Dėl mažo dydžio ir dydžio beveik nėra esamų spausdintų plokščių standartų, skirtų augančiai nešiojamam IoT rinkai. Prieš paaiškėjus šiems standartams, mes turėjome pasikliauti žiniomis ir gamybos patirtimi, išmoktu plėtojant valdybos lygį, ir galvoti, kaip jas pritaikyti unikaliems kylantiems iššūkiams. Yra trys sritys, kurioms reikia mūsų ypatingo dėmesio. Tai yra: grandinės plokštės paviršiaus medžiagos, RF/mikrobangų dizainas ir RF perdavimo linijos.
PCB medžiaga
„PCB“ paprastai susideda iš laminatų, kurie gali būti pagaminti iš pluošto sustiprintos epoksidinės (FR4), poliimido ar rogerso medžiagų ar kitų laminato medžiagų. Izoliacinė medžiaga tarp skirtingų sluoksnių vadinama prepreg.
Nešiojami įrenginiai reikalauja didelio patikimumo, todėl, kai PCB dizaineriai susiduria su pasirinkimu naudoti FR4 (ekonomiškiausia PCB gamybos medžiaga) ar labiau pažengusią ir brangesnę medžiagą, tai taps problema.
Jei nešiojamoms PCB programoms reikalingos greitos, aukšto dažnio medžiagos, FR4 gali būti ne pats geriausias pasirinkimas. FR4 dielektrinė konstanta (DK) yra 4,5, labiau pažengusios „Rogers 4003“ serijos medžiagos dielektrinė konstanta yra 3,55, o brolio serijos „Rogers 4350“ dielektrinė konstanta yra 3,66.
„Dielektrinė laminato konstanta reiškia talpos ar energijos santykį tarp laidininkų poros, esančios šalia laminato, iki talpos ar energijos tarp laidininkų poros vakuume. Esant aukštam dažniui, geriausia turėti mažą nuostolį, o„ Roger 4350 “su 430 -ies.
Įprastomis aplinkybėmis nešiojamų prietaisų PCB sluoksnių skaičius svyruoja nuo 4 iki 8 sluoksnių. Sluoksnio konstrukcijos principas yra tas, kad jei tai yra 8 sluoksnių PCB, jis turėtų sugebėti pateikti pakankamai žemės ir galios sluoksnių ir sumušti laidų sluoksnį. Tokiu būdu pulsavimo efektas kroso dalyje gali būti kuo mažesnis, o elektromagnetiniai trukdžiai (EMI) gali būti žymiai sumažėję.
Apibrėžimo plokštės išdėstymo projektavimo etape išdėstymo planas paprastai yra pastatyti didelį žemės sluoksnį netoli maitinimo paskirstymo sluoksnio. Tai gali sudaryti labai žemą pulsavimo efektą, o sistemos triukšmą taip pat galima sumažinti iki beveik nulio. Tai ypač svarbu radijo dažnio posistemiui.
Palyginti su „Rogers“ medžiaga, FR4 turi didesnį išsisklaidymo koeficientą (DF), ypač esant aukštam dažniui. Aukštesniam FR4 našumo laminatams DF vertė yra apie 0,002, o tai yra geresnės dydžio tvarka nei įprasta FR4. Tačiau Rogerso krūva yra tik 0,001 ar mažiau. Kai Aukšto dažnio naudojimui naudojama FR4 medžiaga, įterpimo praradimo skirtumas bus didelis. Įterpimo praradimas yra apibrėžiamas kaip signalo galios praradimas nuo taško A iki taško B, kai naudojant FR4, Rogers ar kitas medžiagas.
Sukurti problemas
Nešiojamam PCB reikalauja griežtesnės varžos kontrolės. Tai yra svarbus nešiojamų prietaisų veiksnys. Impedance suderinimas gali sukelti švaresnį signalo perdavimą. Anksčiau standartinis signalo nešiojimo pėdsakų nuokrypis buvo ± 10%. Šis indikatorius akivaizdžiai nėra pakankamai geras šiandienos aukšto dažnio ir greitaeigių grandinėms. Dabartinis reikalavimas yra ± 7%, o kai kuriais atvejais net ± 5% ar mažiau. Šis parametras ir kiti kintamieji turės rimtai paveikti šių nešiojamų PCB gamybą, turinčią ypač griežtą varžos valdymą, ir taip apribos jų gamybos įmonių skaičių.
