Oleh kerana saiz dan saiz yang kecil, hampir tiada piawaian papan litar bercetak sedia ada untuk pasaran IoT boleh pakai yang semakin berkembang. Sebelum piawaian ini dikeluarkan, kami terpaksa bergantung pada pengetahuan dan pengalaman pembuatan yang dipelajari dalam pembangunan peringkat lembaga dan memikirkan cara untuk menerapkannya kepada cabaran baru yang unik. Terdapat tiga bidang yang memerlukan perhatian khusus kita. Ia adalah: bahan permukaan papan litar, reka bentuk RF/gelombang mikro dan talian penghantaran RF.

bahan PCB

“PCB” secara amnya terdiri daripada lamina, yang mungkin diperbuat daripada epoksi bertetulang gentian (FR4), bahan polimida atau Rogers atau bahan lamina lain. Bahan penebat antara lapisan yang berbeza dipanggil prepreg.

peranti boleh pakai memerlukan kebolehpercayaan yang tinggi, jadi apabila pereka PCB berhadapan dengan pilihan menggunakan FR4 (bahan pembuatan PCB paling kos efektif) atau bahan yang lebih maju dan lebih mahal, ini akan menjadi masalah.

Jika aplikasi PCB boleh pakai memerlukan bahan berkelajuan tinggi dan frekuensi tinggi, FR4 mungkin bukan pilihan terbaik. Pemalar dielektrik (Dk) FR4 ialah 4.5, pemalar dielektrik bagi bahan siri Rogers 4003 yang lebih maju ialah 3.55, dan pemalar dielektrik bagi siri saudara Rogers 4350 ialah 3.66.

“Pemalar dielektrik lamina merujuk kepada nisbah kemuatan atau tenaga antara sepasang konduktor berhampiran lamina kepada kemuatan atau tenaga antara pasangan konduktor dalam vakum. Pada frekuensi tinggi, adalah yang terbaik untuk mengalami kerugian kecil. Oleh itu, Roger 4350 dengan pemalar dielektrik 3.66 lebih sesuai untuk aplikasi frekuensi yang lebih tinggi daripada FR4 dengan pemalar dielektrik 4.5.

Dalam keadaan biasa, bilangan lapisan PCB untuk peranti boleh pakai adalah antara 4 hingga 8 lapisan. Prinsip pembinaan lapisan ialah jika ia adalah PCB 8-lapisan, ia sepatutnya dapat menyediakan lapisan tanah dan kuasa yang mencukupi dan sandwic lapisan pendawaian. Dengan cara ini, kesan riak dalam crosstalk dapat dikekalkan pada tahap minimum dan gangguan elektromagnet (EMI) dapat dikurangkan dengan ketara.

Dalam peringkat reka bentuk susun atur papan litar, pelan susun atur biasanya meletakkan lapisan tanah yang besar dekat dengan lapisan pengagihan kuasa. Ini boleh membentuk kesan riak yang sangat rendah, dan hingar sistem juga boleh dikurangkan kepada hampir sifar. Ini amat penting untuk subsistem frekuensi radio.

Berbanding dengan bahan Rogers, FR4 mempunyai faktor pelesapan (Df) yang lebih tinggi, terutamanya pada frekuensi tinggi. Untuk lamina FR4 berprestasi lebih tinggi, nilai Df adalah kira-kira 0.002, iaitu susunan magnitud yang lebih baik daripada FR4 biasa. Walau bagaimanapun, timbunan Rogers hanya 0.001 atau kurang. Apabila bahan FR4 digunakan untuk aplikasi frekuensi tinggi, akan terdapat perbezaan yang ketara dalam kehilangan sisipan. Kehilangan sisipan ditakrifkan sebagai kehilangan kuasa isyarat dari titik A ke titik B apabila menggunakan FR4, Rogers atau bahan lain.

mencipta masalah

PCB boleh pakai memerlukan kawalan impedans yang lebih ketat. Ini adalah faktor penting untuk peranti boleh pakai. Padanan impedans boleh menghasilkan penghantaran isyarat yang lebih bersih. Terdahulu, toleransi piawai untuk jejak pembawa isyarat ialah ±10%. Penunjuk ini jelas tidak cukup baik untuk litar frekuensi tinggi dan kelajuan tinggi hari ini. Keperluan semasa ialah ±7%, dan dalam beberapa kes malah ±5% atau kurang. Parameter ini dan pembolehubah lain akan memberi kesan serius kepada pembuatan PCB boleh pakai ini dengan kawalan impedans yang ketat, dengan itu mengehadkan bilangan perniagaan yang boleh mengeluarkannya.

