Kvôli malej veľkosti a veľkosti neexistujú takmer žiadne existujúce štandardy dosky s tlačenými obvodmi pre rastúci nositeľný trh internetu vecí. Predtým, ako tieto normy vyšli, museli sme sa spoliehať na vedomosti a výrobné skúsenosti získané vo vývoji na úrovni správnej rady a premýšľať o tom, ako ich aplikovať na jedinečné vznikajúce výzvy. Existujú tri oblasti, ktoré si vyžadujú našu osobitnú pozornosť. Sú to: povrchové materiály na doske obvodu, konštrukcia RF/mikrovlnná rúra a prenosové vedenia RF.
Materiál PCB
„PCB“ sa vo všeobecnosti pozostáva z laminátov, ktoré môžu byť vyrobené z epoxidu vystuženého z vlákien (FR4), polyimidových alebo rogerových materiálov alebo iných laminátových materiálov. Izolačný materiál medzi rôznymi vrstvami sa nazýva predpreg.
Nositeľné zariadenia vyžadujú vysokú spoľahlivosť, takže keď sa návrhári PCB stretávajú s výberom použitia FR4 (nákladovo najefektívnejší výrobný materiál PCB) alebo pokročilejšie a drahšie materiály, stane sa to problém.
Ak nositeľné aplikácie DPS vyžadujú vysokorýchlostné, vysokofrekvenčné materiály, FR4 nemusí byť najlepšou voľbou. Dielektrická konštanta (DK) FR4 je 4,5, dielektrická konštanta pokročilejšieho materiálu Rogers 4003 je 3,55 a dielektrická konštanta Brother Series Rogers 4350 je 3,66.
„Dielektrická konštanta laminátu sa vzťahuje na pomer kapacity alebo energie medzi párom vodičov v blízkosti laminátu k kapacitácii alebo energii medzi párom vodičov vo vákuu. Pri vysokých frekvenciách je najlepšie mať malú stratu.
Za normálnych okolností sa počet vrstiev DPS pre nositeľné zariadenia pohybuje od 4 do 8 vrstiev. Princíp konštrukcie vrstvy je, že ak ide o 8-vrstvové DPS, mal by byť schopný poskytnúť dostatok pozemných a výkonových vrstiev a sendvičovať vrstvu zapojenia. Týmto spôsobom sa môže zvlnený efekt v Crosstalk udržiavať na minimálnom a elektromagnetickom interferencii (EMI) môže byť významne znížený.
Vo fáze návrhu rozloženia obvodov je plán rozloženia vo všeobecnosti umiestniť veľkú prízemnú vrstvu v blízkosti vrstvy distribúcie energie. Môže to tvoriť veľmi nízky efekt zvlnenia a šum systému sa môže tiež znížiť na takmer nula. Toto je obzvlášť dôležité pre rádifrekvenčný subsystém.
V porovnaní s materiálom Rogers má FR4 vyšší disipačný faktor (DF), najmä pri vysokej frekvencii. Pri vyššom výkone laminátov FR4 je hodnota DF asi 0,002, čo je rádovo lepšie ako obyčajné FR4. Rogersov zásobník je však iba 0,001 alebo menej. Ak sa materiál FR4 použije na vysokofrekvenčné aplikácie, dôjde k významnému rozdielu v strate inzercie. Strata vloženia je definovaná ako strata výkonu signálu z bodu A do bodu B pri použití FR4, Rogers alebo iných materiálov.
vytvárať problémy
Nositeľné DPS vyžaduje prísnejšie kontrolu impedancie. Toto je dôležitý faktor pre nositeľné zariadenia. Zodpovedanie impedancie môže spôsobiť čistejší prenos signálu. Skôr bola štandardná tolerancia pre stopy prenášania signálu ± 10%. Tento ukazovateľ zjavne nie je dosť dobrý pre dnešné vysokorýchlostné a vysokorýchlostné obvody. Súčasná požiadavka je ± 7% av niektorých prípadoch dokonca ± 5% alebo menej. Tento parameter a ďalšie premenné budú vážne ovplyvniť výrobu týchto nositeľných PCB s obzvlášť prísnou kontrolou impedancie, čím obmedzuje počet podnikov, ktoré ich môžu vyrábať.
