Ze względu na niewielki rozmiar i rozmiar prawie nie istnieją standardy płytek drukowanych dla rosnącego rynku urządzeń do noszenia. Zanim pojawiły się te standardy, musieliśmy polegać na wiedzy i doświadczeniu produkcyjnym zdobytym podczas rozwoju na poziomie zarządu i zastanowić się, jak zastosować je do pojawiających się unikalnych wyzwań. Są trzy obszary, które wymagają naszej szczególnej uwagi. Są to: materiały powierzchni płytek drukowanych, konstrukcje RF/mikrofalowe oraz linie transmisyjne RF.

Materiał PCB

„PCB” zazwyczaj składa się z laminatów, które mogą być wykonane z materiałów epoksydowych wzmocnionych włóknem (FR4), poliimidowych, Rogers lub innych materiałów laminowanych. Materiał izolacyjny pomiędzy różnymi warstwami nazywany jest prepregiem.

urządzenia ubieralne wymagają wysokiej niezawodności, więc gdy projektanci płytek PCB staną przed wyborem użycia FR4 (najtańszego materiału do produkcji płytek PCB) lub bardziej zaawansowanych i droższych materiałów, stanie się to problemem.

Jeśli aplikacje PCB do noszenia wymagają materiałów o dużej prędkości i wysokiej częstotliwości, FR4 może nie być najlepszym wyborem. Stała dielektryczna (Dk) FR4 wynosi 4,5, stała dielektryczna bardziej zaawansowanego materiału serii Rogers 4003 wynosi 3,55, a stała dielektryczna brata serii Rogers 4350 wynosi 3,66.

„Stała dielektryczna laminatu odnosi się do stosunku pojemności lub energii pomiędzy parą przewodników w pobliżu laminatu do pojemności lub energii pomiędzy parą przewodników w próżni. Przy wysokich częstotliwościach najlepiej mieć niewielką stratę. Dlatego Roger 4350 ze stałą dielektryczną 3,66 jest bardziej odpowiedni do zastosowań o wyższej częstotliwości niż FR4 ze stałą dielektryczną 4,5.

W normalnych okolicznościach liczba warstw PCB w urządzeniach do noszenia waha się od 4 do 8 warstw. Zasada konstrukcji warstwowej jest taka, że ​​jeśli jest to 8-warstwowa płytka PCB, powinna być w stanie zapewnić wystarczającą liczbę warstw uziemienia i zasilania oraz warstwę okablowania. W ten sposób efekt tętnienia w przesłuchach można ograniczyć do minimum, a zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) można znacznie zmniejszyć.

Na etapie projektowania układu płytki drukowanej plan rozmieszczenia zakłada zazwyczaj umieszczenie dużej warstwy uziemiającej w pobliżu warstwy dystrybucji mocy. Może to spowodować bardzo niski efekt tętnienia, a hałas systemu można również zmniejszyć prawie do zera. Jest to szczególnie ważne w przypadku podsystemu częstotliwości radiowej.

W porównaniu z materiałem Rogersa, FR4 ma wyższy współczynnik rozproszenia (Df), szczególnie przy wysokich częstotliwościach. W przypadku laminatów FR4 o wyższej wydajności wartość Df wynosi około 0,002, czyli o rząd wielkości więcej niż w przypadku zwykłego FR4. Jednak stos Rogersa wynosi tylko 0,001 lub mniej. Gdy materiał FR4 jest używany w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, wystąpi znacząca różnica w tłumieniu wtrąceniowym. Stratę wtrąceniową definiuje się jako utratę mocy sygnału z punktu A do punktu B przy zastosowaniu FR4, Rogersa lub innych materiałów.

stwarzać problemy

Ubieralna płytka drukowana wymaga ściślejszej kontroli impedancji. Jest to ważny czynnik w przypadku urządzeń przenośnych. Dopasowanie impedancji może zapewnić czystszą transmisję sygnału. Wcześniej standardowa tolerancja dla śladów przenoszenia sygnału wynosiła ±10%. Wskaźnik ten oczywiście nie jest wystarczająco dobry dla dzisiejszych obwodów o wysokiej częstotliwości i dużej prędkości. Obecne wymagania wynoszą ±7%, a w niektórych przypadkach nawet ±5% lub mniej. Ten parametr i inne zmienne będą miały poważny wpływ na produkcję tych przenośnych płytek drukowanych przy szczególnie rygorystycznej kontroli impedancji, ograniczając w ten sposób liczbę przedsiębiorstw, które mogą je produkować.

