Zaradi majhnosti in velikosti skoraj ni obstoječih standardov tiskanih vezij za rastoči trg IoT. Preden se izidejo ti standardi, smo se morali zanašati na znanje in proizvodne izkušnje, pridobljene v 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 vezja, RF/mikrovalovna zasnova in RF daljnovodi.

PCB Material

"PCB" na splošno sestavljajo laminate, ki so lahko izdelani iz epoksije, ojačanih z vlakninami (FR4), poliimid ali Rogersovi materiali ali drugih laminatnih materialov. Izolacijski material med različnimi plastmi se imenuje predpreg.

Nosljive naprave zahtevajo visoko zanesljivost, zato se bodo, ko se oblikovalci PCB soočajo z izbiro uporabe FR4 (najugodnejši proizvodni material PCB) ali naprednejši in dražji materiali, postala težava.

Če uporabne aplikacije PCB zahtevajo visoke hitrosti, visokofrekvenčne materiale, FR4 morda ni najboljša izbira. Dielektrična konstanta (DK) FR4 je 4,5, dielektrična konstanta naprednejšega materiala Rogers 4003 je 3,55, dielektrična konstanta brata serije Rogers 4350 pa 3,66.

„Dielektrična konstanta laminata se nanaša na razmerje kapacitivnosti ali energije med parom prevodnikov v bližini laminata do kapacitivnosti ali energije med parom vodnikov v vakuumu. Pri visokih frekvencah je najbolje, da ima majhno izgubo. Zato je Roger 4350 z dielktrično konstanto 3,66 bolj primerno.

V normalnih okoliščinah se število plasti PCB za nosljive naprave giblje od 4 do 8 plasti. Načelo konstrukcije plasti je, da če gre za 8-slojni PCB, bi moral biti sposoben zagotoviti dovolj plasti ozemljitve in napajanja ter sendvič ožičenja. Na ta način lahko učinek valovanja v Crosstalku ohranimo na minimalni in elektromagnetne motnje (EMI) se lahko znatno zmanjša.

V fazi oblikovanja postavitve vezja je načrt postavitve na splošno postavitev velike ozemljitvene plasti blizu plasti porazdelitve moči. To lahko tvori zelo nizko valovanje, sistemski hrup pa se lahko tudi zmanjša na skoraj nič. To je še posebej pomembno za radiofrekvenčni podsistem.

V primerjavi z Rogersovim materialom ima FR4 višji faktor disipacije (DF), zlasti pri visoki frekvenci. Za večje zmogljivosti FR4 laminate je vrednost DF približno 0,002, kar je vrstni red boljši od navadnega FR4. Vendar je Rogersov sklad le 0,001 ali manj. Ko se material FR4 uporablja za visokofrekvenčne aplikacije, bo v izgubi vstavitve pomembna razlika. Izguba vstavljanja je opredeljena kot izguba energije signala od točke A do točke B pri uporabi FR4, Rogersa ali drugih materialov.

Ustvari težave

Nosljiv 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 sledi, ki nosijo signal, ± 10%. Ta kazalnik očitno ni dovolj dober za današnje visokofrekvenčne in visoke vezje. Trenutna zahteva je ± 7%, v nekaterih primerih pa celo ± 5% ali manj. Ta parameter in druge spremenljivke bodo resno vplivali na izdelavo teh nosljivih PCB s posebej strogim nadzorom impedance in s tem omejili število podjetij, ki jih lahko izdelujejo.

Dielektrična konstantna toleranca laminata, narejenega iz materialov Rogers UHF, se na splošno vzdržuje pri ± 2%, nekateri izdelki pa lahko celo dosežejo ± 1%. V nasprotju s tem je dielektrična konstantna toleranca laminata FR4 kar 10%. Zato lahko ugotovimo, da je ta dva materiala ugotovljena, da je Rogersova izguba vstavitve še posebej nizka. V primerjavi s tradicionalnimi materiali FR4 sta izguba prenosa in izguba vstavitve Rogers Stack na pol nižja.

V večini primerov so stroški najpomembnejši. Vendar pa lahko Rogers po sprejemljivi cenovni točki zagotavlja razmeroma nizko izgubljeno delovanje laminata. Za komercialne aplikacije lahko Rogers naredimo v hibridni PCB z epoksidnim FR4, od katerih nekateri plasti uporabljajo material Rogers, druge plasti pa FR4.

Pri izbiri Rogersovega sklada je glavna pozornost frekvenca. Ko frekvenca presega 500MHz, oblikovalci PCB ponavadi izbirajo Rogersove materiale, zlasti za RF/mikrovalovna vezja, ker lahko ti materiali zagotavljajo večjo zmogljivost, kadar zgornje sledi strogo nadzirajo impedanco.

V primerjavi z materialom FR4 lahko Rogers material zagotavlja tudi nižjo dielektrično izgubo, njegova dielektrična konstanta pa je stabilna v širokem frekvenčnem območju. Poleg tega lahko Rogers Material zagotovi idealno nizko izgubo vstavitve, ki jo zahteva visokofrekvenčno delovanje.

Koeficient toplotne ekspanzije (CTE) iz materialov Rogers 4000 serije ima odlično dimenzijsko stabilnost. To pomeni, da je v primerjavi s FR4, ko PCB podvrže hladni, vroči in zelo vročih ciklih spajkanja, lahko toplotno razširitev in krčenje vezje v stabilni meji pod višjo frekvenco in višjo temperaturno cikli.

