Zaradi majhnosti in velikosti skoraj ni obstoječih standardov za tiskana vezja za rastoči trg nosljivih IoT. Preden so ti standardi izšli, smo se morali zanašati na znanje in proizvodne izkušnje, pridobljene pri razvoju na ravni plošče, in razmišljati o tem, kako jih uporabiti za edinstvene nastajajoče izzive. Obstajajo tri področja, ki zahtevajo našo posebno pozornost. To so: površinski materiali tiskanega vezja, RF/mikrovalovna zasnova in RF prenosni vodi.

PCB material

»PCB« je na splošno sestavljen iz laminatov, ki so lahko izdelani iz epoksida (FR4), ojačanega z vlakni, poliimida ali materialov Rogers ali drugih laminatnih materialov. Izolacijski material med različnimi plastmi se imenuje prepreg.

Nosljive naprave zahtevajo visoko zanesljivost, zato bo to problem, ko bodo oblikovalci PCB soočeni z izbiro uporabe FR4 (stroškovno najbolj učinkovit material za izdelavo PCB) ali naprednejših in dražjih materialov.

Če nosljive PCB aplikacije zahtevajo visokohitrostne in visokofrekvenčne materiale, FR4 morda ni najboljša izbira. Dielektrična konstanta (Dk) FR4 je 4,5, dielektrična konstanta naprednejšega materiala serije Rogers 4003 je 3,55, dielektrična konstanta bratske serije Rogers 4350 pa 3,66.

»Dielektrična konstanta laminata se nanaša na razmerje med kapacitivnostjo ali energijo med parom prevodnikov v bližini laminata in kapacitivnostjo ali energijo med parom prevodnikov v vakuumu. Pri visokih frekvencah je najbolje imeti majhno izgubo. Zato je Roger 4350 z dielektrično konstanto 3,66 bolj primeren za aplikacije z višjimi frekvencami kot FR4 z dielektrično konstanto 4,5.

V normalnih okoliščinah se število plasti PCB za nosljive naprave giblje od 4 do 8 plasti. Načelo konstrukcije sloja je, da če gre za 8-slojno tiskano vezje, mora biti sposobno zagotoviti dovolj ozemljitvenih in napajalnih slojev ter spojiti sloj ožičenja. Na ta način se lahko učinek valovanja pri preslušavanju čim bolj zmanjša in elektromagnetne motnje (EMI) se znatno zmanjšajo.

V fazi načrtovanja postavitve tiskanega vezja načrt postavitve na splošno predvideva postavitev velike ozemljitvene plasti blizu plasti za distribucijo električne energije. To lahko povzroči zelo nizek učinek valovanja, sistemski hrup pa se lahko zmanjša skoraj na nič. To je še posebej pomembno za radiofrekvenčni podsistem.

V primerjavi z materialom Rogers ima FR4 višji faktor disipacije (Df), zlasti pri visoki frekvenci. Za bolj zmogljive laminate FR4 je vrednost Df približno 0,002, kar je za red velikosti boljše od navadnega FR4. Vendar je Rogersov sklad le 0,001 ali manj. Ko se material FR4 uporablja za visokofrekvenčne aplikacije, bo prišlo do znatne razlike v vneseni izgubi. Vstavljena izguba je opredeljena kot izguba moči signala od točke A do točke B pri uporabi FR4, Rogers ali drugih materialov.

ustvarjajo težave

Nosljivo PCB zahteva strožji nadzor impedance. To je pomemben dejavnik za nosljive naprave. Ujemanje impedance lahko povzroči čistejši prenos signala. Prej je bila standardna toleranca za signalne sledi ±10 %. Ta indikator očitno ni dovolj dober za današnja visokofrekvenčna in hitra vezja. Trenutna zahteva je ±7 %, v nekaterih primerih celo ±5 % ali manj. Ta parameter in druge spremenljivke bodo resno vplivale na proizvodnjo teh nosljivih PCB-jev s posebej strogim nadzorom impedance in s tem omejile število podjetij, ki jih lahko proizvajajo.

Toleranca dielektrične konstante laminata iz materialov Rogers UHF se na splošno vzdržuje pri ±2%, nekateri izdelki pa lahko dosežejo celo ±1%. Nasprotno pa je toleranca dielektrične konstante laminata FR4 kar 10 %. Zato lahko primerjate ta dva materiala, da je Rogersova vstavljena izguba še posebej nizka. V primerjavi s tradicionalnimi materiali FR4 so izgube pri prenosu in vstavljene izgube sklada Rogers za polovico nižje.

V večini primerov so stroški najpomembnejši. Vendar pa lahko Rogers zagotovi zmogljivost visokofrekvenčnega laminata z relativno nizkimi izgubami po sprejemljivi ceni. Za komercialne aplikacije je Rogers mogoče izdelati v hibridno tiskano vezje s FR4 na osnovi epoksida, pri čemer nekatere plasti uporabljajo material Rogers, druge plasti pa uporabljajo FR4.

Pri izbiri sklada Rogers je pogostost glavni dejavnik. Ko frekvenca preseže 500 MHz, oblikovalci tiskanih vezij običajno izberejo Rogersove materiale, zlasti za RF/mikrovalovna vezja, ker lahko ti materiali zagotovijo večjo zmogljivost, ko so zgornje sledi strogo nadzorovane z impedanco.

V primerjavi z materialom FR4 lahko material Rogers zagotavlja tudi nižje dielektrične izgube, njegova dielektrična konstanta pa je stabilna v širokem frekvenčnem območju. Poleg tega lahko material Rogers zagotovi idealno zmogljivost z nizko vneseno izgubo, ki jo zahteva visokofrekvenčno delovanje.

