Через невеликі розміри майже не існує стандартів друкованих плат для зростаючого ринку носимих пристроїв IoT. До появи цих стандартів нам доводилося покладатися на знання та виробничий досвід, отримані під час розробки на рівні плат, і думати про те, як застосувати їх до унікальних нових викликів. Є три сфери, які потребують нашої особливої ​​уваги. Це: матеріали поверхні друкованої плати, дизайн радіочастот/мікрохвиль і лінії радіочастотної передачі.

Матеріал друкованої плати

«ПХБ» зазвичай складається з ламінатів, які можуть бути виготовлені з армованої волокнами епоксидної смоли (FR4), полііміду або матеріалів Роджерса або інших ламінатних матеріалів. Ізоляційний матеріал між різними шарами називається препрегом.

Носимі пристрої вимагають високої надійності, тому, коли розробники друкованих плат стикаються з вибором використання FR4 (найбільш економічно ефективний матеріал для виготовлення друкованих плат) або більш вдосконалених і дорожчих матеріалів, це стане проблемою.

Якщо додатки друкованих плат, які можна носити, потребують високошвидкісних високочастотних матеріалів, FR4 може бути не найкращим вибором. Діелектрична проникність (Dk) FR4 становить 4,5, діелектрична проникність більш вдосконаленого матеріалу серії Rogers 4003 становить 3,55, а діелектрична проникність братської серії Rogers 4350 становить 3,66.

«Діелектрична проникність ламінату означає відношення ємності або енергії між парою провідників поблизу ламінату до ємності або енергії між парою провідників у вакуумі. На високих частотах найкраще мати невеликі втрати. Таким чином, Roger 4350 з діелектричною проникністю 3,66 більше підходить для високочастотних застосувань, ніж FR4 з діелектричною проникністю 4,5.

За звичайних умов кількість шарів друкованої плати для носимих пристроїв коливається від 4 до 8 шарів. Принцип побудови шару полягає в тому, що якщо це 8-шарова друкована плата, вона повинна мати можливість забезпечити достатню кількість шарів заземлення та живлення та з’єднати шар проводки. Таким чином ефект пульсацій у перехресних перешкодах можна звести до мінімуму, а електромагнітні перешкоди (EMI) можна значно зменшити.

На етапі розробки макета друкованої плати план компонування, як правило, передбачає розміщення великого шару заземлення поблизу рівня розподілу живлення. Це може сформувати дуже низький ефект пульсацій, а системний шум також можна зменшити майже до нуля. Це особливо важливо для радіочастотної підсистеми.

У порівнянні з матеріалом Роджерса, FR4 має вищий коефіцієнт дисипації (Df), особливо на високій частоті. Для високопродуктивних ламінатів FR4 значення Df становить приблизно 0,002, що на порядок краще, ніж звичайний FR4. Однак стек Роджерса становить лише 0,001 або менше. Коли матеріал FR4 використовується для високочастотних застосувань, буде значна різниця у внесених втратах. Внесені втрати визначаються як втрата потужності сигналу від точки А до точки В при використанні FR4, Роджерса або інших матеріалів.

створювати проблеми

Носима друкована плата вимагає суворішого контролю імпедансу. Це важливий фактор для носимих пристроїв. Узгодження імпедансу може забезпечити чистішу передачу сигналу. Раніше стандартний допуск для слідів сигналу становив ±10%. Цей показник явно недостатній для сучасних високочастотних і швидкодіючих схем. Поточна вимога становить ±7%, а в деяких випадках навіть ±5% або менше. Цей параметр та інші змінні серйозно вплинуть на виробництво цих переносних друкованих плат з особливо суворим контролем імпедансу, тим самим обмежуючи кількість підприємств, які можуть їх виробляти.

Допуск діелектричної проникності ламінату, виготовленого з матеріалів Rogers UHF, зазвичай підтримується на рівні ±2%, а деякі продукти можуть навіть досягати ±1%. На відміну від цього, допуск діелектричної проникності ламінату FR4 становить 10%. Тому, порівнявши ці два матеріали, можна виявити, що внесені втрати Роджерса особливо низькі. У порівнянні з традиційними матеріалами FR4 втрати передачі та внесені втрати стека Роджерса вдвічі нижчі.

У більшості випадків вартість є найважливішою. Проте Роджерс може забезпечити високочастотну продуктивність ламінату з відносно низькими втратами за прийнятною ціною. Для комерційних застосувань Роджерса можна перетворити на гібридну друковану плату з FR4 на основі епоксидної смоли, деякі шари якої використовують матеріал Роджерса, а інші шари використовують FR4.

Вибираючи стек Роджерса, частота є першочерговим фактором. Коли частота перевищує 500 МГц, розробники друкованих плат, як правило, вибирають матеріали Роджерса, особливо для радіочастотних/мікрохвильових схем, оскільки ці матеріали можуть забезпечити більш високу продуктивність, коли верхні доріжки суворо контролюються імпедансом.

У порівнянні з матеріалом FR4, матеріал Роджерса також може забезпечити менші діелектричні втрати, а його діелектрична проникність стабільна в широкому діапазоні частот. Крім того, матеріал Роджерса може забезпечити ідеальні характеристики з низькими внесеними втратами, необхідні для роботи на високій частоті.

