Vzhľadom na malú veľkosť a veľkosť neexistujú takmer žiadne existujúce štandardy dosiek plošných spojov pre rastúci trh nositeľných IoT. Pred vydaním týchto noriem sme sa museli spoliehať na znalosti a výrobné skúsenosti získané pri vývoji na úrovni dosiek a premýšľať o tom, ako ich aplikovať na jedinečné vznikajúce výzvy. Existujú tri oblasti, ktoré si vyžadujú našu osobitnú pozornosť. Sú to: povrchové materiály dosiek plošných spojov, RF/mikrovlnný dizajn a RF prenosové vedenia.

Materiál PCB

„PCB“ vo všeobecnosti pozostáva z laminátov, ktoré môžu byť vyrobené z vláknami vystuženého epoxidu (FR4), polyimidu alebo materiálov Rogers alebo iných laminátových materiálov. Izolačný materiál medzi rôznymi vrstvami sa nazýva predimpregnovaný laminát.

nositeľné zariadenia vyžadujú vysokú spoľahlivosť, takže keď dizajnéri PCB stoja pred voľbou použiť FR4 (cenovo najefektívnejší materiál na výrobu PCB) alebo pokročilejšie a drahšie materiály, stane sa to problémom.

Ak nositeľné aplikácie PCB vyžadujú vysokorýchlostné a vysokofrekvenčné materiály, FR4 nemusí byť tou najlepšou voľbou. Dielektrická konštanta (Dk) FR4 je 4,5, dielektrická konštanta pokročilejšieho materiálu série Rogers 4003 je 3,55 a dielektrická konštanta bratskej série Rogers 4350 je 3,66.

„Dielektrická konštanta laminátu sa týka pomeru kapacity alebo energie medzi párom vodičov v blízkosti laminátu ku kapacite alebo energii medzi párom vodičov vo vákuu. Pri vysokých frekvenciách je najlepšie mať malú stratu. Preto je Roger 4350 s dielektrickou konštantou 3,66 vhodnejší pre aplikácie s vyššou frekvenciou ako FR4 s dielektrickou konštantou 4,5.

Za normálnych okolností sa počet vrstiev PCB pre nositeľné zariadenia pohybuje od 4 do 8 vrstiev. Princíp konštrukcie vrstiev spočíva v tom, že ak ide o 8-vrstvovú dosku plošných spojov, mala by byť schopná poskytnúť dostatok zemnej a napájacej vrstvy a sendvičovú vrstvu zapojenia. Týmto spôsobom je možné udržať vlnový efekt v presluchoch na minime a výrazne znížiť elektromagnetické rušenie (EMI).

Vo fáze návrhu rozloženia dosky plošných spojov je plán rozloženia vo všeobecnosti umiestniť veľkú zemnú vrstvu blízko vrstvy distribúcie energie. To môže vytvoriť veľmi nízky vlnový efekt a hluk systému môže byť tiež znížený takmer na nulu. Toto je obzvlášť dôležité pre vysokofrekvenčný subsystém.

V porovnaní s materiálom Rogers má FR4 vyšší rozptylový faktor (Df), najmä pri vysokej frekvencii. Pre lamináty FR4 s vyšším výkonom je hodnota Df približne 0,002, čo je rádovo lepšie ako bežné FR4. Rogersov stack je však iba 0,001 alebo menej. Keď sa materiál FR4 použije pre vysokofrekvenčné aplikácie, dôjde k výraznému rozdielu vo vložnom útlme. Vložená strata je definovaná ako strata výkonu signálu z bodu A do bodu B pri použití FR4, Rogers alebo iných materiálov.

vytvárať problémy

Nositeľné PCB vyžaduje prísnejšiu kontrolu impedancie. Toto je dôležitý faktor pre nositeľné zariadenia. Impedančné prispôsobenie môže produkovať čistejší prenos signálu. Predtým bola štandardná tolerancia pre stopy prenášajúce signál ±10 %. Tento indikátor zjavne nestačí na dnešné vysokofrekvenčné a vysokorýchlostné obvody. Aktuálna požiadavka je ± 7 % av niektorých prípadoch dokonca ± 5 % alebo menej. Tento parameter a ďalšie premenné vážne ovplyvnia výrobu týchto nositeľných dosiek plošných spojov s obzvlášť prísnou kontrolou impedancie, čím sa obmedzí počet podnikov, ktoré ich môžu vyrábať.