Koeficient toplotnega raztezanja (CTE) materialov serije Rogers 4000 ima odlično dimenzijsko stabilnost. To pomeni, da se lahko v primerjavi s FR4, ko je tiskano vezje podvrženo ciklom spajkanja pri hladnem, vročem in zelo vročem spajkanju, toplotno raztezanje in krčenje vezja vzdržuje na stabilni meji pri ciklih višje frekvence in višje temperature.

V primeru mešanega zlaganja je enostavno uporabiti tehnologijo običajnega proizvodnega procesa za mešanje Rogersa in visoko zmogljivega FR4, tako da je razmeroma enostavno doseči visok proizvodni izkoristek. Rogersov sklad ne zahteva posebnega postopka priprave.

Običajni FR4 ne more doseči zelo zanesljive električne zmogljivosti, vendar imajo visoko zmogljivi materiali FR4 dobre lastnosti zanesljivosti, kot je višja Tg, še vedno razmeroma nizke stroške in jih je mogoče uporabiti v številnih aplikacijah, od enostavne zasnove zvoka do zapletenih mikrovalovnih aplikacij .

RF/mikrovalovna zasnova

Prenosna tehnologija in Bluetooth sta utrla pot RF/mikrovalovnim aplikacijam v nosljivih napravah. Današnje frekvenčno območje postaja vse bolj dinamično. Pred nekaj leti je bila zelo visoka frekvenca (VHF) definirana kot 2GHz~3GHz. Zdaj pa lahko vidimo ultravisokofrekvenčne (UHF) aplikacije v razponu od 10 GHz do 25 GHz.

Zato za nosljivo PCB del RF zahteva več pozornosti pri težavah z ožičenjem, signale je treba ločiti ločeno, sledi, ki ustvarjajo visokofrekvenčne signale, pa je treba držati stran od tal. Drugi premisleki vključujejo: zagotavljanje obvodnega filtra, ustreznih ločilnih kondenzatorjev, ozemljitev in načrtovanje prenosnega voda in povratnega voda, da bosta skoraj enaka.

Obvodni filter lahko zatre učinek valovanja hrupa in presluha. Ločilne kondenzatorje je treba postaviti bližje zatičem naprave, ki prenašajo močnostne signale.

Visokohitrostni prenosni vodi in signalna vezja zahtevajo, da se med signali sloja moči postavi ozemljitvena plast, da se zgladi tresenje, ki ga povzročajo signali šuma. Pri višjih hitrostih signala bodo majhne neusklajenosti impedance povzročile neuravnotežen prenos in sprejem signalov, kar bo povzročilo popačenje. Zato je treba posebno pozornost posvetiti problemu ujemanja impedance v zvezi z radiofrekvenčnim signalom, saj ima radiofrekvenčni signal visoko hitrost in posebno toleranco.

RF prenosne linije zahtevajo nadzorovano impedanco za prenos RF signalov iz določene podlage IC na PCB. Ti prenosni vodi se lahko izvajajo na zunanji plasti, zgornji plasti in spodnji plasti ali pa so zasnovani v srednji plasti.

Metode, uporabljene med načrtovanjem PCB RF, so mikrotrakasti vod, plavajoči trakasti vod, koplanarni valovod ali ozemljitev. Mikrotrakasta linija je sestavljena iz fiksne dolžine kovine ali sledi in celotne ozemljitvene plošče ali dela ozemljitvene plošče neposredno pod njo. Karakteristična impedanca v splošni strukturi mikrotrakastega voda se giblje od 50 Ω do 75 Ω.

Plavajoči trakasti valovi so še ena metoda ožičenja in dušenja hrupa. Ta linija je sestavljena iz ožičenja s fiksno širino na notranji plasti in velike ozemljitvene plošče nad in pod središčnim vodnikom. Ozemljitvena plošča je stisnjena med močnostno ravnino, tako da lahko zagotovi zelo učinkovit učinek ozemljitve. To je najprimernejša metoda za ožičenje RF signala PCB.

Koplanarni valovod lahko zagotovi boljšo izolacijo v bližini RF vezja in vezja, ki ga je treba napeljati bližje. Ta medij je sestavljen iz osrednjega prevodnika in ozemljitvenih plošč na obeh straneh ali spodaj. Najboljši način za prenos radiofrekvenčnih signalov je obešanje trakastih vodov ali koplanarnih valovodov. Ti dve metodi lahko zagotovita boljšo izolacijo med signalom in RF sledmi.

Priporočljivo je, da na obeh straneh koplanarnega valovoda uporabite tako imenovano "preko ograje". Ta metoda lahko zagotovi vrsto ozemljitvenih prehodov na vsaki kovinski ozemljitveni ravnini osrednjega vodnika. Glavna sled, ki poteka po sredini, ima na vsaki strani ograje, ki zagotavljajo bližnjico za povratni tok do tal spodaj. Ta metoda lahko zmanjša raven hrupa, povezano z visokim učinkom valovanja RF signala. Dielektrična konstanta 4,5 ostaja enaka kot pri materialu FR4 preprega, medtem ko je dielektrična konstanta preprega – iz mikrotrakastega, trakastega ali zamaknjenega trakastega valja – približno 3,8 do 3,9.

V nekaterih napravah, ki uporabljajo ozemljitveno ravnino, se lahko uporabijo slepi prehodi za izboljšanje učinkovitosti ločevanja močnostnega kondenzatorja in zagotavljanje prehodne poti od naprave do tal. Shunt pot do tal lahko skrajša dolžino prehoda. S tem lahko dosežete dva namena: ustvarite ne le šant ali ozemljitev, ampak tudi zmanjšate razdaljo prenosa naprav z majhnimi površinami, kar je pomemben dejavnik zasnove RF.