Коефіцієнт теплового розширення (CTE) матеріалів серії Rogers 4000 має чудову стабільність розмірів. Це означає, що в порівнянні з FR4, коли друкована плата проходить холодні, гарячі та дуже гарячі цикли спаювання оплавленням, теплове розширення та звуження друкованої плати можна підтримувати на стабільній межі за більшої частоти та циклів високої температури.

У випадку змішаного укладання легко використовувати звичайну технологію виробничого процесу для змішування Роджерса та високопродуктивного FR4 разом, тому відносно легко досягти високого виробничого виходу. Стек Роджерса не потребує спеціального процесу підготовки.

Звичайний FR4 не може досягти дуже надійних електричних характеристик, але високопродуктивні матеріали FR4 мають хороші характеристики надійності, такі як вища Tg, все ще відносно низька вартість і можуть використовуватися в широкому діапазоні додатків, від простих аудіопроектів до складних мікрохвильових застосувань. .

РЧ/Мікрохвильова конструкція

Портативні технології та Bluetooth проклали шлях для радіо/мікрохвильових додатків у пристроях, які можна носити. Сучасний частотний діапазон стає все більш динамічним. Кілька років тому дуже висока частота (VHF) була визначена як 2 ГГц ~ 3 ГГц. Але тепер ми можемо бачити застосування ультрависоких частот (UHF) у діапазоні від 10 ГГц до 25 ГГц.

Тому для носіїв друкованої плати радіочастотна частина вимагає більшої уваги до питань проводки, і сигнали слід розділяти окремо, а сліди, які генерують високочастотні сигнали, слід тримати подалі від землі. Інші міркування включають: забезпечення обхідного фільтра, адекватних розв’язувальних конденсаторів, заземлення та розробку лінії передачі та зворотної лінії, щоб вони були майже однаковими.

Обхідний фільтр може пригнічувати хвильовий ефект вмісту шуму та перехресних перешкод. Розв'язувальні конденсатори необхідно розташувати ближче до висновків пристрою, що передають сигнали живлення.

Для високошвидкісних ліній передачі та сигнальних ланцюгів між сигналами силового рівня потрібно розташувати заземлюючий шар, щоб згладити тремтіння, створене шумовими сигналами. На вищих швидкостях сигналу невеликі розбіжності імпедансу призведуть до незбалансованої передачі та прийому сигналів, що призведе до спотворення. Тому особливу увагу необхідно приділити проблемі узгодження імпедансу, пов'язаної з радіочастотним сигналом, оскільки радіочастотний сигнал має високу швидкість і особливий допуск.

Лінії радіочастотної передачі вимагають контрольованого опору для передачі радіочастотних сигналів від певної підкладки мікросхеми до друкованої плати. Ці лінії передачі можуть бути реалізовані на зовнішньому шарі, верхньому шарі та нижньому шарі або можуть бути розроблені в середньому шарі.

Методи, які використовуються під час проектування РЧ-схеми друкованої плати, це мікрополоскова лінія, лінія з плаваючою смугою, копланарний хвилевід або заземлення. Мікросмужкова лінія складається з фіксованої довжини металу або слідів і всієї площини заземлення або частини площини заземлення безпосередньо під нею. Характерний імпеданс у загальній структурі мікросмужкової лінії коливається від 50 Ом до 75 Ом.

Плаваюча смугова лінія є ще одним методом проводки та придушення шуму. Ця лінія складається з проводів фіксованої ширини на внутрішньому шарі та великої площини заземлення над і під центральним провідником. Площина заземлення затиснута між площиною живлення, тому вона може забезпечити дуже ефективний ефект заземлення. Це кращий метод для проводки радіочастотного сигналу друкованих плат.

Компланарний хвилевід може забезпечити кращу ізоляцію поблизу радіочастотного контуру та контуру, який потрібно прокласти ближче. Це середовище складається з центрального провідника та заземлюючих площин збоку або знизу. Найкращий спосіб передачі радіочастотних сигналів – підвісити стрічкові лінії або копланарні хвилеводи. Ці два методи можуть забезпечити кращу ізоляцію між сигналом і радіочастотами.

Рекомендується використовувати так звану «прохідну огорожу» з обох сторін компланарного хвилеводу. Цей метод може забезпечити ряд отворів заземлення на кожній металевій площині заземлення центрального провідника. Основна траса, що проходить посередині, має огорожі з обох боків, забезпечуючи таким чином короткий шлях для зворотного потоку до землі внизу. Цей метод може зменшити рівень шуму, пов’язаний із ефектом високої пульсації радіочастотного сигналу. Діелектрична проникність 4,5 залишається такою ж, як у матеріалу FR4 препрега, тоді як діелектрична проникність препрега — мікросмужкової, смужкової або офсетної смужкової лінії — становить приблизно від 3,8 до 3,9.

У деяких пристроях, які використовують площину заземлення, глухі переходи можуть використовуватися для покращення ефективності розв’язки силового конденсатора та забезпечення шунтового шляху від пристрою до землі. Шунтовий шлях до землі може скоротити довжину отвору. Таким чином можна досягти двох цілей: ви не тільки створюєте шунт або заземлення, але й зменшуєте відстань передачі пристроїв з невеликими площами, що є важливим фактором дизайну РЧ.