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Blog de PCB - El diseño de placas de PCB portátiles requiere centrarse en los materiales básicos

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El diseño de placas de PCB portátiles requiere centrarse en los materiales básicos

2022-02-09
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Author:pcb

Debido a su pequeño tamaño, en el creciente mercado de Internet de las cosas wearable, casi no hay estándares de placas de circuito impreso Listos. Antes de que salgan estos estándares, debemos confiar en nuestra experiencia de desarrollo y fabricación a nivel de Consejo de Administración y pensar en cómo aplicarlos a desafíos emergentes únicos. Hay tres áreas que requieren nuestra atención especial: materiales de superficie de placas de circuito, diseño de radiofrecuencia / microondas y líneas de transmisión de radiofrecuencia.

Placa de circuito impreso

Materiales de placas de PCB

Las placas de PCB suelen estar compuestas por laminados que pueden fabricarse a partir de resina epoxi reforzada con fibra (fr4), poliimida o material Rogers u otros laminados. Los materiales aislantes entre diferentes capas se llaman preimpregnados. Los dispositivos portátiles requieren un alto nivel de fiabilidad, por lo que esto se convierte en un problema cuando los diseñadores de placas de PCB se enfrentan a la opción de usar fr4 (un material de fabricación de PCB rentable) o materiales más avanzados y caros. Si las aplicaciones de placas de PCB portátiles requieren materiales de alta velocidad y alta frecuencia, fr4 puede no ser la opción. La constante dieléctrica (dk) de fr4 es de 4,5, y el coeficiente dieléctrico de los materiales más avanzados de la serie Rogers 4003 es de 3,55, Por su parte, el hermano Rogers 4350 tiene una constante dieléctrica de 3,66. el coeficiente dieléctrico de la pila se refiere a la relación entre la capacidad o la energía de un par de conductores cerca de la pila y la capacidad o energía de ese par de conductores en el vacío. A alta frecuencia, la pérdida es muy pequeña, por lo que Roger 4350 con una constante dieléctrica de 3,66 es más adecuado para aplicaciones de alta frecuencia que fr4 con una constante dieléctrica de 4,5. En circunstancias normales, el número de capas de PCB de los dispositivos portátiles oscila entre 4 y 8 capas. El principio de construcción jerárquica es que si se trata de un PCB de 8 capas, se debe proporcionar suficiente plano de tierra y fuente de alimentación, y se debe sujetar la capa de cableado en el medio. De esta manera, se pueden conservar los efectos de onda en las conversaciones cruzadas y se puede reducir significativamente la interferencia electromagnética (emi). En la etapa de diseño del diseño de la placa de circuito, el esquema de diseño suele colocar una gran formación cerca de la capa de distribución. Esto conduce a un efecto de onda muy bajo y el ruido del sistema se puede reducir a casi cero. Esto es particularmente importante para los subsistemas de radiofrecuencia. En comparación con los materiales rogers, fr4 tiene un mayor factor de disipación (df), especialmente a altas frecuencias. Para apilar fr4 de mayor rendimiento, el valor de DF es de aproximadamente 0002, que es un orden de magnitud mejor que el fr4 convencional. Pero la pila de Rogers es solo 0001 o menos. Cuando el material fr4 se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia, hay diferencias significativas en la pérdida de inserción. La pérdida de inserción se define como la pérdida de potencia en la transmisión de señal desde el punto a hasta el punto B cuando se utilizan fr4, Rogers u otros materiales.


Problemas de fabricación

Las placas de PCB portátiles requieren un control de resistencia más estricto, que es un factor importante en los dispositivos portátiles, ya que la coincidencia de resistencia permite una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para la trayectoria de la señal era de ± 10%. Para los circuitos de alta velocidad de alta frecuencia de hoy, este indicador obviamente no es lo suficientemente bueno. El requisito actual es de ± 7%, en algunos casos incluso de ± 5% o menos. Este parámetro, junto con otras variables, puede afectar seriamente la fabricación de estos PCB portátiles con controles de resistencia particularmente estrictos, limitando así el número de comerciantes que pueden fabricarlos. La tolerancia de la constante dieléctrica de los laminados hechos de materiales de ultra alta frecuencia Rogers suele mantenerse en ± 2%, y algunos productos incluso pueden alcanzar ± 1%. Con estos dos materiales se puede encontrar que Rogers tiene una pérdida de inserción muy baja. En comparación con los materiales fr4 tradicionales, las laminaciones Rogers tienen la mitad de las pérdidas de transmisión e inserción. En la mayoría de los casos, los costos son importantes. Sin embargo, Rogers puede proporcionar un rendimiento de superposición de alta frecuencia de pérdida relativamente baja a un precio aceptable. Para aplicaciones comerciales, Rogers se puede combinar con fr4 a base de resina para hacer PCB mixtos, algunas de las cuales usan materiales Rogers y otras usan fr4. Al elegir la pila rogers, la frecuencia es la consideración principal. Cuando la frecuencia supera los 500 mhz, los diseñadores de placas de PCB tienden a elegir materiales rogers, especialmente para circuitos RF / microondas, ya que estos materiales pueden proporcionar un mayor rendimiento cuando los rastros anteriores están estrictamente controlados por la resistencia. En comparación con los materiales fr4, los materiales Rogers también tienen pérdidas dieléctrico más bajas y sus constantes dieléctrico son estables en un amplio rango de frecuencia. Además, el material Rogers puede proporcionar un rendimiento ideal de baja pérdida de inserción necesario para operaciones de alta frecuencia. El coeficiente de expansión térmica (cte) de los materiales de la serie Rogers 4000 tiene una excelente estabilidad dimensional. Esto significa que la expansión térmica y la contracción de la placa pueden mantenerse en límites estables a mayor frecuencia y ciclo de temperatura cuando la placa está sometida a un ciclo de retorno frío, caliente y muy caliente en comparación con fr4. En el caso de apilamiento híbrido, Rogers y fr4 de alto rendimiento pueden mezclarse fácilmente utilizando técnicas de proceso de fabricación comunes, por lo que es relativamente fácil lograr una alta producción de fabricación. La apilamiento de Rogers no requiere un proceso especial de preparación de agujeros. El fr4 convencional no logra un rendimiento eléctrico muy confiable, pero los materiales fr4 de alto rendimiento sí tienen buenas características de fiabilidad, como un Tg más alto, el costo sigue siendo relativamente bajo y se pueden utilizar en diversas aplicaciones, desde diseños de audio simples hasta aplicaciones complejas de microondas. precauciones de diseño de radiofrecuencia / microondas

