლება შექმნას ძალიან დაბალი ტალღოვანი ეფექტი და სისტემის ხმაური ასევე შეიძლება შემცირდეს თითქმის ნულამდე. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია რადიოსიხშირული ქვესისტემისთვის.
როჯერსის მასალასთან შედარებით, FR4-ს აქვს უფრო მაღალი გაფრქვევის ფაქტორი (Df), განსაკუთრებით მაღალი სიხშირით. უფრო მაღალი ხარისხის FR4 ლამინატებისთვის, Df მნიშვნელობა არის დაახლოებით 0,002, რაც სიდიდის რიგით უკეთესია ვიდრე ჩვეულებრივი FR4. თუმცა, როჯერსის სტეკი არის მხოლოდ 0.001 ან ნაკლები. როდესაც FR4 მასალა გამოიყენება მაღალი სიხშირის გამოყენებისთვის, მნიშვნელოვანი განსხვავება იქნება ჩასმის დანაკარგში. ჩასმის დაკარგვა განისაზღვრება, როგორც სიგნალის სიმძლავრის დაკარგვა A წერტილიდან B წერტილამდე FR4, Rogers ან სხვა მასალების გამოყენებისას.
პრობლემების შექმნა
ტარებადი PCB მოითხოვს წინაღობის უფრო მკაცრ კონტროლს. ეს მნიშვნელოვანი ფაქტორია ტარებადი მოწყობილობებისთვის. წინაღობის შესაბამისობამ შეიძლება გამოიწვიოს უფრო სუფთა სიგნალის გადაცემა. ადრე, სიგნალის ტარების კვალის სტანდარტული ტოლერანტობა იყო ±10%. ეს მაჩვენებელი აშკარად არ არის საკმარისად კარგი დღევანდელი მაღალი სიხშირის და მაღალსიჩქარიანი სქემებისთვის. ამჟამინდელი მოთხოვნაა ±7%, და ზოგიერთ შემთხვევაში ±5% ან ნაკლები. ეს პარამეტრი და სხვა ცვლადები სერიოზულად იმოქმედებს ამ ტარებადი PCB-ების წარმოებაზე განსაკუთრებით მკაცრი წინაღობის კონტროლით, რითაც ზღუდავს იმ ბიზნესების რაოდენობას, რომლებსაც შეუძლიათ მათი წარმოება.
Rogers UHF მასალებისგან დამზადებული ლამინატის დიელექტრიკული მუდმივი ტოლერანტობა, როგორც წესი, შენარჩუნებულია ±2%-ზე და ზოგიერთ პროდუქტს შეუძლია მიაღწიოს ±1%-ს. ამის საპირისპიროდ, FR4 ლამინატის დიელექტრიკული მუდმივი ტოლერანტობა 10%-მდეა. ამიტომ, შეადარეთ ეს ორი მასალა, შეიძლება აღმოჩნდეს, რომ როჯერსის შეყვანის დანაკარგი განსაკუთრებით დაბალია. ტრადიციულ FR4 მასალებთან შედარებით, როჯერსის დასტაში გადაცემის დანაკარგი და ჩასმის დანაკარგი ნახევრად დაბალია.
უმეტეს შემთხვევაში, ღირებულება ყველაზე მნიშვნელოვანია. თუმცა, როჯერსს შეუძლია უზრუნველყოს შედარებით დაბალი დანაკარგის მაღალი სიხშირის ლამინატის შესრულება მისაღები ფასით. კომერციული გამოყენებისთვის, როჯერსი შეიძლება გადაკეთდეს ჰიბრიდულ PCB-ად ეპოქსიდზე დაფუძნებული FR4-ით, რომლის ზოგიერთი ფენა იყენებს Rogers მასალას, ხოლო სხვა ფენებს იყენებს FR4-ს.
როჯერსის სტეკის არჩევისას, სიხშირე უმთავრესია. როდესაც სიხშირე აღემატება 500 MHz-ს, PCB დიზაინერები ირჩევენ Rogers-ის მასალებს, განსაკუთრებით RF/მიკროტალღური სქემებისთვის, რადგან ამ მასალებს შეუძლიათ უზრუნველყონ უფრო მაღალი შესრულება, როდესაც ზედა კვალი მკაცრად კონტროლდება წინაღობის მიერ.
