Datorită dimensiunii și dimensiunilor mici, aproape că nu există standarde existente pentru plăcile de circuite imprimate pentru piața în creștere IoT a purtabilelor. Înainte de apariția acestor standarde, a trebuit să ne bazăm pe cunoștințele și pe experiența de fabricație dobândită în dezvoltarea la nivel de consiliu și să ne gândim cum să le aplicăm provocărilor emergente unice. Există trei domenii care necesită o atenție specială. Acestea sunt: ​​materialele suprafeței plăcii de circuite, designul RF/micunde și liniile de transmisie RF.

material PCB

„PCB” constă în general din laminate, care pot fi realizate din epoxid ranforsat cu fibre (FR4), poliimidă sau materiale Rogers sau alte materiale laminate. Materialul izolator dintre diferitele straturi se numește preimpregnat.

dispozitivele purtabile necesită o fiabilitate ridicată, așa că atunci când proiectanții de PCB se confruntă cu alegerea de a utiliza FR4 (cel mai rentabil material de fabricare a PCB-ului) sau materiale mai avansate și mai scumpe, aceasta va deveni o problemă.

Dacă aplicațiile PCB portabile 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 3,55, iar constanta dielectrică a seriei frate Rogers 4350 este 3,66.

„Constanta dielectrică a unui laminat se referă la raportul dintre capacitatea sau energia dintre o pereche de conductori din apropierea laminatului și capacitatea sau energia dintre perechea de conductori în vid. La frecvențe înalte, cel mai bine este să aveți o mică pierdere. Prin urmare, Roger 4350 cu o constantă dielectrică de 3,66 este mai potrivit pentru aplicații cu frecvență mai mare decât FR4 cu o constantă dielectrică de 4,5.

În circumstanțe normale, numărul de straturi PCB pentru dispozitivele portabile variază de la 4 la 8 straturi. Principiul construcției stratului este că, dacă este un PCB cu 8 straturi, acesta ar trebui să poată furniza suficiente straturi de masă și putere și să facă sandwich stratul de cablare. În acest fel, efectul de ondulare în diafonie poate fi menținut la un nivel minim și interferențele electromagnetice (EMI) pot fi reduse semnificativ.

În faza de proiectare a plăcii de circuite, planul de amenajare este, în general, să plaseze un strat mare de pământ aproape de stratul de distribuție a energiei. Acest lucru poate forma un efect de ondulare foarte scăzut, iar zgomotul sistemului poate fi, de asemenea, redus la aproape zero. Acest lucru este deosebit de important pentru subsistemul de frecvență radio.

În comparație cu materialul Rogers, FR4 are un factor de disipare (Df) mai mare, în special la frecvență înaltă. Pentru laminate FR4 cu performanță mai mare, valoarea Df este de aproximativ 0,002, ceea ce este cu un ordin de mărime mai bun decât FR4 obișnuit. Cu toate acestea, stack-ul 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 prin 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.

crea probleme

PCB purtabil necesită un control mai strict al impedanței. Acesta este un factor important pentru dispozitivele portabile. Potrivirea impedanței poate produce o transmisie mai curată a semnalului. Anterior, toleranța standard pentru urmele purtătoare de semnal 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 de ±5% sau mai puțin. Acest parametru și alte variabile vor afecta serios fabricarea acestor PCB-uri purtabile cu un control deosebit de strict al impedanței, limitând astfel numărul de întreprinderi care le pot produce.

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

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

Atunci când alegeți o stivă Rogers, frecvența este principalul aspect. Când frecvența depășește 500 MHz, designerii de PCB tind să aleagă materiale Rogers, în special pentru circuitele RF/micunde, 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 oferi, de asemenea, pierderi dielectrice mai mici, iar constanta sa dielectrică este stabilă într-un interval larg de frecvență. În plus, materialul Rogers poate oferi performanța ideală de pierdere de inserție scăzută, cerută de operarea la frecvență înaltă.

