Leiterplatte Blog - Tragbares PCB Board Design erfordert Fokus auf Grundstoffe

Aufgrund ihrer kleinen Größe gibt es nur wenige fertige Leiterplatten-Standards für den wachsenden Wearable IoT-Markt. Bevor diese Standards verfügbar wurden, mussten wir uns darauf verlassen, was wir in der Entwicklung und Fertigung auf Board-Ebene gelernt haben, und darüber nachdenken, wie wir sie auf einzigartige neue Herausforderungen anwenden können. Es gibt drei Bereiche, die unsere besondere Aufmerksamkeit erfordern: Oberflächenmaterialien für Leiterplatten, RF/Mikrowellen-Design und RF-Übertragungsleitungen.

Leiterplattenmaterial

Leiterplatten bestehen typischerweise aus Laminaten, die aus faserverstärktem Epoxy (FR4), Polyimid oder Rogers-Materialien oder anderen Laminaten hergestellt werden können. Das Isoliermaterial zwischen den verschiedenen Schichten wird als Prepreg bezeichnet. Wearables erfordern ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, also wird dies zu einem Problem, wenn PCB-Board-Designer mit der Wahl konfrontiert sind, FR4 (ein kostengünstiges PCB-Herstellungsmaterial) oder fortschrittlichere und teurere Materialien zu verwenden. Wenn eine tragbare Leiterplattenanwendung Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzmaterialien erfordert, ist FR4 möglicherweise nicht die Wahl. Die dielektrische Konstante (Dk) von FR4 beträgt 4,5, das fortgeschrittenere Material der Serie Rogers 4003 hat eine dielektrische Konstante von 3,55 und das Geschwister Rogers 4350 hat eine dielektrische Konstante von 3,66. Die dielektrische Konstante eines Stapels bezieht sich auf das Verhältnis der Kapazität oder der Energie zwischen einem Leiterpaar in der Nähe des Stapels zu der Kapazität oder der Energie zwischen dem Leiterpaar im Vakuum. Bei hohen Frequenzen gibt es sehr wenig Verlust, so dass Roger 4350 mit einer dielektrischen Konstante von 3,66 für höhere Frequenzanwendungen geeigneter ist als FR4 mit einer dielektrischen Konstante von 4,5. Unter normalen Umständen reicht die Anzahl der PCB-Schichten für tragbare Geräte von 4 bis 8 Schichten. Das Schichtbauprinzip besteht darin, dass, wenn es sich um eine 8-lagige Leiterplatte handelt, es genügend Erd- und Leistungsebenen bereitstellen und die Routing-Schichten sandwichen sollte. Auf diese Weise wird der Welleneffekt im Quersprechen erhalten und elektromagnetische Störungen (EMI) können deutlich reduziert werden. In der Gestaltungsstufe des Layouts der Leiterplatte besteht der Layoutsplan in der Regel darin, eine große Schicht in der Nähe der Stromverteilungsschicht zu platzieren. Dadurch entsteht ein sehr geringer Welleneffekt und der Systemgeräusch kann auf fast Null reduziert werden. Dies ist besonders wichtig für RF-Subsysteme. Im Vergleich zu Rogers-Materialien hat FR4 einen höheren Ablauffaktor (Df), insbesondere bei hohen Frequenzen. Für leistungsstarkere FR4-Stacks beträgt der Df-Wert etwa 0,002, was eine Größenordnung besser ist als reguläre FR4. Aber Rogers Stack ist nur 0,001 oder weniger. Wenn FR4-Material für Hochfrequenzanwendungen verwendet wird, besteht ein spürbarer Unterschied im Einsetzverlust. Einsetzverlust ist definiert als Leistungsverlust bei der Signalübertragung von Punkt A nach Punkt B bei Verwendung von FR4, Rogers oder anderen Materialien.