V primeru mešanega zlaganja je enostavno uporabiti skupno tehnologijo proizvodnega procesa za mešanje Rogers in visokozmogljivo FR4 skupaj, zato je relativno enostavno doseči visok proizvodni donos. Rogers Stack ne potrebuje posebnega s postopkom priprave.

Običajni FR4 ne more doseči zelo zanesljivih električnih zmogljivosti, vendar imajo visokozmogljivi materiali FR4 dobre lastnosti zanesljivosti, kot je višji TG, še vedno relativno nizki stroški, in jih je mogoče uporabiti v širokem razponu aplikacij, od preprostega zvočnega oblikovanja do zapletenih mikrovalovnih aplikacij.

RF/mikrovalovna načrtovalna pomisleka

Prenosna tehnologija in Bluetooth sta utrla pot za RF/mikrovalovno aplikacijo v nosljivih napravah. Današnji frekvenčni razpon postaja vse bolj dinamičen. Pred nekaj leti je bila zelo visoka frekvenca (VHF) opredeljena kot 2GHz ~ 3GHz. Toda zdaj lahko vidimo aplikacije Ultra High Frekvence (UHF), ki segajo od 10 GHz do 25GHz.

Zato za nosljiv PCB del RF zahteva več pozornosti pri težavah z ožičenjem, signale pa je treba ločiti ločeno, sledi, ki ustvarjajo visokofrekvenčne signale, pa je treba držati stran od tal. Drugi premisleki vključujejo: zagotavljanje obvodnega filtra, ustrezne kondenzatorje ločevanja, ozemljitev in oblikovanje daljnovoda in povratne črte, ki sta skoraj enaki.

Obvodni filter lahko zavira valovit učinek vsebnosti hrupa in pregrade. Ločitvene kondenzatorje je treba namestiti bližje na naprave, ki nosijo signale napajanja.

Hitro-hitrostne prenosne linije in signalna vezja zahtevajo, da se med signali napajalne plasti postavijo ozemljitveni sloj, da se zgladi tresenje, ki ga ustvarijo hrupni signali. Pri višjih hitrostih signala bodo majhne neusklajenosti impedance povzročile neuravnotežen prenos in sprejem signalov, kar bo povzročilo izkrivljanje. Zato je treba posebno pozornost nameniti problemu ujemanja impedance, povezane s signalom radiofrekvence, ker ima radiofrekvenčni signal veliko hitrost in posebno toleranco.

RF daljnovodi zahtevajo nadzorovano impedanco, da se prenašajo RF signale iz določenega IC podlage na PCB. Te daljnovode se lahko implementirajo na zunanji plasti, zgornji plasti in spodnji plasti ali pa so zasnovani v srednji plasti.

Metode, uporabljene med postavitvijo PCB RF oblikovanja, so mikrostalna linija, plavajoči traku, koplanarni valovodi ali ozemljitev. Linija mikroposiranja je sestavljena iz fiksne dolžine kovine ali sledi in celotne ozemljitvene ravnine ali dela ozemljitvene ravnine neposredno pod njo. Karakteristična impedanca v splošni strukturi mikrostrelke se giblje od 50Ω do 75Ω.

Plavajoča striplina je še ena metoda ožičenja in zatiranja hrupa. Ta linija je sestavljena iz ožičenja s fiksno širino na notranji plasti in velike ozemljitvene ravnine nad in pod sredinskim prevodnikom. Ozemljitvena ravnina je zasuta med napajalno ravnino, tako da lahko zagotovi zelo učinkovit ozemljitveni učinek. To je najprimernejša metoda za nosljivo ožičenje signala PCB RF.

Koplanarni valovod lahko zagotovi boljšo izolacijo v bližini RF vezja in vezja, ki ga je treba usmeriti bližje. Ta medij je sestavljen iz osrednjega prevodnika in zemeljskih ravnin na obeh straneh ali spodaj. Najboljši način za prenos radiofrekvenčnih signalov je suspendiranje trakov ali koplanarnih valovodov. Ti dve metodi lahko zagotavljata boljšo izolacijo med signalom in RF sledi.

Priporočljivo je uporabiti tako imenovano "prek ograje" na obeh straneh koplanarnega valovoda. Ta metoda lahko na vsaki kovinski ozemljitvi sredinskega prevodnika zagotovi vrsto talnih vias. Glavna sled, ki poteka na sredini, ima ograje na vsaki strani, kar zagotavlja bližnjico za povratni tok na tla spodaj. Ta metoda lahko zmanjša raven hrupa, povezane z visokim učinkom RF signala. Dielektrična konstanta 4,5 ostane enaka materialu FR4 predpreg, dielektrična konstanta predrega - od mikropokata, striplina ali odmikanja striplina - približno 3,8 do 3,9.

V nekaterih napravah, ki uporabljajo zemeljsko ravnino, se lahko slepi vias uporabljajo za izboljšanje zmogljivosti ločitve kondenzatorja napajanja in zagotavljanje poti prestave od naprave do tal. Shunt pot do tal lahko skrajša dolžino via. To lahko doseže dva namena: ne samo ustvarite shunt ali ozemljitev, ampak tudi zmanjšate razdaljo prenosa naprav z majhnimi površinami, kar je pomemben dejavnik oblikovanja RF.