FR4 მასალასთან შედარებით, როჯერსის მასალას ასევე შეუძლია უზრუნველყოს დიელექტრიკული დანაკარგების დაბალი დონე და მისი დიელექტრიკული მუდმივი სტაბილურია სიხშირის ფართო დიაპაზონში. გარდა ამისა, როჯერსის მასალას შეუძლია უზრუნველყოს იდეალური დაბალი ჩასმის დაკარგვის შესრულება, რომელიც საჭიროა მაღალი სიხშირის მუშაობისთვის.
Rogers 4000 სერიის მასალების თერმული გაფართოების კოეფიციენტს (CTE) აქვს შესანიშნავი განზომილებიანი სტაბილურობა. ეს ნიშნავს, რომ FR4-თან შედარებით, როდესაც PCB გადის ცივ, ცხელ და ძალიან ცხელ შედუღების ციკლებს, მიკროსქემის დაფის თერმული გაფართოება და შეკუმშვა შეიძლება შენარჩუნდეს სტაბილურ ზღვარზე უფრო მაღალი სიხშირის და მაღალი ტემპერატურის ციკლებში.
შერეული დაწყობის შემთხვევაში, ადვილია საერთო წარმოების პროცესის ტექნოლოგიის გამოყენება Rogers-ისა და მაღალი ხარისხის FR4-ის შერევისთვის, ამიტომ შედარებით ადვილია მაღალი წარმოების მოსავლიანობის მიღწევა. როჯერსის დასტა არ საჭიროებს სპეციალურ მომზადების პროცესს.
ჩვეულებრივი FR4 ვერ მიაღწევს ძალიან საიმედო ელექტრო შესრულებას, მაგრამ მაღალი ხარისხის FR4 მასალებს აქვთ კარგი საიმედოობის მახასიათებლები, როგორიცაა მაღალი Tg, ჯერ კიდევ შედარებით დაბალი ღირებულება და შეიძლება გამოყენებულ იქნას აპლიკაციების ფართო სპექტრში, მარტივი აუდიო დიზაინიდან დაწყებული მიკროტალღური აპლიკაციებით დამთავრებული. .
RF / მიკროტალღური დიზაინის მოსაზრებები
პორტატულმა ტექნოლოგიამ და Bluetooth-მა გზა გაუხსნა RF/მიკროტალღური აპლიკაციებისთვის ტარებად მოწყობილობებში. დღევანდელი სიხშირის დიაპაზონი სულ უფრო და უფრო დინამიური ხდება. რამდენიმე წლის წინ, ძალიან მაღალი სიხშირე (VHF) განისაზღვრა, როგორც 2GHz~3GHz. მაგრამ ახლა ჩვენ შეგვიძლია ვიხილოთ ულტრა მაღალი სიხშირის (UHF) აპლიკაციები 10 GHz-დან 25 GHz-მდე.
ამიტომ, აცვიათ PCB-სთვის, RF ნაწილი მოითხოვს უფრო მეტ ყურადღებას გაყვანილობის საკითხებზე და სიგნალები ცალკე უნდა იყოს გამოყოფილი, ხოლო მაღალი სიხშირის სიგნალების წარმოქმნის კვალი უნდა იყოს დაცული მიწიდან მოშორებით. სხვა მოსაზრებები მოიცავს: შემოვლითი ფილტრის უზრუნველყოფას, ადეკვატური გამორთვის კონდენსატორების, დამიწების და გადამცემი ხაზის და დაბრუნების ხაზის თითქმის თანაბარი დიზაინის შექმნას.
შემოვლითი ფილტრი შეუძლია დათრგუნოს ხმაურის შინაარსისა და ჯვრისწერის ტალღოვანი ეფექტი. გამყოფი კონდენსატორები უნდა განთავსდეს დენის სიგნალების მატარებელი მოწყობილობის ქინძისთავებთან უფრო ახლოს.
მაღალსიჩქარიანი გადამცემი ხაზები და სიგნალის სქემები საჭიროებენ მიწის ფენის განთავსებას დენის ფენის სიგნალებს შორის, რათა გაასწორონ ხმაურის სიგნალების მიერ წარმოქმნილი ჟიტერი. სიგნალის უფრო მაღალი სიჩქარით, მცირე წინაღობის შეუსაბამობა გამოიწვევს სიგნალების გაუწონასწორებელ გადაცემას და მიღებას, რაც გამოიწვევს დამახინჯებას. ამიტომ განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს რადიოსიხშირულ სიგნალთან დაკავშირებულ წინაღობის შესატყვის პრობლემას, რადგან რადიოსიხშირულ სიგნალს აქვს მაღალი სიჩქარე და განსაკუთრებული ტოლერანტობა.