Dielektrická konštantná tolerancia laminátu vyrobeného z materiálov UHF Rogers sa všeobecne udržiava na ± 2%a niektoré produkty môžu dokonca dosiahnuť ± 1%. Naopak, dielektrická konštantná tolerancia laminátu FR4 je až 10%. Preto porovnajte tieto dva materiály, že Rogersova strata vkladania je obzvlášť nízka. V porovnaní s tradičnými materiálmi FR4 sú strata prenosu a strata vloženia v zásobníku Rogers o polovicu nižšie.
Vo väčšine prípadov sú náklady najdôležitejšie. Rogers však môžu poskytnúť relatívne nízkofrekvenčnú výkonnosť laminátu za prijateľnú cenu. Pre komerčné aplikácie môžu byť Rogers vyrobené do hybridného DPS s FR4 na báze epoxidu, z ktorých niektoré používajú materiál Rogers a iné vrstvy používajú FR4.
Pri výbere zásobníka Rogers je primárnym faktorom frekvencia. Keď frekvencia presahuje 500 MHz, návrhári 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 zabezpečiť nižšiu dielektrickú stratu a jej dielektrická konštanta je stabilná v širokom frekvenčnom rozsahu. Okrem toho materiál spoločnosti Rogers môže poskytnúť ideálny výkon s nízkou stratou vloženia požadovanej vysokofrekvenčnou prevádzkou.
Koeficient tepelnej expanzie (CTE) materiálov série Rogers 4000 má vynikajúcu rozmerovú stabilitu. To znamená, že v porovnaní s FR4, keď sa DPS podlieha chladným, horúcim a veľmi horúcim cyklom spájkovania, sa tepelná expanzia a kontrakcia dosky obvodu môže udržiavať pri stabilnom limite pri cykloch vyššej frekvencie a vyššej teploty.
V prípade zmiešaného stohovania je ľahké použiť bežnú technológiu výrobného procesu na zmiešanie Rogers a vysoko výkonný FR4 spolu, takže je relatívne ľahké dosiahnuť vysoký výrobný výnos. Rogers Stack nevyžaduje špeciálny proces prípravy.
Bežná FR4 nemôže dosiahnuť veľmi spoľahlivý elektrický výkon, ale vysoko výkonné materiály FR4 majú dobré charakteristiky spoľahlivosti, ako napríklad vyššie TG, stále relatívne nízke náklady a môžu sa použiť v širokej škále aplikácií, od jednoduchého zvukového návrhu po zložité mikrovlnné aplikácie.
Úvahy o návrhu RF/mikrovlnnej rúry
Prenosná technológia a Bluetooth vydláždili cestu pre RF/mikrovlnné aplikácie v nositeľných zariadeniach. Dnešný frekvenčný rozsah sa stáva čoraz dynamickejším. Pred niekoľkými rokmi bola veľmi vysoká frekvencia (VHF) definovaná ako 2GHz ~ 3GHz. Teraz však vidíme aplikácie ultra vysokých frekvencií (UHF) v rozmedzí od 10 GHz do 25 GHz.
Preto pre nositeľnú dosku DPS vyžaduje RF časť viac pozornosti na problémy s zapojením a signály by sa mali oddeliť osobitne a stopy, ktoré generujú vysokofrekvenčné signály, by sa mali udržiavať ďalej od zeme. Medzi ďalšie úvahy patrí: poskytnutie obtokového filtra, primerané oddeľovacie kondenzátory, uzemnenie a navrhovanie prenosovej linky a návratovej čiary, aby boli takmer rovnaké.
