På grund av den lilla storleken och storleken finns det nästan inga befintliga tryckta kretskortstandarder för den växande bärbara IoT -marknaden. Innan dessa standarder kom ut var vi tvungna att förlita oss på den kunskap och tillverkningsupplevelse som lärt sig i utvecklingsnivå och tänka på hur man tillämpar dem på unika nya utmaningar. Det finns tre områden som kräver vår speciella uppmärksamhet. De är: kretskort ytmaterial, RF/mikrovågsdesign och RF -transmissionslinjer.

PCB -material

"PCB" består i allmänhet av laminat, som kan vara gjorda av fiberförstärkt epoxi (FR4), polyimid- eller rogers-material eller andra laminatmaterial. Det isolerande materialet mellan de olika skikten kallas en prepreg.

Bärbara enheter kräver hög tillförlitlighet, så när PCB-designers står inför valet att använda FR4 (det mest kostnadseffektiva PCB-tillverkningsmaterialet) eller mer avancerade och dyrare material kommer detta att bli ett problem.

Om bärbara PCB-applikationer kräver höghastighetsmaterial med hög frekvens kan FR4 inte vara det bästa valet. Den dielektriska konstanten (DK) för FR4 är 4,5, den dielektriska konstanten för det mer avancerade Rogers 4003 -serien är 3,55 och den dielektriska konstanten för bror -serien Rogers 4350 är 3,66.

“The dielectric constant of a laminate refers to the ratio of the capacitance or energy between a pair of conductors near the laminate to the capacitance or energy between the pair of conductors in vacuum. At high frequencies, it is best to have a small loss. Therefore, Roger 4350 with a dielectric constant of 3.66 is more suitable for higher frequency applications than FR4 with a dielectric constant of 4.5.

Under normala omständigheter varierar antalet PCB -skikt för bärbara enheter från 4 till 8 lager. Principen för skiktkonstruktion är att om det är en 8-lagers PCB, bör den kunna tillhandahålla tillräckligt med mark- och kraftlager och smörgås kopplingsskiktet. På detta sätt kan krusningseffekten i övergången hållas till ett minimum och elektromagnetisk störning (EMI) kan minskas avsevärt.

I kretskortets utformningsskede är layoutplanen i allmänhet att placera ett stort marklager nära kraftfördelningsskiktet. Detta kan bilda en mycket låg krusningseffekt, och systembruset kan också reduceras till nästan noll. Detta är särskilt viktigt för radiofrekvenssundersystemet.

Jämfört med Rogers -material har FR4 en högre spridningsfaktor (DF), särskilt vid hög frekvens. För högre prestanda FR4 -laminat är DF -värdet cirka 0,002, vilket är en storleksordning bättre än vanlig FR4. Rogers stack är emellertid bara 0,001 eller mindre. När FR4 -material används för högfrekvensapplikationer kommer det att finnas en signifikant skillnad i införingsförlust. Insättningsförlust definieras som effektförlusten för signalen från punkt A till punkt B när du använder FR4, ROGERS eller annat material.

skapa problem

Bärbar PCB kräver striktare impedanskontroll. Detta är en viktig faktor för bärbara enheter. Impedansmatchning kan ge renare signalöverföring. Tidigare var standardtoleransen för signalbärande spår ± 10%. Denna indikator är uppenbarligen inte tillräckligt bra för dagens högfrekventa och höghastighetskretsar. Det nuvarande kravet är ± 7% och i vissa fall till och med ± 5% eller mindre. Denna parameter och andra variabler kommer allvarligt att påverka tillverkningen av dessa bärbara PCB med särskilt strikt impedanskontroll och därmed begränsa antalet företag som kan tillverka dem.

Den dielektriska konstant toleransen för laminatet av Rogers UHF -material upprätthålls vanligtvis vid ± 2%, och vissa produkter kan till och med nå ± 1%. Däremot är den dielektriska konstant toleransen för FR4 -laminatet så hög som 10%. Jämför därför dessa två material konstateras att Rogers insättningsförlust är särskilt låg. Jämfört med traditionella FR4 -material är överföringsförlusten och insättningsförlusten för Rogers -stacken halvt lägre.

I de flesta fall är kostnaden det viktigaste. Rogers kan emellertid tillhandahålla relativt lågförlust högfrekventa laminatprestanda till en acceptabel prispunkt. För kommersiella applikationer kan Rogers göras till en hybrid PCB med epoxibaserad FR4, varav vissa lager använder Rogers-material, och andra lager använder FR4.

När du väljer en Rogers -stack är frekvensen det primära övervägandet. När frekvensen överstiger 500 MHz tenderar PCB -designers att välja Rogers -material, särskilt för RF/mikrovågskretsar, eftersom dessa material kan ge högre prestanda när de övre spåren strikt kontrolleras av impedans.

Jämfört med FR4 -material kan Rogers -material också ge lägre dielektrisk förlust, och dess dielektriska konstant är stabil i ett brett frekvensområde. Dessutom kan Rogers -material tillhandahålla den perfekta prestandan för låg insättning som krävs genom högfrekvent drift.