Coeficientul de dilatare termică (CTE) al materialelor din seria Rogers 4000 are o stabilitate dimensională excelentă. Aceasta înseamnă că, în comparație cu FR4, atunci când PCB-ul suferă cicluri de lipire la rece, fierbinte și foarte fierbinte, expansiunea termică și contracția plăcii de circuite pot fi menținute la o limită stabilă sub cicluri de frecvență mai mare și temperaturi mai ridicate.

În cazul stivuirii mixte, este ușor să utilizați tehnologia obișnuită a procesului de fabricație pentru a amesteca Rogers și FR4 de înaltă performanță împreună, astfel încât este relativ ușor să obțineți un randament ridicat de producție. Stiva Rogers nu necesită un proces special de pregătire prin intermediul.

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

Considerații de proiectare RF/microunde

Tehnologia portabilă și Bluetooth au deschis calea pentru aplicații RF/micunde în dispozitivele portabile. Gama de frecvențe de astăzi devine din ce în ce mai dinamică. Cu câțiva ani în urmă, frecvența foarte înaltă (VHF) a fost definită ca 2GHz~3GHz. Dar acum putem vedea aplicații de ultra-înaltă frecvență (UHF) care variază de la 10GHz la 25GHz.

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

Filtrul bypass poate suprima efectul de ondulare al conținutului de zgomot și al diafoniei. Condensatorii de decuplare trebuie plasați mai aproape de pinii dispozitivului care transportă semnale de alimentare.

Liniile de transmisie de mare viteză și circuitele de semnal necesită plasarea unui strat de masă între semnalele stratului de putere pentru a netezi fluctuația generată de semnalele de zgomot. La viteze mai mari ale semnalului, nepotrivirile mici ale impedanței vor cauza transmisia și recepția dezechilibrate a semnalelor, ducând la distorsiuni. Prin urmare, trebuie acordată o atenție deosebită problemei de potrivire a impedanței legate de semnalul de radiofrecvență, deoarece semnalul de radiofrecvență are o viteză mare și o toleranță specială.

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

Metodele utilizate în timpul proiectării PCB RF 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 masă sau o parte a planului de masă direct sub acesta. Impedanța caracteristică în structura generală a liniei microstrip variază de la 50Ω la 75Ω.

Linia de bandă plutitoare este o altă metodă de cablare și suprimare a zgomotului. Această linie constă dintr-un cablu cu lățime fixă ​​pe stratul interior și un plan mare de masă deasupra și sub conductorul central. Planul de masă este intercalat între planul de putere, astfel încât poate oferi un efect de împământare foarte eficient. Aceasta este metoda preferată pentru cablarea semnalului RF PCB purtabilă.

Ghidul de undă coplanar poate oferi o mai bună izolare în apropierea circuitului RF și a circuitului care trebuie direcționat mai aproape. Acest mediu constă dintr-un conductor central și planuri de masă pe ambele părți sau dedesubt. Cel mai bun mod de a transmite semnale de frecvență radio este suspendarea liniilor de bandă sau a ghidurilor de undă coplanare. Aceste două metode pot oferi o mai bună izolare între semnal și urmele RF.

Se recomandă utilizarea așa-numitului „gard prin intermediul” pe ambele părți ale ghidului de undă coplanar. Această metodă poate furniza un rând de căi de împământare pe fiecare plan de masă metalic al conductorului central. Urma principală care rulează în mijloc are garduri pe fiecare parte, oferind astfel o scurtătură pentru curentul de întoarcere la pământ de dedesubt. Această metodă poate reduce nivelul de zgomot asociat cu efectul de ondulare ridicat al semnalului RF. Constanta dielectrică de 4,5 rămâne aceeași cu materialul FR4 al preimpregnatului, în timp ce constanta dielectrică a preimpregnatului - de la microstrip, stripline sau offset stripline - este de aproximativ 3,8 până la 3,9.

În unele dispozitive care utilizează un plan de masă, pot fi utilizate conducte oarbe 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 drumului. Acest lucru poate atinge două scopuri: nu numai că creați un șunt sau o masă, ci și reduceți distanța de transmisie a dispozitivelor cu suprafețe mici, ceea ce este un factor important de proiectare RF.