Datorită dimensiunilor și dimensiunilor mici, nu există aproape standarde de bord de circuit imprimate existente pentru piața IoT care se poate purta în creștere. Înainte ca aceste standarde să apară, trebuia să ne bazăm pe cunoștințele și experiența de fabricație învățată în dezvoltarea la nivel de bord și să ne gândim cum să le aplicăm la provocări emergente unice. Există trei domenii care necesită o atenție specială. Sunt: materiale de suprafață ale plăcii de circuit, proiectare RF/microunde și linii de transmisie RF.

Material PCB

„PCB” constă, în general, din laminate, care pot fi fabricate din epoxidre consolidate cu fibre (FR4), polimidă sau materiale Rogers sau alte materiale laminate. Materialul izolant dintre diferitele straturi se numește prepreg.

Dispozitivele purtabile necesită o fiabilitate ridicată, astfel încât atunci când proiectanții PCB se confruntă cu alegerea utilizării FR4 (cel mai eficient material de fabricație PCB) sau materiale mai avansate și mai scumpe, acest lucru va deveni o problemă.

Dacă aplicațiile PCB purtabile necesită materiale de mare viteză, de înaltă frecvență, FR4 poate să nu fie cea mai bună alegere. Constanta dielectrică (DK) a FR4 este 4,5, constanta dielectrică a materialului mai avansat din seria Rogers 4003 este de 3,55, iar constanta dielectrică a Seriei Brother Rogers 4350 este 3,66.

“The dielectric constant of a laminate refers to the ratio of the capacitance or energy between a pair of conductors near the laminate to the capacitance or energy between the pair of conductors in vacuum. At high frequencies, it is best to have a small loss. Therefore, Roger 4350 with a dielectric constant of 3.66 is more suitable for higher frequency applications than FR4 with a dielectric constant of 4.5.

În circumstanțe normale, numărul de straturi de PCB pentru dispozitivele purtabile variază de la 4 la 8 straturi. Principiul construcției straturilor este că, dacă este un PCB cu 8 straturi, ar trebui să poată oferi suficiente straturi de sol și putere și sandwich stratul de cablare. În acest fel, efectul de ondulare în Crosstalk poate fi menținut la o interferență minimă și electromagnetică (EMI) poate fi redus semnificativ.

În etapa de proiectare a aspectului plăcii de circuit, planul de dispunere este, în general, să așeze un strat mare de sol aproape de stratul de distribuție a puterii. Acest lucru poate forma un efect de ondulare foarte scăzut, iar zgomotul sistemului poate fi redus și la aproape zero. Acest lucru este important în special pentru subsistemul de frecvență radio.

În comparație cu materialul Rogers, FR4 are un factor de disipare mai mare (DF), în special la frecvență ridicată. Pentru laminate FR4 cu performanță mai mare, valoarea DF este de aproximativ 0,002, ceea ce este un ordin de mărime mai bun decât FR4 obișnuit. Cu toate acestea, stiva lui Rogers este de doar 0,001 sau mai puțin. Când materialul FR4 este utilizat pentru aplicații de înaltă frecvență, va exista o diferență semnificativă în pierderea de inserție. Pierderea de inserție este definită ca pierderea de putere a semnalului de la punctul A la punctul B atunci când se utilizează FR4, Rogers sau alte materiale.

creați probleme

PCB purtabil necesită un control mai strict al impedanței. Acesta este un factor important pentru dispozitivele purtabile. Potrivirea impedanței poate produce o transmisie a semnalului mai curat. Mai devreme, toleranța standard pentru urmele de transport a semnalului a fost de ± 10%. Acest indicator nu este, evident, suficient de bun pentru circuitele de înaltă frecvență și de mare viteză de astăzi. Cerința actuală este de ± 7% și, în unele cazuri, chiar ± 5% sau mai puțin. Acest parametru și alte variabile vor afecta serios fabricarea acestor PCB -uri purtabile cu un control deosebit de strict de impedanță, limitând astfel numărul de afaceri care le pot fabrica.

Toleranța constantă dielectrică a laminatului din materialele Rogers UHF este, în general, menținută la ± 2%, iar unele produse pot ajunge chiar ± 1%. În schimb, toleranța constantă dielectrică a laminatului FR4 este de până la 10%. Prin urmare, comparați aceste două materiale se poate constata că pierderea de inserție a lui Rogers este deosebit de scăzută. În comparație cu materialele tradiționale FR4, pierderea de transmisie și pierderea de inserție a stivei Rogers sunt pe jumătate mai mici.

În cele mai multe cazuri, costul este cel mai important. Cu toate acestea, Rogers poate oferi performanțe de laminare de înaltă frecvență relativ scăzute la un punct de preț acceptabil. Pentru aplicații comerciale, Rogers poate fi transformat într-un PCB hibrid cu FR4 pe bază de epoxid, unele straturi care folosesc materialul Rogers, iar alte straturi folosesc FR4.

Atunci când alegeți o stivă Rogers, frecvența este principala considerație. Când frecvența depășește 500 MHz, proiectanții PCB tind să aleagă materialele Rogers, în special pentru circuitele RF/microunde, deoarece aceste materiale pot oferi performanțe mai mari atunci când urmele superioare sunt strict controlate de impedanță.

În comparație cu materialul FR4, materialul Rogers poate furniza, de asemenea, pierderi dielectrice mai mici, iar constanta dielectrică este stabilă într -un interval de frecvență larg. În plus, Materialul Rogers poate oferi performanța ideală a pierderilor de inserție scăzută cerută de funcționarea de înaltă frecvență.