Tolerancia dielektrickej konštanty laminátu vyrobeného z materiálov Rogers UHF sa vo všeobecnosti udržiava na ±2% a niektoré produkty môžu dokonca dosiahnuť ±1%. Naproti tomu tolerancia dielektrickej konštanty laminátu FR4 je až 10 %. Preto porovnajte Tieto dva materiály možno zistiť, že Rogersova vložná strata je obzvlášť nízka. V porovnaní s tradičnými materiálmi FR4 sú prenosové straty a vložné straty Rogersovho zásobníka o polovicu nižšie.

Vo väčšine prípadov je najdôležitejšia cena. Rogers však môže poskytnúť výkon vysokofrekvenčného laminátu s relatívne nízkou stratou za prijateľnú cenu. Pre komerčné aplikácie môže byť Rogers vyrobený do hybridnej PCB s FR4 na báze epoxidu, pričom niektoré vrstvy používajú materiál Rogers a iné vrstvy používajú FR4.

Pri výbere Rogersovho zásobníka je primárnym hľadiskom frekvencia. Keď frekvencia presiahne 500 MHz, dizajnéri PCB majú tendenciu vyberať materiály Rogers, najmä pre RF/mikrovlnné obvody, pretože tieto materiály môžu poskytnúť vyšší výkon, keď sú horné stopy prísne kontrolované impedanciou.

V porovnaní s materiálom FR4 môže materiál Rogers tiež poskytnúť nižšie dielektrické straty a jeho dielektrická konštanta je stabilná v širokom frekvenčnom rozsahu. Okrem toho môže materiál Rogers poskytnúť ideálny výkon s nízkou vložnou stratou, ktorý si vyžaduje vysokofrekvenčná prevádzka.

Koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) materiálov Rogers série 4000 má vynikajúcu rozmerovú stálosť. To znamená, že v porovnaní s FR4, keď PCB prechádza studeným, horúcim a veľmi horúcim pretavením spájkovacích cyklov, tepelná expanzia a kontrakcia dosky plošných spojov môže byť udržiavaná na stabilnej hranici pri vyšších frekvenciách a vyšších teplotných cykloch.

V prípade zmiešaného stohovania je ľahké použiť spoločnú technológiu výrobného procesu na zmiešanie Rogersa a vysokovýkonného FR4, takže je relatívne ľahké dosiahnuť vysoký výrobný výnos. Stoh Rogers nevyžaduje špeciálny proces prípravy.

Bežný FR4 nemôže dosiahnuť veľmi spoľahlivý elektrický výkon, ale vysokovýkonné materiály FR4 majú dobré charakteristiky spoľahlivosti, ako je vyššia Tg, stále relatívne nízka cena a možno ich použiť v širokej škále aplikácií, od jednoduchého zvukového dizajnu až po zložité mikrovlnné aplikácie. .

Úvahy o RF/mikrovlnnom dizajne

Prenosná technológia a Bluetooth vydláždili cestu pre RF/mikrovlnné aplikácie v nositeľných zariadeniach. Dnešný frekvenčný rozsah je čoraz dynamickejší. Pred niekoľkými rokmi bola veľmi vysoká frekvencia (VHF) definovaná ako 2GHz~3GHz. Teraz však môžeme vidieť aplikácie s ultravysokou frekvenciou (UHF) v rozsahu od 10 GHz do 25 GHz.

V prípade nositeľnej dosky plošných spojov si preto RF časť vyžaduje väčšiu pozornosť pri problémoch s elektroinštaláciou a signály by mali byť oddelené oddelene a stopy, ktoré generujú vysokofrekvenčné signály, by sa mali držať ďalej od zeme. Ďalšie úvahy zahŕňajú: zabezpečenie obtokového filtra, primerané oddeľovacie kondenzátory, uzemnenie a navrhnutie prenosového vedenia a spätného vedenia tak, aby boli takmer rovnaké.