Herstellungsprobleme

Tragbare Leiterplatten erfordern eine strengere Impedanzkontrolle, ein wichtiger Faktor für tragbare Geräte, da die Impedanzanpassung zu einer saubereren Signalübertragung führen kann. Früher lag die Standardtoleranz für signalträgende Spuren bei ±10%. Dieser Indikator ist offensichtlich nicht gut genug für heutige Hochfrequenzschaltungen. Der Strombedarf beträgt ±7%, in einigen Fällen sogar ±5% oder weniger. Dieser Parameter kann zusammen mit anderen Variablen die Herstellung dieser tragbaren Leiterplatten mit besonders enger Impedanzregelung stark beeinflussen und somit die Anzahl der Händler begrenzen, die sie herstellen können. Die dielektrische konstante Toleranz von Laminaten aus Rogers UHF-Materialien wird in der Regel bei ±2% gehalten, und einige Produkte können sogar ±1% erreichen. Rogers kann mit diesen beiden Materialien einen außergewöhnlich geringen Einsetzverlust aufweisen. Rogers-Stacks haben im Vergleich zu herkömmlichen FR4-Materialien den halben Übertragungs- und Einsetzverlust. In den meisten Fällen zählen die Kosten. Rogers kann jedoch eine relativ niedrige Verlustleistung bei hoher Frequenz zu einem akzeptablen Preis liefern. Für kommerzielle Anwendungen kann Rogers mit epoxidbasiertem FR4 kombiniert werden, um hybride Leiterplatten herzustellen, wobei einige Schichten Rogers-Material verwenden und andere FR4 verwenden. Bei der Auswahl eines Rogers-Stacks ist die Frequenz die primäre Überlegung. Wenn Frequenzen über 500MHz hinausgehen, wählen PCB-Board-Designer Rogers-Materialien, insbesondere für HF-/Mikrowellenschaltungen, da diese Materialien höhere Leistung bieten können, wenn die oben genannten Spuren streng durch Impedanz kontrolliert werden. Rogers-Materialien bieten auch niedrigere dielektrische Verluste im Vergleich zu FR4-Materialien und ihre dielektrischen Konstanten sind über einen weiten Frequenzbereich stabil. Darüber hinaus können Rogers-Materialien die ideale niedrige Einsetzverlustleistung bieten, die für den Hochfrequenzbetrieb erforderlich ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) der Materialien der Rogers 4000-Serie hat eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität. Dies bedeutet, dass die thermische Ausdehnung und Kontraktion der Platte bei höherer Frequenz und höherem Temperaturzyklus auf einer stabilen Grenze gehalten werden kann, wenn die Platte im Vergleich zu FR4 kalten, heißen und sehr heißen Reflow-Zyklen ausgesetzt wird. Im Falle eines Hybrid-Stacks können Rogers und der leistungsstarke FR4 mit gängiger Fertigungsprozesstechnologie leicht miteinander gemischt werden, so dass es relativ einfach ist, hohe Fertigungserträge zu erzielen. Der Rogers Stackup erfordert keinen speziellen Vorbereitungsprozess. Regelmäßige FR4 kann keine sehr zuverlässige elektrische Leistung erreichen, aber leistungsstarke FR4-Materialien haben gute Zuverlässigkeitseigenschaften, wie höhere Tg, sind immer noch relativ niedrig und können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, von einfachen Audiodesigns bis hin zu komplexen Mikrowellenanwendungen. Überlegungen zur RF/Mikrowellen-Konstruktion

