Dahil sa maliit na sukat at sukat, halos walang umiiral na mga pamantayan ng naka-print na circuit board para sa lumalagong naisusuot na merkado ng IoT. Bago lumabas ang mga pamantayang ito, kailangan naming umasa sa kaalaman at karanasan sa pagmamanupaktura na natutunan sa pag-unlad sa antas ng board at pag-isipan kung paano ilapat ang mga ito sa mga kakaibang umuusbong na hamon. May tatlong lugar na nangangailangan ng ating espesyal na atensyon. Ang mga ito ay: circuit board surface materials, RF/microwave design at RF transmission lines.

Materyal na PCB

Ang "PCB" ay karaniwang binubuo ng mga laminate, na maaaring gawa sa fiber-reinforced epoxy (FR4), polyimide o Rogers na materyales o iba pang laminate na materyales. Ang insulating material sa pagitan ng iba't ibang layer ay tinatawag na prepreg.

Ang mga naisusuot na aparato ay nangangailangan ng mataas na pagiging maaasahan, kaya kapag ang mga taga-disenyo ng PCB ay nahaharap sa pagpili ng paggamit ng FR4 (ang pinaka-cost-effective na materyal sa pagmamanupaktura ng PCB) o mas advanced at mas mahal na mga materyales, ito ay magiging isang problema.

Kung ang mga naisusuot na PCB application ay nangangailangan ng high-speed, high-frequency na materyales, maaaring hindi ang FR4 ang pinakamahusay na pagpipilian. Ang dielectric constant (Dk) ng FR4 ay 4.5, ang dielectric constant ng mas advanced na Rogers 4003 series material ay 3.55, at ang dielectric constant ng brother series na Rogers 4350 ay 3.66.

"Ang dielectric constant ng isang laminate ay tumutukoy sa ratio ng capacitance o enerhiya sa pagitan ng isang pares ng conductor na malapit sa laminate sa capacitance o enerhiya sa pagitan ng pares ng conductor sa vacuum. Sa mataas na frequency, ito ay pinakamahusay na magkaroon ng isang maliit na pagkawala. Samakatuwid, ang Roger 4350 na may dielectric constant na 3.66 ay mas angkop para sa mas mataas na frequency application kaysa sa FR4 na may dielectric constant na 4.5.

Sa normal na mga pangyayari, ang bilang ng mga layer ng PCB para sa mga naisusuot na device ay mula 4 hanggang 8 layer. Ang prinsipyo ng pagbuo ng layer ay kung ito ay isang 8-layer na PCB, dapat itong makapagbigay ng sapat na mga layer ng lupa at kapangyarihan at sanwits ang layer ng mga kable. Sa ganitong paraan, ang ripple effect sa crosstalk ay maaaring panatilihin sa isang minimum at electromagnetic interference (EMI) ay maaaring makabuluhang bawasan.

Sa yugto ng disenyo ng layout ng circuit board, ang plano ng layout ay karaniwang maglalagay ng malaking layer ng lupa malapit sa layer ng pamamahagi ng kapangyarihan. Maaari itong bumuo ng napakababang ripple effect, at ang ingay ng system ay maaari ding bawasan sa halos zero. Ito ay lalong mahalaga para sa subsystem ng dalas ng radyo.

Kung ikukumpara sa materyal na Rogers, ang FR4 ay may mas mataas na dissipation factor (Df), lalo na sa mataas na frequency. Para sa mas mataas na pagganap ng FR4 laminates, ang halaga ng Df ay humigit-kumulang 0.002, na isang order ng magnitude na mas mahusay kaysa sa ordinaryong FR4. Gayunpaman, ang stack ni Rogers ay 0.001 lamang o mas mababa. Kapag ginamit ang materyal na FR4 para sa mga high frequency application, magkakaroon ng malaking pagkakaiba sa pagkawala ng insertion. Ang pagkawala ng pagpasok ay tinukoy bilang ang pagkawala ng kapangyarihan ng signal mula sa punto A hanggang sa punto B kapag gumagamit ng FR4, Rogers o iba pang mga materyales.

lumikha ng mga problema

Ang naisusuot na PCB ay nangangailangan ng mas mahigpit na kontrol sa impedance. Ito ay isang mahalagang kadahilanan para sa mga naisusuot na device. Ang pagtutugma ng impedance ay maaaring makagawa ng mas malinis na paghahatid ng signal. Mas maaga, ang karaniwang pagpapaubaya para sa mga bakas na nagdadala ng signal ay ±10%. Ang indicator na ito ay malinaw na hindi sapat para sa high-frequency at high-speed circuits ngayon. Ang kasalukuyang kinakailangan ay ±7%, at sa ilang mga kaso kahit na ±5% o mas kaunti. Ang parameter na ito at iba pang mga variable ay seryosong makakaapekto sa paggawa ng mga naisusuot na PCB na ito na may partikular na mahigpit na kontrol sa impedance, at sa gayon ay nililimitahan ang bilang ng mga negosyo na maaaring gumawa ng mga ito.