Bypass filter môže potlačiť vlnový efekt obsahu šumu a presluchov. Oddeľovacie kondenzátory je potrebné umiestniť bližšie k kolíkom zariadenia, ktoré prenášajú napájacie signály.

Vysokorýchlostné prenosové linky a signálové obvody vyžadujú, aby bola medzi signály výkonovej vrstvy umiestnená uzemňovacia vrstva, aby sa vyhladil jitter generovaný šumovými signálmi. Pri vyšších rýchlostiach signálu spôsobia malé impedančné nesúlady nevyvážený prenos a príjem signálov, čo má za následok skreslenie. Preto je potrebné venovať osobitnú pozornosť problému impedančného prispôsobenia súvisiacemu s rádiofrekvenčným signálom, pretože rádiofrekvenčný signál má vysokú rýchlosť a špeciálnu toleranciu.

RF prenosové linky vyžadujú riadenú impedanciu na prenos RF signálov zo špecifického IC substrátu do PCB. Tieto prenosové vedenia môžu byť implementované na vonkajšej vrstve, hornej vrstve a spodnej vrstve alebo môžu byť navrhnuté v strednej vrstve.

Metódy používané pri návrhu návrhu PCB RF sú mikropáskové vedenie, plávajúce pásové vedenie, koplanárny vlnovod alebo uzemnenie. Mikropáskové vedenie pozostáva z pevnej dĺžky kovu alebo stôp a celej základnej roviny alebo časti základnej roviny priamo pod ňou. Charakteristická impedancia vo všeobecnej štruktúre mikropáskového vedenia sa pohybuje od 50 Ω do 75 Ω.

Plávajúce páskové vedenie je ďalšou metódou zapojenia a potlačenia hluku. Toto vedenie pozostáva z vedenia s pevnou šírkou na vnútornej vrstve a veľkej uzemňovacej roviny nad a pod stredovým vodičom. Zemná rovina je vložená medzi napájaciu rovinu, takže môže poskytnúť veľmi účinný uzemňovací efekt. Toto je preferovaná metóda pre prenosné PCB RF signálové vedenie.

Koplanárny vlnovod môže poskytnúť lepšiu izoláciu v blízkosti obvodu RF a obvodu, ktorý je potrebné nasmerovať bližšie. Toto médium pozostáva z centrálneho vodiča a uzemňovacích plôch na oboch stranách alebo pod nimi. Najlepším spôsobom prenosu rádiofrekvenčných signálov je zavesenie pásových vedení alebo koplanárnych vlnovodov. Tieto dve metódy môžu poskytnúť lepšiu izoláciu medzi signálom a RF stopami.

Na oboch stranách koplanárneho vlnovodu sa odporúča použiť tzv. Táto metóda môže poskytnúť rad uzemňovacích priechodov na každej kovovej uzemňovacej rovine stredového vodiča. Hlavná trasa prebiehajúca v strede má na každej strane ploty, čím poskytuje skratku pre spätný prúd do zeme pod ňou. Táto metóda môže znížiť hladinu šumu spojenú s efektom vysokého zvlnenia RF signálu. Dielektrická konštanta 4,5 zostáva rovnaká ako u materiálu FR4 predimpregnovaného laminátu, zatiaľ čo dielektrická konštanta predimpregnovaného laminátu – z mikropáskového, páskového alebo ofsetového pásika – je približne 3,8 až 3,9.

V niektorých zariadeniach, ktoré používajú uzemňovaciu rovinu, sa môžu použiť slepé priechody na zlepšenie oddeľovacieho výkonu výkonového kondenzátora a poskytnutie bočnej cesty od zariadenia k zemi. Dráha skratu k zemi môže skrátiť dĺžku priechodu. To môže dosiahnuť dva účely: nielen vytvoríte skrat alebo uzemnenie, ale tiež znížite prenosovú vzdialenosť zariadení s malými plochami, čo je dôležitý faktor RF dizajnu.