Koefficienten för termisk expansion (CTE) för Rogers 4000 -serie -material har utmärkt dimensionell stabilitet. Detta innebär att jämfört med FR4, när PCB genomgår kalla, heta och mycket heta återflödeslödningscykler, kan kretskortets termiska expansion och sammandragning hållas vid en stabil gräns under högre frekvens och högre temperaturcykler.

När det gäller blandad stapling är det lätt att använda vanlig tillverkningsprocessteknologi för att blanda Rogers och högpresterande FR4 tillsammans, så det är relativt enkelt att uppnå hög tillverkningsutbyte. Rogers Stack kräver inte en speciell via förberedelseprocess.

Common FR4 kan inte uppnå mycket tillförlitlig elektrisk prestanda, men högpresterande FR4-material har goda tillförlitlighetsegenskaper, såsom högre TG, fortfarande relativt låga kostnader och kan användas i ett brett spektrum av applikationer, från enkel ljuddesign till komplexa mikrovågsapplikationer.

RF/mikrovågsdesignöverväganden

Bärbar teknik och Bluetooth har banat vägen för RF/mikrovågsapplikationer i bärbara enheter. Dagens frekvensområde blir mer och mer dynamiskt. För några år sedan definierades mycket högfrekvent (VHF) som 2GHz ~ 3GHz. Men nu kan vi se ultrahög frekvens (UHF) -applikationer som sträcker sig från 10 GHz till 25 GHz.

För den bärbara PCB kräver därför RF-delen mer uppmärksamhet på ledningsfrågorna, och signalerna bör separeras separat, och spåren som genererar högfrekvenssignaler bör hållas borta från marken. Andra överväganden inkluderar: att tillhandahålla ett förbikopplingsfilter, adekvat avkopplingskondensatorer, jordning och utformning av transmissionslinjen och returlinjen för att vara nästan lika.

Bypass -filter kan undertrycka krusningseffekten av brusinnehåll och övergång. Avkopplingskondensatorer måste placeras närmare enhetsstiften som bär kraftsignaler.

Höghastighetsöverföringslinjer och signalkretsar kräver att ett marklager ska placeras mellan kraftskiktssignalerna för att jämna ut jitter som genereras av brussignaler. Vid högre signalhastigheter kommer små impedans -missanpassningar att orsaka obalanserad överföring och mottagning av signaler, vilket resulterar i snedvridning. Därför måste särskild uppmärksamhet ägnas åt impedansmatchningsproblemet relaterat till radiofrekvenssignalen, eftersom radiofrekvenssignalen har en hög hastighet och en speciell tolerans.

RF -transmissionslinjer kräver kontrollerad impedans för att överföra RF -signaler från ett specifikt IC -substrat till PCB. Dessa transmissionslinjer kan implementeras på det yttre lagret, toppskiktet och bottenskiktet eller kan utformas i mittskiktet.

Metoderna som användes under PCB RF -designlayout är mikrostriplinje, flytande striplinje, coplanar vågledare eller jordning. Mikrostriplinjen består av en fast längd av metall eller spår och hela markplanet eller en del av markplanet direkt under det. Den karakteristiska impedansen i den allmänna mikrostriplinjestrukturen sträcker sig från 50Ω till 75Ω.

Floating Stripline är en annan metod för ledningar och brusundertryckning. Denna linje består av ledningar med fast bredd på det inre skiktet och ett stort markplan över och under mittledaren. Markplanet är inklämt mellan kraftplanet, så det kan ge en mycket effektiv jordningseffekt. Detta är den föredragna metoden för bärbar PCB RF -signalledningar.

Coplanar vågledare kan ge bättre isolering nära RF -kretsen och kretsen som måste dirigeras närmare. Detta medium består av en central ledare och markplan på båda sidor eller under. Det bästa sättet att överföra radiofrekvenssignaler är att avbryta striplinjer eller coplanar vågledare. Dessa två metoder kan ge bättre isolering mellan signal- och RF -spåren.

Det rekommenderas att använda det så kallade "via staket" på båda sidor av den coplanära vågledaren. Denna metod kan ge en rad markvier på varje metall jordplan för centrumledaren. Huvudspåret som körs i mitten har staket på varje sida, vilket ger en genväg för returströmmen till marken nedan. Denna metod kan minska ljudnivån associerad med den höga krusningseffekten av RF -signalen. Den dielektriska konstanten på 4,5 förblir densamma som FR4 -materialet i prepreg, medan den dielektriska konstanten för prepreg - från mikrostrip, stripline eller offset stripline - är cirka 3,8 till 3,9.

I vissa enheter som använder ett markplan kan blinda vias användas för att förbättra frikopplingsprestanda för kraftkondensatorn och ge en shuntväg från enheten till marken. Shuntvägen till marken kan förkorta längden på VIA. Detta kan uppnå två syften: du skapar inte bara en shunt eller mark utan också minskar överföringsavståndet för enheter med små områden, vilket är en viktig RF -designfaktor.