Obtokový filter môže potlačiť zvlnenie účinku obsahu šumu a presluch. Oddeľovacie kondenzátory musia byť umiestnené bližšie k kolíkom zariadenia, ktoré majú napájacie signály.
Vysokorýchlostné prenosové vedenia a signálne obvody vyžadujú umiestnenie pozemnej vrstvy medzi signálmi výkonovej vrstvy, aby sa vyhladil jitter generovaný šumovými signálmi. Pri vyšších rýchlostiach signálu spôsobia malé nezhody impedancie nevyvážené prenos a príjem signálov, čo vedie k skresleniu. Preto sa musí osobitná pozornosť venovať problému porovnávania impedancie súvisiaceho s rádifrekvenčným signálom, pretože rádiový frekvenčný signál má vysokú rýchlosť a špeciálnu toleranciu.
RF prenosové vedenia vyžadujú kontrolovanú impedanciu, aby sa vysielali RF signály zo špecifického substrátu IC do DPS. Tieto prenosové vedenia môžu byť implementované na vonkajšej vrstve, hornej vrstve a spodnej vrstve alebo môžu byť navrhnuté v strednej vrstve.
Metódy použité počas rozloženia návrhu PCB RF sú linka mikrostrip, linka plávajúceho pásu, koplanurový vlnovod alebo uzemnenie. Linka mikrostrip pozostáva z pevnej dĺžky kovu alebo stopy a celej pozemnej roviny alebo časti pozemnej roviny priamo pod ňou. Charakteristická impedancia vo všeobecnej štruktúre linky Microstrip sa pohybuje od 50Ω do 75Ω.
Floating Stripline je ďalšou metódou zapojenia a potlačenia hluku. Táto čiara pozostáva z zapojenia s pevnou šírkou na vnútornej vrstve a veľkej pozemnej roviny nad a pod stredovým vodičom. Vlastná rovina je vložená medzi rovinu energie, takže môže poskytnúť veľmi efektívny uzemňovací účinok. Toto je preferovaná metóda pre nositeľné zapojenie signálu PCB RF.
Koplanarový vlnovod môže poskytnúť lepšiu izoláciu v blízkosti RF obvodu a obvodu, ktorý je potrebné smerovať bližšie. Toto médium pozostáva z centrálneho vodiča a pozemných lietadiel na oboch stranách alebo pod. Najlepším spôsobom prenosu rádiových frekvenčných signálov je zavesenie prúžkových čiar alebo koplanarových vlnovodov. Tieto dve metódy môžu poskytnúť lepšiu izoláciu medzi stopami signálu a RF.
Odporúča sa používať takzvané „cez plot“ na oboch stranách koplanarového vlnovodu. Táto metóda môže poskytnúť rad mletých viaz na každú kovovú mletú rovinu stredového vodiča. Hlavná stopa, ktorá beží v strede, má na každej strane ploty, čím poskytuje skratku pre spiatočný prúd do zeme nižšie. Táto metóda môže znížiť hladinu hluku spojenú s vysokým zvlnením RF signálu. Dielektrická konštanta 4,5 zostáva rovnaká ako materiál FR4 predpreg, zatiaľ čo dielektrická konštanta predpreg - od mikropáska, pásovej línie alebo ofsetovej striptíny - je asi 3,8 až 3,9.
V niektorých zariadeniach, ktoré používajú pozemnú rovinu, sa môžu slepé priechodky použiť na zlepšenie oddeľovacieho výkonu výkonového kondenzátora a na poskytnutie skratovej cesty zo zariadenia po zem. Pohybná cesta k zemi môže skrátiť dĺžku VIA. To môže dosiahnuť dva účely: Nielenže vytvárate skrat alebo zem, ale tiež znižujete prenosovú vzdialenosť zariadení s malými oblasťami, čo je dôležitým faktorom RF.