Toleransi berterusan dielektrik lamina yang diperbuat daripada bahan Rogers UHF secara amnya dikekalkan pada ±2%, dan sesetengah produk bahkan boleh mencapai ±1%. Sebaliknya, toleransi malar dielektrik laminat FR4 adalah setinggi 10%. Oleh itu, bandingkan Kedua-dua bahan ini boleh didapati bahawa kehilangan sisipan Rogers adalah sangat rendah. Berbanding dengan bahan FR4 tradisional, kehilangan penghantaran dan kehilangan sisipan tindanan Rogers adalah separuh lebih rendah.

Dalam kebanyakan kes, kos adalah yang paling penting. Walau bagaimanapun, Rogers boleh memberikan prestasi lamina frekuensi tinggi kerugian yang agak rendah pada titik harga yang boleh diterima. Untuk aplikasi komersial, Rogers boleh dijadikan PCB hibrid dengan FR4 berasaskan epoksi, beberapa lapisan menggunakan bahan Rogers, dan lapisan lain menggunakan FR4.

Apabila memilih timbunan Rogers, kekerapan adalah pertimbangan utama. Apabila frekuensi melebihi 500MHz, pereka PCB cenderung untuk memilih bahan Rogers, terutamanya untuk litar RF/gelombang mikro, kerana bahan ini boleh memberikan prestasi yang lebih tinggi apabila jejak atas dikawal ketat oleh impedans.

Berbanding dengan bahan FR4, bahan Rogers juga boleh memberikan kehilangan dielektrik yang lebih rendah, dan pemalar dielektriknya stabil dalam julat frekuensi yang luas. Di samping itu, bahan Rogers boleh memberikan prestasi kehilangan sisipan rendah yang ideal yang diperlukan oleh operasi frekuensi tinggi.

Pekali pengembangan terma (CTE) bahan siri Rogers 4000 mempunyai kestabilan dimensi yang sangat baik. Ini bermakna berbanding dengan FR4, apabila PCB mengalami kitaran pematerian aliran semula yang sejuk, panas dan sangat panas, pengembangan haba dan pengecutan papan litar boleh dikekalkan pada had yang stabil di bawah frekuensi yang lebih tinggi dan kitaran suhu yang lebih tinggi.

Dalam kes susun bercampur, mudah untuk menggunakan teknologi proses pembuatan biasa untuk mencampurkan Rogers dan FR4 berprestasi tinggi bersama-sama, jadi agak mudah untuk mencapai hasil pembuatan yang tinggi. Timbunan Rogers tidak memerlukan khas melalui proses penyediaan.

FR4 biasa tidak boleh mencapai prestasi elektrik yang sangat boleh dipercayai, tetapi bahan FR4 berprestasi tinggi mempunyai ciri kebolehpercayaan yang baik, seperti Tg yang lebih tinggi, kos yang agak rendah, dan boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi, daripada reka bentuk audio ringkas kepada aplikasi gelombang mikro yang kompleks .

Pertimbangan reka bentuk RF/Microwave

Teknologi mudah alih dan Bluetooth telah membuka jalan untuk aplikasi RF/gelombang mikro dalam peranti boleh pakai. Julat frekuensi hari ini menjadi lebih dinamik. Beberapa tahun yang lalu, frekuensi sangat tinggi (VHF) ditakrifkan sebagai 2GHz~3GHz. Tetapi kini kita boleh melihat aplikasi frekuensi ultra tinggi (UHF) antara 10GHz hingga 25GHz.

Oleh itu, untuk PCB boleh pakai, bahagian RF memerlukan lebih perhatian kepada isu pendawaian, dan isyarat harus dipisahkan secara berasingan, dan jejak yang menjana isyarat frekuensi tinggi harus dijauhkan dari tanah. Pertimbangan lain termasuk: menyediakan penapis pintasan, kapasitor penyahgandingan yang mencukupi, pembumian, dan mereka bentuk talian penghantaran dan talian balik menjadi hampir sama.