RF გადამცემი ხაზები მოითხოვს კონტროლირებად წინაღობას, რათა გადასცეს RF სიგნალები კონკრეტული IC სუბსტრატიდან PCB-ზე. ეს გადამცემი ხაზები შეიძლება განხორციელდეს გარე ფენაზე, ზედა ფენაზე და ქვედა ფენაზე, ან შეიძლება დაპროექტდეს შუა ფენაში.
PCB RF დიზაინის განლაგებისას გამოყენებული მეთოდებია მიკროზოლის ხაზი, მცურავი ზოლის ხაზი, თანაპლენარული ტალღის გამტარი ან დამიწება. მიკროზოლის ხაზი შედგება ლითონის ან კვალის ფიქსირებული სიგრძისგან და მთელი მიწის სიბრტყისგან ან მიწის სიბრტყის ნაწილისგან პირდაპირ მის ქვემოთ. საერთო მიკროზოლის ხაზის სტრუქტურაში დამახასიათებელი წინაღობა მერყეობს 50Ω-დან 75Ω-მდე.
მცურავი ზოლები გაყვანილობისა და ხმაურის ჩახშობის კიდევ ერთი მეთოდია. ეს ხაზი შედგება ფიქსირებული სიგანის გაყვანილობისგან შიდა ფენაზე და დიდი მიწის სიბრტყეზე ცენტრალური გამტარის ზემოთ და ქვემოთ. სახმელეთო სიბრტყე მოქცეულია ელექტრო სიბრტყეს შორის, ამიტომ მას შეუძლია უზრუნველყოს ძალიან ეფექტური დამიწების ეფექტი. ეს არის სასურველი მეთოდი ტარებადი PCB RF სიგნალის გაყვანილობისთვის.
თანაპლენარული ტალღის გამტარს შეუძლია უზრუნველყოს უკეთესი იზოლაცია RF წრესთან და წრედთან, რომელიც უნდა იყოს უფრო ახლოს. ეს საშუალება შედგება ცენტრალური გამტარისა და მიწის სიბრტყეებისგან ორივე მხარეს ან ქვემოთ. რადიოსიხშირული სიგნალების გადაცემის საუკეთესო გზაა ზოლის ხაზების ან თანაპლანტარული ტალღების შეჩერება. ამ ორ მეთოდს შეუძლია უზრუნველყოს უკეთესი იზოლაცია სიგნალსა და RF კვალს შორის.
რეკომენდირებულია ე.წ. "გალავნის გავლით" გამოყენება თანაპლენარული ტალღების ორივე მხარეს. ამ მეთოდს შეუძლია უზრუნველყოს დამიწების მწკრივი ცენტრალური დირიჟორის თითოეულ ლითონის დამიწის სიბრტყეზე. შუაზე გაშვებულ მთავარ კვალს აქვს ღობეები თითოეულ მხარეს, რაც უზრუნველყოფს მალსახმობს ქვემოდან მიწაზე დაბრუნების დენისთვის. ამ მეთოდს შეუძლია შეამციროს ხმაურის დონე, რომელიც დაკავშირებულია RF სიგნალის მაღალ ტალღოვან ეფექტთან. 4.5 დიელექტრიკული მუდმივი იგივე რჩება, როგორც პრეპრეგების FR4 მასალა, ხოლო პრეპრეგირებულის დიელექტრიკული მუდმივი - მიკროზოლიდან, სტრიპლაინიდან ან ოფსეტური ზოლიდან - არის დაახლოებით 3.8-დან 3.9-მდე.
ზოგიერთ მოწყობილობაში, რომელიც იყენებს დამიწის სიბრტყეს, ბრმა ხაზები შეიძლება გამოყენებულ იქნას დენის კონდენსატორის დაწყვილების მუშაობის გასაუმჯობესებლად და მოწყობილობიდან მიწამდე შუნტის ბილიკების უზრუნველსაყოფად. შუნტის გზამ მიწამდე შეიძლება შეამციროს ვიას სიგრძე. ამით შეგიძლიათ მიაღწიოთ ორ მიზანს: თქვენ არა მხოლოდ შექმნით შუნტს ან მიწას, არამედ ამცირებთ მოწყობილობების გადაცემის მანძილს მცირე ფართობებით, რაც RF დიზაინის მნიშვნელოვანი ფაქტორია.