Ang dielectric constant tolerance ng laminate na gawa sa Rogers UHF na materyales ay karaniwang pinananatili sa ±2%, at ang ilang mga produkto ay maaaring umabot sa ±1%. Sa kaibahan, ang dielectric constant tolerance ng FR4 laminate ay kasing taas ng 10%. Samakatuwid, ihambing Ang dalawang materyales na ito ay makikita na ang pagkawala ng pagpapasok ni Rogers ay partikular na mababa. Kung ikukumpara sa mga tradisyonal na materyales ng FR4, ang pagkawala ng transmission at pagkawala ng insertion ng Rogers stack ay kalahating mas mababa.

Sa karamihan ng mga kaso, ang gastos ang pinakamahalaga. Gayunpaman, ang Rogers ay maaaring magbigay ng medyo mababang pagkawala ng high-frequency laminate na pagganap sa isang katanggap-tanggap na punto ng presyo. Para sa mga komersyal na aplikasyon, ang Rogers ay maaaring gawing hybrid na PCB na may epoxy-based na FR4, ang ilang mga layer ay gumagamit ng materyal na Rogers, at ang ibang mga layer ay gumagamit ng FR4.

Kapag pumipili ng isang stack ng Rogers, ang dalas ay ang pangunahing pagsasaalang-alang. Kapag ang dalas ay lumampas sa 500MHz, ang mga taga-disenyo ng PCB ay may posibilidad na pumili ng mga materyales ng Rogers, lalo na para sa mga RF/microwave circuit, dahil ang mga materyales na ito ay maaaring magbigay ng mas mataas na pagganap kapag ang mga itaas na bakas ay mahigpit na kinokontrol ng impedance.

Kung ikukumpara sa materyal na FR4, ang materyal ng Rogers ay maaari ding magbigay ng mas mababang pagkawala ng dielectric, at ang dielectric na pare-pareho nito ay matatag sa isang malawak na hanay ng dalas. Bilang karagdagan, ang materyal na Rogers ay maaaring magbigay ng perpektong mababang pagganap ng pagkawala ng pagpapasok na kinakailangan ng mataas na dalas ng operasyon.

Ang koepisyent ng thermal expansion (CTE) ng Rogers 4000 series na materyales ay may mahusay na dimensional na katatagan. Nangangahulugan ito na kumpara sa FR4, kapag ang PCB ay sumasailalim sa malamig, mainit at napakainit na reflow soldering cycle, ang thermal expansion at contraction ng circuit board ay maaaring mapanatili sa isang stable na limitasyon sa ilalim ng mas mataas na frequency at mas mataas na temperature cycle.

Sa kaso ng mixed stacking, madaling gamitin ang karaniwang teknolohiya sa proseso ng pagmamanupaktura upang paghaluin ang Rogers at high-performance na FR4, kaya medyo madaling makamit ang mataas na ani ng pagmamanupaktura. Ang stack ng Rogers ay hindi nangangailangan ng espesyal sa pamamagitan ng proseso ng paghahanda.

Ang karaniwang FR4 ay hindi makakamit ang napaka-maaasahang pagganap ng kuryente, ngunit ang mga materyal na FR4 na may mataas na pagganap ay may mahusay na mga katangian ng pagiging maaasahan, tulad ng mas mataas na Tg, medyo mababa pa rin ang gastos, at maaaring magamit sa isang malawak na hanay ng mga application, mula sa simpleng disenyo ng audio hanggang sa mga kumplikadong aplikasyon ng microwave .

Mga pagsasaalang-alang sa disenyo ng RF/Microwave

Ang portable na teknolohiya at Bluetooth ay nagbigay daan para sa mga RF/microwave application sa mga naisusuot na device. Ang hanay ng dalas ngayon ay nagiging mas pabago-bago. Ilang taon na ang nakalipas, ang napakataas na dalas (VHF) ay tinukoy bilang 2GHz~3GHz. Ngunit ngayon ay nakakakita na tayo ng mga ultra-high frequency (UHF) na application mula 10GHz hanggang 25GHz.