Stała tolerancja dielektryczna laminatu wykonanego z materiałów Rogers UHF utrzymuje się na ogół na poziomie ±2%, a w przypadku niektórych produktów może sięgać nawet ±1%. Natomiast tolerancja stałej dielektrycznej laminatu FR4 wynosi aż 10%. Dlatego porównując te dwa materiały można stwierdzić, że tłumienność Rogersa jest szczególnie niska. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami FR4, straty transmisji i tłumienia wtrąceniowe stosu Rogers są o połowę niższe.

W większości przypadków najważniejszy jest koszt. Jednakże Rogers może zapewnić wydajność laminatu o stosunkowo niskich stratach i wysokiej częstotliwości w akceptowalnej cenie. Do zastosowań komercyjnych Rogers można przekształcić w hybrydową płytkę PCB z FR4 na bazie żywicy epoksydowej, której niektóre warstwy wykorzystują materiał Rogers, a inne warstwy wykorzystują FR4.

Przy wyborze stosu Rogersa głównym czynnikiem branym pod uwagę jest częstotliwość. Gdy częstotliwość przekracza 500 MHz, projektanci PCB wybierają materiały Rogers, zwłaszcza do obwodów RF/mikrofalowych, ponieważ materiały te mogą zapewnić wyższą wydajność, gdy górne ścieżki są ściśle kontrolowane przez impedancję.

W porównaniu z materiałem FR4, materiał Rogers może również zapewnić niższe straty dielektryczne, a jego stała dielektryczna jest stabilna w szerokim zakresie częstotliwości. Ponadto materiał Rogers może zapewnić idealną wydajność przy niskich stratach wtrąceniowych, wymaganą przy pracy z wysoką częstotliwością.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) materiałów serii Rogers 4000 charakteryzuje się doskonałą stabilnością wymiarową. Oznacza to, że w porównaniu z FR4, gdy płytka drukowana jest poddawana cyklom lutowania rozpływowego na zimno, na gorąco i bardzo gorąco, rozszerzalność cieplna i kurczliwość płytki drukowanej może zostać utrzymana na stabilnym poziomie w cyklach o wyższej częstotliwości i wyższej temperaturze.

W przypadku mieszanego układania, łatwo jest zastosować powszechnie stosowaną technologię procesu produkcyjnego, aby zmieszać razem Rogers i wysokowydajny FR4, dzięki czemu stosunkowo łatwo jest osiągnąć wysoką wydajność produkcyjną. Stos Rogersa nie wymaga specjalnego procesu przygotowania.

Zwykły FR4 nie może osiągnąć bardzo niezawodnych parametrów elektrycznych, ale wysokowydajne materiały FR4 mają dobre właściwości niezawodnościowe, takie jak wyższa Tg, wciąż stosunkowo niski koszt i mogą być stosowane w szerokim zakresie zastosowań, od prostych projektów audio po złożone zastosowania mikrofalowe .

Uwagi dotyczące projektowania urządzeń RF/mikrofalowych

Technologia przenośna i Bluetooth utorowały drogę aplikacjom RF/mikrofalowym w urządzeniach do noszenia. Dzisiejszy zakres częstotliwości staje się coraz bardziej dynamiczny. Kilka lat temu bardzo wysoką częstotliwość (VHF) zdefiniowano jako 2 GHz–3 GHz. Ale teraz możemy zobaczyć zastosowania w zakresie ultrawysokiej częstotliwości (UHF) w zakresie od 10 GHz do 25 GHz.

Dlatego w przypadku płytek PCB do noszenia część RF wymaga większej uwagi przy okablowaniu, sygnały należy oddzielić osobno, a ścieżki generujące sygnały o wysokiej częstotliwości należy trzymać z dala od ziemi. Inne kwestie obejmują: zapewnienie filtra obejściowego, odpowiednie kondensatory odsprzęgające, uziemienie oraz zaprojektowanie linii przesyłowej i linii powrotnej tak, aby były prawie równe.