Coeficientul de expansiune termică (CTE) a materialelor din seria Rogers 4000 are o stabilitate dimensională excelentă. Acest lucru înseamnă că este în comparație cu FR4, când PCB suferă cicluri de lipire de reflocare rece, caldă și foarte caldă, expansiunea termică și contracția plăcii de circuit pot fi menținute la o limită stabilă sub o frecvență mai mare și cicluri de temperatură mai ridicată.

În cazul stivuirii mixte, este ușor de utilizat tehnologia comună a procesului de fabricație pentru a amesteca Rogers și FR4 de înaltă performanță împreună, astfel încât este relativ ușor să obții un randament ridicat de fabricație. Stiva Rogers nu necesită un proces special prin intermediul preparatului.

FR4 obișnuit nu poate obține performanțe electrice foarte fiabile, dar materialele FR4 de înaltă performanță au caracteristici de fiabilitate bune, cum ar fi TG mai mare, costuri relativ reduse și pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, de la un design audio simplu la aplicații complexe cu microunde.

Considerații privind proiectarea RF/microunde

Tehnologia portabilă și Bluetooth au deschis calea pentru aplicațiile RF/cu microunde în dispozitivele purtabile. Gama de frecvență de astăzi devine din ce în ce mai dinamică. Cu câțiva ani în urmă, frecvența foarte mare (VHF) a fost definită ca 2GHz ~ 3GHz. Dar acum putem vedea aplicații de frecvență ultra-înaltă (UHF) cuprinse între 10 GHz și 25 GHz.

Prin urmare, pentru PCB-ul purtabil, partea RF necesită mai multă atenție asupra problemelor de cablare, iar semnalele trebuie separate separat, iar urmele care generează semnale de înaltă frecvență ar trebui să fie ținute departe de sol. Alte considerente includ: furnizarea unui filtru de bypass, condensatoare de decuplare adecvate, împământare și proiectarea liniei de transmisie și a liniei de retur pentru a fi aproape egale.

Filtrul de bypass poate suprima efectul de ondulare al conținutului de zgomot și al crosstalk -ului. Condensatoarele de decuplare trebuie să fie plasate mai aproape de pinii dispozitivului care transportă semnale de putere.

Liniile de transmisie de mare viteză și circuitele de semnal necesită plasarea unui strat de sol între semnalele stratului de alimentare pentru a netezi bruiajul generat de semnalele de zgomot. La viteze mai mari ale semnalului, nepotrivirile cu impedanță mică vor provoca transmiterea și recepția semnalelor dezechilibrate, ceea ce duce la denaturare. Prin urmare, trebuie acordată o atenție specială problemei de potrivire a impedanței legate de semnalul de frecvență radio, deoarece semnalul de frecvență radio are o viteză mare și o toleranță specială.

Liniile de transmisie RF necesită impedanță controlată pentru a transmite semnale RF de la un substrat IC specific către PCB. Aceste linii de transmisie pot fi implementate pe stratul exterior, stratul superior și stratul de jos sau pot fi proiectate în stratul de mijloc.

Metodele utilizate în timpul aspectului proiectării RF PCB sunt linia microstrip, linia de bandă plutitoare, ghidul de undă coplanar sau împământarea. Linia microstrip constă dintr -o lungime fixă ​​de metal sau urme și întregul plan de sol sau o parte a planului de sol direct sub el. Impedanța caracteristică în structura generală a liniei microstrip variază de la 50Ω la 75Ω.

Linia plutitoare este o altă metodă de cablare și suprimare a zgomotului. Această linie constă din cabluri cu lățime fixă ​​pe stratul interior și un plan mare de la sol deasupra și sub conductorul central. Planul de la sol este întrerupt între planul de putere, astfel încât poate oferi un efect de împământare foarte eficient. Aceasta este metoda preferată pentru cablarea semnalului PCB RF purtabil.

Ghidul de undă Coplanar poate oferi o izolare mai bună în apropierea circuitului RF și a circuitului care trebuie să fie dirijat mai aproape. Acest mediu este format dintr -un conductor central și avioane la sol de pe ambele părți sau mai jos. Cel mai bun mod de a transmite semnale de frecvență radio este suspendarea liniilor de bandă sau a ghidurilor de undă Coplanar. Aceste două metode pot oferi o mai bună izolare între semnalul și urmele RF.

Este recomandat să utilizați așa-numitul „Via gard” pe ambele părți ale ghidului de undă Coplanar. Această metodă poate oferi un rând de vias la sol pe fiecare plan de sol metalic al conductorului central. Urmele principale care rulează în mijloc are garduri pe fiecare parte, oferind astfel o scurtătură pentru curentul de întoarcere la solul de mai jos. Această metodă poate reduce nivelul de zgomot asociat cu efectul ridicat de ondulare al semnalului RF. Constanta dielectrică de 4,5 rămâne aceeași cu materialul FR4 al prepregului, în timp ce constanta dielectrică a prepreg - de la microstrip, linie de bandă sau linie de bandă compensată - este de aproximativ 3,8 până la 3,9.

În unele dispozitive care folosesc un plan la sol, VIA -urile orbe pot fi utilizate pentru a îmbunătăți performanța de decuplare a condensatorului de putere și pentru a oferi o cale de șunt de la dispozitiv la sol. Calea de șunt către sol poate scurta lungimea VIA. Acest lucru poate atinge două scopuri: nu numai că creați un șunt sau un teren, ci și reduceți distanța de transmisie a dispozitivelor cu zone mici, ceea ce este un factor important de proiectare RF.