La tecnología portátil y el Bluetooth allanan el camino para las aplicaciones de radiofrecuencia / microondas en dispositivos portátiles. El rango de frecuencia de hoy se está volviendo cada vez más dinámico. Hace unos años, la muy alta frecuencia (vhf) se definió como 2ghz a 3ghz. Pero ahora podemos ver aplicaciones de ultra alta frecuencia (uhf) en el rango de 10 GHz a 25 ghz. Por lo tanto, para las placas de PCB portátiles, la parte RF necesita prestar más atención a los problemas de cableado, separar las señales y mantener los rastros que producen señales de alta frecuencia alejados del suelo. Otras consideraciones incluyen: proporcionar filtros de derivación, condensadores de desacoplamiento suficientes, puesta a tierra y diseñar líneas de transmisión y retorno casi iguales. El filtro de derivación inhibe el contenido de ruido y el efecto de onda de conversación cruzada. Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse más cerca de los pines del dispositivo que llevan la señal de potencia. La línea de transmisión de alta velocidad y el bucle de señal requieren un plano de tierra entre las señales del plano de potencia para suavizar el temblor de las señales de ruido. A velocidades de señal más altas, un menor desajuste de resistencia puede causar un desequilibrio entre las señales de transmisión y recepción, lo que conduce a una distorsión. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a los problemas de emparejamiento de resistencia relacionados con la señal rf, que tiene alta velocidad y tolerancia especial. La línea de transmisión de radiofrecuencia necesita controlar la resistencia para transmitir la señal de radiofrecuencia de un sustrato IC específico a una placa de pcb. Estas líneas de transmisión se pueden implementar en la capa exterior, superior e inferior, o se pueden diseñar en la capa intermedia. Los métodos utilizados en el diseño de radiofrecuencia de los PCB son microstrip, línea de banda flotante, guía de onda coplanar o puesta a tierra. La línea de MICROSTRIP está compuesta por un metal o rastro de longitud fija y todo el plano de tierra o parte de él justo debajo de él. la resistencia característica de la estructura general de la línea de MICROSTRIP es de 50 a 75. colgar la línea de MICROSTRIP es otro método de cableado y supresión de ruido. La línea consta de un cableado de ancho fijo en la capa interior y un gran plano de tierra por encima y por debajo del conductor central. El plano de tierra está atrapado entre los planos de alimentación, proporcionando así un efecto de tierra muy eficaz. Este es el método preferido para el enrutamiento de señales RF en placas de PCB portátiles. Las guías de onda coplanares pueden proporcionar un mejor aislamiento cerca de las líneas de radiofrecuencia y las líneas que requieren un seguimiento cercano. El Medio está compuesto por un conductor central de un lado o debajo y un plano de tierra. El método de transmisión de la señal RF es una línea de banda colgada o una guía de onda coplanar. Estos dos métodos proporcionan un mejor aislamiento entre la señal y el rastro de radiofrecuencia. Se recomienda el uso de las llamadas "rejillas excesivas" a ambos lados de la Guía de onda coplanar. Este método proporciona una fila de agujeros de tierra en cada plano de tierra metálica del conductor central. Hay vallas a ambos lados de la pista principal en el centro, lo que proporciona un atajo para el retorno a la formación inferior. Este método reduce el nivel de ruido asociado al efecto de alta onda en la señal rf. La constante dieléctrica de 4.5 se mantiene igual que el material fr4 del blanco preimpregnado, mientras que el blanco preimpregnado de microstrip, línea de banda o línea de banda desviada tiene un coeficiente dieléctrico de aproximadamente 3,8 a 3,9. En algunos dispositivos que utilizan planos de tierra, se pueden utilizar agujeros ciegos para mejorar el rendimiento de desacoplamiento de los condensadores de alimentación y proporcionar rutas de desviación del dispositivo al suelo. La ruta de desvío al suelo puede acortar la longitud del agujero, lo que tiene dos propósitos: no solo se puede crear un desvío o puesta a tierra, sino también reducir la distancia de transmisión de los equipos con pequeñas puesta a tierra, que es un factor importante en el diseño de radiofrecuencias de placas de pcb.