Filtr obejściowy może tłumić efekt tętnienia zawartości szumu i przesłuchów. Kondensatory odsprzęgające należy umieścić bliżej pinów urządzenia przenoszących sygnały zasilające.

Linie przesyłowe dużej prędkości i obwody sygnałowe wymagają umieszczenia warstwy uziemiającej pomiędzy sygnałami warstwy mocy, aby wygładzić drgania generowane przez sygnały szumu. Przy wyższych prędkościach sygnału małe niedopasowania impedancji spowodują niezrównoważoną transmisję i odbiór sygnałów, co skutkuje zniekształceniami. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na problem dopasowania impedancji związany z sygnałem o częstotliwości radiowej, ponieważ sygnał o częstotliwości radiowej ma dużą prędkość i specjalną tolerancję.

Linie transmisyjne RF wymagają kontrolowanej impedancji, aby przesyłać sygnały RF z określonego podłoża układu scalonego na płytkę PCB. Te linie przesyłowe mogą być realizowane w warstwie zewnętrznej, warstwie górnej i warstwie dolnej lub mogą być zaprojektowane w warstwie środkowej.

Metody stosowane podczas projektowania PCB RF to linia mikropaskowa, linia pływająca, falowód współpłaszczyznowy lub uziemienie. Linia mikropaskowa składa się z metalu lub ścieżek o ustalonej długości i całej płaszczyzny uziemienia lub części płaszczyzny uziemienia znajdującej się bezpośrednio pod nią. Impedancja charakterystyczna w ogólnej strukturze linii mikropaskowej mieści się w zakresie od 50 Ω do 75 Ω.

Pływająca linia paskowa to kolejna metoda okablowania i tłumienia hałasu. Linia ta składa się z okablowania o stałej szerokości w warstwie wewnętrznej oraz dużej płaszczyzny uziemienia powyżej i poniżej centralnego przewodu. Płaszczyzna uziemienia jest umieszczona pomiędzy płaszczyzną zasilania, dzięki czemu może zapewnić bardzo skuteczny efekt uziemienia. Jest to preferowana metoda okablowania sygnału RF na płytce drukowanej do noszenia.

Falowód współpłaszczyznowy może zapewnić lepszą izolację w pobliżu obwodu RF i obwodu, który należy poprowadzić bliżej. Medium to składa się z centralnego przewodnika i płaszczyzn uziemiających po obu stronach lub poniżej. Najlepszym sposobem przesyłania sygnałów o częstotliwości radiowej jest zawieszenie linii paskowych lub falowodów współpłaszczyznowych. Te dwie metody mogą zapewnić lepszą izolację pomiędzy sygnałem a śladami RF.

Zaleca się stosowanie tzw. „ogrodzenia przelotowego” po obu stronach falowodu współpłaszczyznowego. W tej metodzie można zapewnić rząd przelotek uziemiających na każdej metalowej płaszczyźnie uziemienia środkowego przewodu. Główny tor biegnący środkiem posiada płoty po obu stronach, zapewniając w ten sposób skrót dla prądu powrotnego do ziemi poniżej. Ta metoda może zmniejszyć poziom szumu związany z silnym efektem tętnienia sygnału RF. Stała dielektryczna wynosząca 4,5 pozostaje taka sama jak w przypadku materiału FR4 prepregu, podczas gdy stała dielektryczna prepregu – mikropaskowej, paskowej lub przesuniętej linii paskowej – wynosi około 3,8 do 3,9.

W niektórych urządzeniach wykorzystujących płaszczyznę uziemienia można zastosować ślepe przelotki, aby poprawić skuteczność odsprzęgania kondensatora mocy i zapewnić ścieżkę bocznikową od urządzenia do ziemi. Droga bocznikowa do ziemi może skrócić długość przelotki. Może to osiągnąć dwa cele: nie tylko utworzyć bocznik lub uziemienie, ale także zmniejszyć odległość transmisji urządzeń o małych obszarach, co jest ważnym czynnikiem projektowym RF.