Dielektrinis pastovus laminato, pagaminto iš Rogers UHF medžiagų, tolerancija paprastai palaikoma ± 2%, o kai kurie produktai gali pasiekti net ± 1%. Priešingai, dielektrinės nuolatinės FR4 laminato tolerancija yra net 10%. Todėl palyginkite šias dvi medžiagas, kad Rogerso įterpimo praradimas yra ypač mažas. Palyginti su tradicinėmis FR4 medžiagomis, „Rogers“ kamino transmisijos praradimas ir įterpimo praradimas yra perpus mažesnis.
Daugeliu atvejų išlaidos yra pati svarbiausia. Tačiau „Rogers“ gali užtikrinti santykinai mažų nuostolių aukšto dažnio laminato našumą priimtinu kainos tašku. Komercinėms reikmėms „Rogers“ galima paversti hibridiniu PCB su epoksidine FR4 pagrindu, kurių kai kuriuose sluoksniuose naudojama „Rogers“ medžiaga, o kiti sluoksniai naudoja FR4.
Renkantis „Rogers“ krūvą, pagrindinis aspektas yra dažnis. Kai dažnis viršija 500MHz, PCB dizaineriai linkę pasirinkti „Rogers“ medžiagas, ypač RF/mikrobangų grandinėms, nes šios medžiagos gali užtikrinti didesnį našumą, kai viršutinius pėdsakus griežtai kontroliuoja varža.
Palyginti su FR4 medžiaga, „Rogers“ medžiaga taip pat gali užtikrinti mažesnį dielektrinį nuostolį, o jos dielektrinė konstanta yra stabili plačiame dažnių diapazone. Be to, „Rogers“ medžiaga gali užtikrinti idealų mažo įterpimo nuostolių našumą, reikalingą aukšto dažnio veikimui.
„Rogers 4000“ serijos medžiagų šiluminio išsiplėtimo (CTE) koeficientas turi puikų matmenų stabilumą. Tai reiškia, kad, palyginti su FR4, kai PCB patiria šaltus, karštus ir labai karštus reflavimo litavimo ciklus, šiluminį plėtimąsi ir grandinės plokštės susitraukimą galima išlaikyti esant stabiliai ribai esant didesniam dažniui ir aukštesnei temperatūros ciklams.
Mišrių krovinių atveju lengva naudoti bendrą gamybos proceso technologiją, kad būtų galima sumaišyti Rogers ir aukštos kokybės FR4 kartu, todėl gana lengva pasiekti didelį gamybos pajamingumą. „Rogers“ kaminai nereikalauja ypatingo rengimo proceso metu.
Paprastas FR4 negali pasiekti labai patikimo elektrinio našumo, tačiau aukštos kokybės FR4 medžiagos turi gerų patikimumo charakteristikų, tokių kaip didesnis TG, vis dar palyginti mažos sąnaudos ir gali būti naudojamos įvairiose programose, pradedant paprastu garso konstrukcija ir baigiant sudėtingomis mikrobangų krosnelėmis.
RF/mikrobangų dizaino aspektai
Nešiojamos technologijos ir „Bluetooth“ padėjo kelią RF/mikrobangų krosnelės programoms nešiojamuose įrenginiuose. Šiandienos dažnių diapazonas tampa vis dinamiškesnis. Prieš kelerius metus labai aukštas dažnis (VHF) buvo apibrėžtas kaip 2GHz ~ 3GHz. Bet dabar galime pamatyti ypač aukšto dažnio (UHF) programas, svyruojančias nuo 10 GHz iki 25 GHz.
Todėl nešiojamam PCB RF dalimi reikalauja daugiau dėmesio į laidų problemas, o signalai turėtų būti atskirti atskirai, o pėdsakai, generuojantys aukšto dažnio signalus, turėtų būti laikomi atokiau nuo žemės. Kiti svarstymai apima: apėjimo filtro, tinkamų atsiejimo kondensatorių, pateikimo, įžeminimo ir transmisijos linijos ir grąžinimo linijos projektavimo, kad būtų beveik lygi.