Tragbare Technologie und Bluetooth ebneten den Weg für RF-/Mikrowellenanwendungen in Wearables. Der heutige Frequenzbereich wird immer dynamischer. Vor einigen Jahren wurde die sehr hohe Frequenz (VHF) als 2GHz bis 3GHz definiert. Aber jetzt können wir Anwendungen mit ultrahoher Frequenz (UHF) im Bereich von 10GHz bis 25GHz sehen. Daher erfordert das HF-Teil für die tragbare Leiterplatte eine engere Aufmerksamkeit auf die Verdrahtungsprobleme, getrennte Signale und die Spuren, die hochfrequente Signale erzeugen, weg vom Boden zu halten. Andere Überlegungen umfassen: Bereitstellung von Bypass-Filtern, ausreichende Entkopplungskondensatoren, Erdung und die Konstruktion von Übertragungs- und Rückleitungen fast gleich. Ein Bypassfilter unterdrückt die Welleneffekte von Geräuschgehalt und Crosstalk. Entkopplungskondensatoren müssen näher an den Gerätestiften, die das Stromsignal tragen, platziert werden. Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen und Signalschleifen erfordern eine Erdebene zwischen den Signalen der Leistungsebene, um Jitter aus lauten Signalen auszugleichen. Bei höheren Signalgeschwindigkeiten können kleine Impedanzfehler ungleichgewichtige Sende- und Empfangssignale verursachen, was zu Verzerrungen führt. Daher muss besondere Aufmerksamkeit auf Probleme der Impedanzanpassung mit HF-Signalen gelegt werden, die hohe Geschwindigkeiten und besondere Toleranzen aufweisen. HF-Übertragungsleitungen erfordern eine gesteuerte Impedanz, um HF-Signale von einem bestimmten IC-Substrat auf eine Leiterplatte zu übertragen. Diese Übertragungsleitungen können in der äußeren, oberen und unteren Schicht ausgeführt und auch in der mittleren Schicht ausgebildet sein. Die Methoden, die beim RF-Design-Layout der Leiterplatte verwendet werden, sind Mikrostreifen, schwimmende Streifenleitung, koplanarer Wellenleiter oder Erdung. Eine Mikrostreifenleitung besteht aus einer festen Länge von Metall oder Spure und der gesamten Erdebene oder einem Teil der Erdebene direkt darunter. Die charakteristische Impedanz in einer allgemeinen Mikrostreifenleitungsstruktur beträgt von 50Ω bis 75Ω. Suspended striplines sind eine weitere Methode zur Routing und Unterdrückung von Geräuschen. Diese Leitung besteht aus einer festbreiten Verdrahtung auf der Innenschicht und einer großen Erdebene über und unter dem Mittelleiter. Die Erdeebene ist zwischen den Antriebsebenen geschaltet und bietet somit einen sehr wirksamen Erdungseffekt. Dies ist das bevorzugte Verfahren für die RF-Signalrouting auf tragbaren Leiterplatten. Koplanare Wellenleiter können eine bessere Isolierung in der Nähe von HF-Leitungen und Leitungen bieten, die eng miteinander verfolgt werden müssen. Dieses Medium besteht aus einer Länge von Mittelleiter und Bodenebenen auf beiden Seiten oder unterhalb. Das Verfahren zur Übertragung von HF-Signalen sind suspendierte Streifenleitungen oder koplanare Wellenleiter. Diese beiden Methoden bieten eine bessere Isolierung zwischen Signal- und HF-Spuren. Auf beiden Seiten eines koplanaren Wellenleiters wird der Einsatz sogenannter "über Zäune" empfohlen. Dieser Ansatz stellt eine Reihe von Erdvias auf jeder metallischen Erdebene des Mittelleiters bereit. Die in der Mitte laufende Hauptspur ist auf jeder Seite eingezäunt, wodurch der Rückstrom eine Abkürzung zur Formation unten gibt. Dieser Ansatz reduziert die Geräuschpegel, die mit hohen Welleneffekten auf HF-Signale verbunden sind. Die dielektrische Konstante von 4,5 bleibt die gleiche wie das Prepreg-FR4-Material, während das Prepreg-aus Mikrostreifen, Streifen oder Offset-Streifen eine dielektrische Konstante von etwa 3,8 bis 3,9 aufweist. In einigen Geräten, die eine Erdebene verwenden, können blinde Vias verwendet werden, um die Entkopplungsleistung der Stromversorgungskondensatoren zu verbessern und einen Shuntweg von der Vorrichtung zur Erde bereitzustellen. Der Shunt-Weg zur Erde kann die Länge der Via verkürzen, die zwei Zwecke dient: Sie erstellen nicht nur eine Shunt oder Erde, sondern Sie können den Übertragungsabstand von Geräten mit kleiner Erde reduzieren, was ein wichtiger Leiterplatten-RF-Designfaktor ist.