Notizie PCB - Il design del PCB indossabile richiede attenzione ai materiali di base

Il PCB indossabile richiede un controllo più rigoroso dell'impedenza. Questo è un fattore importante per i dispositivi indossabili. La corrispondenza dell'impedenza può produrre una trasmissione di segnale più pulita. In precedenza, la tolleranza standard per le tracce che trasportano il segnale era di ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità di oggi. Il requisito attuale è di ±7%, e in alcuni casi anche di ±5% o meno.

A causa delle piccole dimensioni e dimensioni, non c'è quasi nessuno standard di circuito stampato pronto per il crescente mercato dell'IoT indossabile. Prima che questi standard venissero pubblicati, abbiamo dovuto basarci sulle conoscenze e sull'esperienza di produzione acquisite nello sviluppo a livello di scheda e pensare a come applicarli a sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono una particolare attenzione. Sono: materiali di superficie della scheda di circuito, progettazione RF / microonde e linee di trasmissione RF.

Materiale PCB

I PCB sono generalmente composti da laminati, che possono essere fatti di epossidi rinforzato con fibre (FR4), poliimide o materiali Rogers o altri materiali laminati. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato prepreg.

I dispositivi indossabili richiedono un'alta affidabilità, quindi quando i progettisti di PCB si trovano di fronte alla scelta di utilizzare FR4 (un materiale di fabbricazione di PCB economicamente efficace) o materiali più avanzati e più costosi, questo diventerà un problema.

Se le applicazioni di PCB indossabili richiedono materiali ad alta velocità e ad alta frequenza, FR4 potrebbe non essere la scelta migliore. La costante dielettrica (Dk) di FR4 è 4,5, la costante dielettrica del materiale più avanzato della serie Rogers 4003 è 3,55 e la costante dielettrica della serie fratello Rogers 4350 è 3,66.

La costante dielettrica di un laminato si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia tra una coppia di conduttori vicino al laminato e la capacità o l'energia tra la coppia di conduttori nel vuoto. Ad alte frequenze, per fortuna, c'è molto poca perdita. Pertanto, Roger 4350 con una costante dielettrica di 3,66 è più adatto per applicazioni di frequenza superiore rispetto a FR4 con una costante dielettrica di 4,5.

In circostanze normali, il numero di strati di PCB per dispositivi indossabili varia da 4 a 8 strati. Il principio della costruzione a strato è che se si tratta di un PCB a 8 strati, dovrebbe essere in grado di fornire sufficienti strati di terra e potenza e sandwich lo strato di cablaggio nel mezzo. In questo modo, l'effetto di ondulazione nel crosstalk può essere mantenuto piccolo e l'interferenza elettromagnetica (EMI) può essere significativamente ridotta.

Nella fase di progettazione del layout della scheda di circuito, il piano di layout è generalmente quello di mettere un grande strato di terra vicino allo strato di distribuzione dell'energia. Questo può formare un effetto di ondulazione molto basso e il rumore del sistema può anche essere ridotto a quasi zero. Ciò è particolarmente importante per il sottosistema di radiofrequenza.

Rispetto al materiale Rogers, FR4 ha un fattore di dissipazione (Df) più alto, soprattutto ad alte frequenze. Per i laminati FR4 ad alte prestazioni, il valore Df è di circa 0,002, che è un ordine di grandezza migliore del normale FR4. Tuttavia, la pila di Rogers è solo 0,001 o meno. Quando il materiale FR4 viene utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, ci sarà una differenza significativa nella perdita di inserimento. La perdita di inserimento è definita come la perdita di potenza del segnale dal punto A al punto B quando si utilizzano FR4, Rogers o altri materiali.

Problema di produzione

I PCB indossabili richiedono un controllo più rigoroso dell'impedenza, che è un fattore importante per i dispositivi indossabili. La corrispondenza dell'impedenza può produrre una trasmissione di segnale più pulita. In precedenza, la tolleranza standard per le tracce che trasportano il segnale era di ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità di oggi. Il requisito attuale è di ±7%, e in alcuni casi anche di ±5% o meno. Questo parametro e altre variabili influenzeranno gravemente la fabbricazione di PCB indossabili con un controllo di impedenza estremamente rigoroso, limitando così il numero di aziende che possono produrli.

La tolleranza dielettrica costante del laminato realizzato con materiali UHF Rogers è generalmente mantenuta a ±2%, e alcuni prodotti possono persino raggiungere ±1%. Al contrario, la tolleranza costante dielettrica del laminato FR4 è alta fino al 10%. Pertanto, confrontare Questi due materiali può essere trovato che la perdita di inserimento di Rogers è particolarmente bassa. Rispetto al materiale tradizionale FR4, la perdita di trasmissione e la perdita di inserimento della pila Rogers sono metà inferiori.

Nella maggior parte dei casi, i costi contano. Tuttavia, Rogers può fornire prestazioni di laminato ad alta frequenza relativamente basse perdite ad un prezzo accettabile. Per applicazioni commerciali, Rogers può essere trasformato in un PCB ibrido con FR4 a base epossidica, alcuni dei quali sono fatti di materiale Rogers, e altri strati sono fatti di FR4.

Quando si sceglie uno stack Rogers, la frequenza è la considerazione primaria. Quando la frequenza supera 500MHz, i progettisti di PCB tendono a scegliere materiali Rogers, specialmente per circuiti RF / microonde, perché questi materiali possono fornire prestazioni più elevate quando le tracce superiori sono strettamente controllate dall'impedenza.