Samakatuwid, para sa naisusuot na PCB, ang bahagi ng RF ay nangangailangan ng higit na pansin sa mga isyu sa mga kable, at ang mga signal ay dapat na ihiwalay nang hiwalay, at ang mga bakas na bumubuo ng mga signal na may mataas na dalas ay dapat na ilayo sa lupa. Kabilang sa iba pang mga pagsasaalang-alang ang: pagbibigay ng bypass filter, sapat na decoupling capacitors, grounding, at pagdidisenyo ng transmission line at return line na halos pantay.

Maaaring sugpuin ng bypass filter ang ripple effect ng noise content at crosstalk. Ang mga decoupling capacitor ay kailangang ilagay nang mas malapit sa mga pin ng device na nagdadala ng mga power signal.

Ang mga high-speed transmission lines at signal circuit ay nangangailangan ng isang ground layer na maglagay sa pagitan ng mga power layer signal upang pakinisin ang jitter na nabuo ng mga signal ng ingay. Sa mas mataas na bilis ng signal, ang maliliit na impedance mismatches ay magdudulot ng hindi balanseng paghahatid at pagtanggap ng mga signal, na magreresulta sa pagbaluktot. Samakatuwid, ang espesyal na pansin ay dapat bayaran sa problema sa pagtutugma ng impedance na may kaugnayan sa signal ng dalas ng radyo, dahil ang signal ng dalas ng radyo ay may mataas na bilis at isang espesyal na pagpapaubaya.

Ang mga linya ng transmission ng RF ay nangangailangan ng kontroladong impedance upang maihatid ang mga signal ng RF mula sa isang partikular na substrate ng IC patungo sa PCB. Ang mga transmission line na ito ay maaaring ipatupad sa panlabas na layer, itaas na layer, at ilalim na layer, o maaaring idisenyo sa gitnang layer.

Ang mga pamamaraan na ginamit sa layout ng disenyo ng PCB RF ay microstrip line, floating strip line, coplanar waveguide o grounding. Ang microstrip line ay binubuo ng isang nakapirming haba ng metal o mga bakas at ang buong ground plane o bahagi ng ground plane na direkta sa ibaba nito. Ang katangian ng impedance sa pangkalahatang istraktura ng linya ng microstrip ay mula 50Ω hanggang 75Ω.

Ang lumulutang na stripline ay isa pang paraan ng pagpigil ng mga kable at ingay. Ang linyang ito ay binubuo ng fixed-width na mga kable sa inner layer at isang malaking ground plane sa itaas at ibaba ng center conductor. Ang ground plane ay naka-sandwich sa pagitan ng power plane, kaya maaari itong magbigay ng napaka-epektibong grounding effect. Ito ang gustong paraan para sa naisusuot na PCB RF signal wiring.

Ang Coplanar waveguide ay maaaring magbigay ng mas mahusay na paghihiwalay malapit sa RF circuit at sa circuit na kailangang i-ruta nang mas malapit. Ang daluyan na ito ay binubuo ng isang sentral na konduktor at mga eroplano sa lupa sa magkabilang gilid o sa ibaba. Ang pinakamahusay na paraan upang magpadala ng mga signal ng frequency ng radyo ay ang pagsuspinde ng mga linya ng strip o coplanar waveguides. Ang dalawang pamamaraan na ito ay maaaring magbigay ng mas mahusay na paghihiwalay sa pagitan ng signal at RF traces.

Inirerekomenda na gamitin ang tinatawag na "sa pamamagitan ng bakod" sa magkabilang panig ng coplanar waveguide. Ang pamamaraang ito ay maaaring magbigay ng isang hilera ng ground vias sa bawat metal ground plane ng center conductor. Ang pangunahing bakas na tumatakbo sa gitna ay may mga bakod sa bawat panig, kaya nagbibigay ng isang shortcut para sa pagbabalik ng kasalukuyang sa lupa sa ibaba. Maaaring bawasan ng pamamaraang ito ang antas ng ingay na nauugnay sa mataas na ripple effect ng RF signal. Ang dielectric constant na 4.5 ay nananatiling pareho sa FR4 na materyal ng prepreg, habang ang dielectric constant ng prepreg—mula sa microstrip, stripline o offset stripline—ay humigit-kumulang 3.8 hanggang 3.9.

Sa ilang device na gumagamit ng ground plane, maaaring gamitin ang blind vias para pahusayin ang decoupling performance ng power capacitor at magbigay ng shunt path mula sa device papunta sa ground. Ang shunt path sa lupa ay maaaring paikliin ang haba ng via. Makakamit nito ang dalawang layunin: hindi ka lamang lumikha ng shunt o ground, ngunit bawasan din ang distansya ng paghahatid ng mga device na may maliliit na lugar, na isang mahalagang kadahilanan sa disenyo ng RF.