Penapis pintasan boleh menyekat kesan riak kandungan hingar dan crosstalk. Kapasitor penyahgandingan perlu diletakkan lebih dekat dengan pin peranti yang membawa isyarat kuasa.

Talian penghantaran berkelajuan tinggi dan litar isyarat memerlukan lapisan tanah diletakkan di antara isyarat lapisan kuasa untuk melicinkan jitter yang dihasilkan oleh isyarat hingar. Pada kelajuan isyarat yang lebih tinggi, ketidakpadanan impedans yang kecil akan menyebabkan penghantaran dan penerimaan isyarat yang tidak seimbang, mengakibatkan herotan. Oleh itu, perhatian khusus mesti diberikan kepada masalah padanan impedans yang berkaitan dengan isyarat frekuensi radio, kerana isyarat frekuensi radio mempunyai kelajuan tinggi dan toleransi khas.

Talian penghantaran RF memerlukan impedans terkawal untuk menghantar isyarat RF daripada substrat IC tertentu ke PCB. Talian penghantaran ini boleh dilaksanakan pada lapisan luar, lapisan atas dan lapisan bawah, atau boleh direka bentuk di lapisan tengah.

Kaedah yang digunakan semasa reka bentuk reka bentuk PCB RF ialah garis jalur mikro, garis jalur terapung, pandu gelombang koplanar atau pembumian. Garis jalur mikro terdiri daripada logam atau kesan panjang tetap dan keseluruhan satah tanah atau sebahagian satah tanah betul-betul di bawahnya. Impedans ciri dalam struktur garis jalur mikro am berjulat dari 50Ω hingga 75Ω.

Garisan jalur terapung ialah kaedah lain bagi pendawaian dan penindasan bunyi. Talian ini terdiri daripada pendawaian lebar tetap pada lapisan dalam dan satah tanah yang besar di atas dan di bawah konduktor tengah. Satah tanah diapit di antara satah kuasa, jadi ia boleh memberikan kesan pembumian yang sangat berkesan. Ini ialah kaedah pilihan untuk pendawaian isyarat RF PCB boleh pakai.

Pandu gelombang Coplanar boleh memberikan pengasingan yang lebih baik berhampiran litar RF dan litar yang perlu dihalakan lebih dekat. Medium ini terdiri daripada konduktor pusat dan satah tanah di kedua-dua sisi atau di bawah. Cara terbaik untuk menghantar isyarat frekuensi radio adalah dengan menggantung jalur jalur atau pandu gelombang coplanar. Kedua-dua kaedah ini boleh memberikan pengasingan yang lebih baik antara isyarat dan jejak RF.

Adalah disyorkan untuk menggunakan apa yang dipanggil "melalui pagar" pada kedua-dua belah pandu gelombang coplanar. Kaedah ini boleh menyediakan deretan vias tanah pada setiap satah tanah logam konduktor pusat. Jejak utama yang berjalan di tengah mempunyai pagar pada setiap sisi, dengan itu menyediakan jalan pintas untuk arus balik ke tanah di bawah. Kaedah ini boleh mengurangkan tahap hingar yang berkaitan dengan kesan riak tinggi isyarat RF. Pemalar dielektrik 4.5 kekal sama dengan bahan FR4 prepreg, manakala pemalar dielektrik prepreg—daripada jalur mikro, jalur jalur atau garis jalur offset—adalah kira-kira 3.8 hingga 3.9.

Dalam sesetengah peranti yang menggunakan satah tanah, vias buta boleh digunakan untuk meningkatkan prestasi penyahgandingan kapasitor kuasa dan menyediakan laluan pintasan dari peranti ke tanah. Laluan shunt ke tanah boleh memendekkan panjang melalui. Ini boleh mencapai dua tujuan: anda bukan sahaja mencipta shunt atau ground, tetapi juga mengurangkan jarak penghantaran peranti dengan kawasan kecil, yang merupakan faktor reka bentuk RF yang penting.