Rispetto al materiale FR4, il materiale Rogers può anche fornire una perdita dielettrica più bassa e la sua costante dielettrica è stabile in un ampio intervallo di frequenza. Inoltre, il materiale Rogers può fornire le prestazioni ideali di bassa perdita di inserimento richieste dal funzionamento ad alta frequenza.

Il coefficiente di espansione termica (CTE) dei materiali della serie Rogers 4000 ha un'eccellente stabilità dimensionale. Ciò significa che rispetto al FR4, quando il PCB subisce cicli di riflusso freddo, caldo e molto caldo, l'espansione termica e la contrazione della scheda di circuito possono essere mantenute a un limite stabile in cicli di frequenza e temperatura più elevati.

Nel caso di impilamento misto, è facile utilizzare la tecnologia di processo di fabbricazione comune per miscelare Rogers e FR4 ad alte prestazioni insieme, quindi è relativamente facile raggiungere un elevato rendimento di fabbricazione. La pila Rogers non richiede un processo di preparazione speciale.

Il FR4 ordinario non può raggiungere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, come Tg più alto, ancora relativamente basso costo, e possono essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dal semplice design audio alle applicazioni a microonde complesse.

Considerazioni di progettazione RF/Microonde

La tecnologia portatile e il Bluetooth hanno aperto la strada alle applicazioni RF/microonde nei dispositivi indossabili. La gamma di frequenza di oggi sta diventando sempre più dinamica. Alcuni anni fa, la frequenza molto alta (VHF) era definita come 2GHz ~ 3GHz. Ma ora possiamo vedere applicazioni ad ultra alta frequenza (UHF) che vanno da 10GHz a 25GHz.

Pertanto, per il PCB indossabile, la parte radiofrequenza richiede più attenzione ai problemi di cablaggio, e i segnali dovrebbero essere separati separatamente e le tracce che generano segnali ad alta frequenza dovrebbero essere tenute lontane dal terreno. Altre considerazioni includono: fornire un filtro bypass, condensatori di scoppiamento adeguati, messa a terra e progettare la linea di trasmissione e la linea di ritorno per essere quasi uguali.

Il filtro bypass può sopprimere il contenuto di rumore e l'effetto di ondulazione del crosstalk. I condensatori di scoppiamento devono essere posizionati più vicino ai pin del dispositivo che trasportano i segnali di alimentazione.

Le linee di trasmissione ad alta velocità e i circuiti di segnale richiedono che uno strato di terra sia collocato tra i segnali del strato di potenza per lisciare il jitter generato dai segnali di rumore. A velocità di segnale più elevate, piccole discrepanze di impedenza causeranno trasmissione e ricezione di segnali squilibrati, con conseguente distorsione. Pertanto, deve essere prestata particolare attenzione al problema di corrispondenza di impedenza relativo al segnale di radiofrequenza, perché il segnale di radiofrequenza ha un'alta velocità e una tolleranza speciale.

Le linee di trasmissione a radiofrequenza richiedono impedenza controllata per trasmettere segnali a radiofrequenza da un substrato IC specifico al PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate sullo strato esterno, sullo strato superiore e sullo strato inferiore, oppure possono essere progettate nello strato medio.

I metodi utilizzati durante il layout di progettazione RF del PCB sono linee a microstriscia, linee a striscia galleggiante, guide d'onda coplanari o messa a terra. La linea a microstriscia è costituita da un metallo o traccia di lunghezza fissa, e l'intero piano di terra o parte del piano di terra direttamente sotto di esso. L'impedenza caratteristica nella struttura generale della linea a microstriscia va da 50Ω a 75Ω.

La striscia sospesa è un altro metodo di cablaggio e soppressione del rumore. Questa linea consiste in cablaggio a larghezza fissa sullo strato interno e un grande piano di terra sopra e sotto il conduttore centrale. Il piano di terra è inserito tra il piano di potenza, quindi può fornire un effetto di messa a terra molto efficace. Questo è il metodo preferito per il cablaggio del segnale a radiofrequenza del PCB indossabile.

Le guide d'onda coplanari possono fornire un migliore isolamento tra linee RF e linee che devono essere indirizzate più vicino. Questo mezzo è costituito da un conduttore centrale e piani di terra su entrambi i lati o sotto. Il modo migliore per trasmettere segnali RF è quello di sospendere una striscia o una guida d'onda coplanare. Questi due metodi possono fornire un migliore isolamento tra il segnale e le tracce RF.

Si raccomanda di utilizzare i cosiddetti "via recinzioni" su entrambi i lati della guida d'onda coplanare. Questo metodo può fornire una fila di vias di terra su ogni piano di terra metallico del conduttore centrale. La traccia principale che corre al centro ha recinzioni su ciascun lato, fornendo così una scorciatoia per la corrente di ritorno al terreno sottostante. Questo metodo può ridurre il livello di rumore associato all'alto effetto di ondulazione del segnale RF. La costante dielettrica di 4,5 rimane la stessa del materiale FR4 del prepreg, mentre la costante dielettrica del prepreg - da microstriscia, striscia o striscia offset - è di circa 3,8 a 3,9.

In alcuni dispositivi che utilizzano un piano di terra, vias ciechi possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni di scoppiamento del condensatore di alimentazione e fornire un percorso di shunt dal dispositivo a terra. Il percorso dello shunt verso terra può accorciare la lunghezza del via, che può raggiungere due scopi: non solo si crea uno shunt o terra, ma anche ridurre la distanza di trasmissione di dispositivi con una piccola area, che è un importante fattore di progettazione RF.