På grund av den lilla storleken och storleken finns det nästan inga befintliga standarder för tryckta kretskort för den växande bärbara IoT-marknaden. Innan dessa standarder kom ut var vi tvungna att förlita oss på den kunskap och tillverkningserfarenhet som vi lärde oss i utveckling på styrelsenivå och fundera på hur vi skulle tillämpa dem på unika nya utmaningar. Det finns tre områden som kräver vår speciella uppmärksamhet. De är: kretskorts ytmaterial, RF/mikrovågsdesign och RF-överföringsledningar.

PCB-material

"PCB" består vanligtvis av laminat, som kan vara gjorda av fiberförstärkt epoxi (FR4), polyimid eller Rogers-material eller andra laminatmaterial. Det isolerande materialet mellan de olika lagren kallas prepreg.

bärbara enheter kräver hög tillförlitlighet, så när PCB-designers ställs 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, kanske FR4 inte är det bästa valet. Dielektricitetskonstanten (Dk) för FR4 är 4,5, dielektricitetskonstanten för det mer avancerade Rogers 4003-seriens material är 3,55, och dielektricitetskonstanten för Brother-serien Rogers 4350 är 3,66.

"Den dielektriska konstanten för ett laminat hänvisar till förhållandet mellan kapacitansen eller energin mellan ett par ledare nära laminatet och kapacitansen eller energin mellan ledarparet i vakuum. Vid höga frekvenser är det bäst att ha en liten förlust. Därför är Roger 4350 med en dielektricitetskonstant på 3,66 mer lämplig för tillämpningar med högre frekvens än FR4 med en dielektricitetskonstant på 4,5.

Under normala omständigheter varierar antalet PCB-lager för bärbara enheter från 4 till 8 lager. Principen för lagerkonstruktion är att om det är ett 8-lagers PCB så ska det kunna ge tillräckligt med jord och kraftlager och lägga in ledningslagret. På så sätt kan krusningseffekten vid överhörning hållas till ett minimum och elektromagnetisk interferens (EMI) kan reduceras avsevärt.

I kretskortslayoutdesignstadiet är layoutplanen i allmänhet att placera ett stort jordlager nära kraftfördelningsskiktet. Detta kan ge en mycket låg krusningseffekt, och systembruset kan också reduceras till nästan noll. Detta är särskilt viktigt för radiofrekvenssubsystemet.

Jämfört med Rogers material har FR4 en högre förlustfaktor (Df), speciellt vid hög frekvens. För FR4-laminat med högre prestanda är Df-värdet cirka 0,002, vilket är en storleksordning bättre än vanliga FR4. Rogers stack är dock bara 0,001 eller mindre. När FR4-material används för högfrekventa tillämpningar kommer det att finnas en betydande skillnad i insättningsförlust. Insättningsförlust definieras som effektförlusten för signalen från punkt A till punkt B vid användning av FR4, Rogers eller andra material.

skapa problem

Bärbara PCB kräver strängare 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:er med särskilt strikt impedanskontroll, och därigenom begränsa antalet företag som kan tillverka dem.

Den dielektriska konstanttoleransen för laminatet tillverkat av Rogers UHF-material hålls i allmänhet på ±2%, och vissa produkter kan till och med nå ±1%. Däremot är den dielektriska konstanttoleransen för FR4-laminatet så hög som 10 %. Jämför därför. Dessa två material kan konstateras att Rogers insättningsförlust är särskilt låg. Jämfört med traditionella FR4-material är transmissionsförlusten och insättningsförlusten för Rogers-stacken hälften lägre.

I de flesta fall är kostnaden viktigast. Rogers kan dock tillhandahålla högfrekvent laminatprestanda med relativt låga förluster till ett acceptabelt pris. 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 den primära faktorn. När frekvensen överstiger 500MHz, tenderar PCB-designers att välja Rogers-material, speciellt för RF/mikrovågskretsar, eftersom dessa material kan ge högre prestanda när de övre spåren är strikt kontrollerade 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 ge den idealiska låga insättningsförlustprestanda som krävs av högfrekvensdrift.

Termisk expansionskoefficient (CTE) för Rogers 4000-seriens material har utmärkt dimensionsstabilitet. Detta innebär att jämfört med FR4, när kretskortet genomgår kalla, varma och mycket varma återflödeslödningscykler, kan den termiska expansionen och kontraktionen av kretskortet hållas vid en stabil gräns under cykler med högre frekvens och högre temperatur.

När det gäller blandad stapling är det lätt att använda vanlig tillverkningsprocessteknik för att blanda Rogers och högpresterande FR4 tillsammans, så det är relativt enkelt att uppnå högt tillverkningsutbyte. Rogers-stacken kräver ingen speciell förberedelseprocess.

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

RF/mikrovågsdesign överväganden

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

Därför, för bärbara PCB, kräver RF-delen mer uppmärksamhet på ledningsproblemen, och signalerna bör separeras separat, och spåren som genererar högfrekventa signaler bör hållas borta från marken. Andra överväganden inkluderar: tillhandahållande av ett bypass-filter, adekvata frånkopplingskondensatorer, jordning och design av transmissionsledningen och returledningen så att de är nästan lika.

Bypass-filter kan undertrycka krusningseffekten av brusinnehåll och överhörning. Frånkopplingskondensatorer måste placeras närmare enhetens stift som bär strömsignaler.

Höghastighetsöverföringsledningar och signalkretsar kräver att ett jordskikt placeras mellan effektskiktssignalerna för att jämna ut jitter som genereras av brussignaler. Vid högre signalhastigheter kommer små impedansmissanpassningar att orsaka obalanserad överföring och mottagning av signaler, vilket resulterar i distorsion. Därför måste särskild uppmärksamhet ägnas åt impedansmatchningsproblemet relaterat till radiofrekvenssignalen, eftersom radiofrekvenssignalen har en hög hastighet och en speciell tolerans.

RF-överföringslinjer kräver kontrollerad impedans för att sända RF-signaler från ett specifikt IC-substrat till PCB:n. Dessa transmissionsledningar kan implementeras på det yttre skiktet, toppskiktet och bottenskiktet, eller kan utformas i mellanskiktet.

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

Flytande stripline är en annan metod för kabeldragning och brusdämpning. Denna linje består av kabel med fast bredd på det inre lagret och ett stort jordplan ovanför och under mittledaren. Jordplanet är inklämt mellan kraftplanet, så det kan ge en mycket effektiv jordningseffekt. Detta är den föredragna metoden för bärbara PCB RF-signalledningar.

Coplanar vågledare kan ge bättre isolering nära RF-kretsen och kretsen som behöver dirigeras närmare. Detta medium består av en central ledare och jordplan på vardera sidan eller under. Det bästa sättet att sända radiofrekvenssignaler är att suspendera bandlinjer eller koplanära vågledare. Dessa två metoder kan ge bättre isolering mellan signalen och RF-spåren.

Det rekommenderas att använda det så kallade "via staketet" på båda sidor av den koplanära vågledaren. Denna metod kan tillhandahålla en rad av jordvägar på varje metalljordplan av mittledaren. Huvudspåret som löper i mitten har staket på varje sida, vilket ger en genväg för returströmmen till marken nedanför. Denna metod kan minska brusnivån som är associerad med den höga pulseffekten av RF-signalen. Dielektricitetskonstanten på 4,5 förblir densamma som FR4-materialet i prepreg, medan dielektricitetskonstanten för prepreg - från microstrip, stripline eller offset stripline - är cirka 3,8 till 3,9.

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