Aktualų filtras gali slopinti triukšmo turinio ir skersinio plyšimo efektą. Atsiejimo kondensatoriai turi būti dedami arčiau prietaiso kaiščių, turinčių galios signalus.
Didelės spartos perdavimo linijos ir signalo grandinės reikalauja, kad tarp galios sluoksnio signalų būtų galima pastatyti antžeminį sluoksnį, kad būtų išlygintas triukšmo signalų sukuriamas virpėjimas. Esant didesniam signalo greičiui, nedideli varžos neatitikimai sukels nesubalansuotą signalų perdavimą ir priėmimą, todėl iškraipymai bus iškraipomi. Todėl reikia atkreipti ypatingą dėmesį į varžos atitikimo problemą, susijusią su radijo dažnio signalu, nes radijo dažnio signalas turi didelį greitį ir ypatingą toleranciją.
RF perdavimo linijoms reikalinga kontroliuojama varža, norint perduoti RF signalus iš konkretaus IC substrato į PCB. Šios transmisijos linijos gali būti įdiegtos išoriniame, viršutiniame sluoksnyje ir apatiniame sluoksnyje arba gali būti suprojektuotos viduriniame sluoksnyje.
Metodai, naudojami PCB RF projektavimo išdėstymo metu, yra „MicroStrip“ linija, plūduriuojančios juostelių linija, koplanaro bangolaidis ar įžeminimas. „MicroStrip“ liniją sudaro fiksuotas metalo ar pėdsakų ilgis ir visa įžeminimo plokštuma arba žemės plokštumos dalis tiesiai po juo. Bendrosios mikrotraumos linijos struktūros charakteristikos varža svyruoja nuo 50Ω iki 75Ω.
Plūduriuojanti juostinė linija yra dar vienas laidų ir triukšmo slopinimo būdas. Ši linija susideda iš fiksuoto pločio laidų vidinio sluoksnio ir didelės žemės plokštumos virš centrinio laidininko. Žemės plokštuma yra pritvirtinta tarp galios plokštumos, todėl ji gali suteikti labai efektyvų įžeminimo efektą. Tai yra tinkamiausias nešiojamo PCB RF signalo laidų metodas.
„Coplanar“ bangolaidis gali suteikti geresnį izoliaciją šalia RF grandinės ir grandinės, kurią reikia nukreipti arčiau. Ši terpė susideda iš centrinio laidininko ir antžeminių plokštumų iš abiejų pusių ar žemiau. Geriausias būdas perduoti radijo dažnio signalus yra sustabdyti juostelių linijas ar koplaninius bangolaidžius. Šie du metodai gali užtikrinti geresnį signalo ir RF pėdsakų išskyrimą.
Abiejose koplanaro bangolaidžio pusėse rekomenduojama naudoti vadinamąją „per tvorą“. Šis metodas gali pateikti antžeminio vėliavos eilę kiekvienoje centrinio laidininko metalinėje žemės plokštumoje. Pagrindinis pėdsakų, veikiančių viduryje, yra tvoros iš kiekvienos pusės, taigi pateikiama nuoroda grąžinimo srovei į žemiau esančią žemę. Šis metodas gali sumažinti triukšmo lygį, susijusį su dideliu RF signalo pulsavimo efektu. 4.5 dielektrinė konstanta išlieka tokia pati kaip FR4 prepreg medžiaga, o preprego dielektrinė konstanta - nuo mikrotraumos, juostos linijos ar poslinkio juostos - yra nuo 3,8 iki 3,9.
Kai kuriuose įrenginiuose, kuriuose naudojama žemės plokštuma, „Blind VIA“ gali būti naudojamas siekiant pagerinti maitinimo kondensatoriaus atsiejimo našumą ir suteikti šunto kelią nuo įrenginio į žemę. Šunto kelias į žemę gali sutrumpinti VIA ilgį. Tai gali pasiekti du tikslus: jūs ne tik sukuriate šuntą ar žemę, bet ir sumažinate prietaisų perdavimo atstumą su mažais plotais, o tai yra svarbus RF projektavimo koeficientas.