Dati PCB - Il design indossabile della scheda PCB richiede attenzione ai materiali di base

A causa delle loro dimensioni e dimensioni ridotte, ci sono pochi standard di circuiti stampati pronti per il crescente mercato dell'IoT indossabile. Prima che questi standard diventassero disponibili, abbiamo dovuto fare affidamento su ciò che abbiamo imparato nell'esperienza di sviluppo e produzione a livello di bordo e pensare a come applicarli alle sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono la nostra attenzione speciale: materiali di superficie del circuito stampato, progettazione RF/microonde e linee di trasmissione RF.

Materiale della scheda PCB

Le schede PCB sono tipicamente costituite da laminati, che possono essere fabbricati da materiali epossidici rinforzati con fibre (FR4), poliimide o Rogers o altri laminati. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato prepreg. Gli indossabili richiedono alti livelli di affidabilità, quindi questo diventa un problema quando i progettisti di schede PCB si trovano di fronte alla scelta di utilizzare FR4 (un materiale di produzione PCB conveniente) o materiali più avanzati e costosi. Se un'applicazione di scheda PCB indossabile richiede materiali ad alta velocità e ad alta frequenza, FR4 potrebbe non essere la scelta. La costante dielettrica (Dk) di FR4 è 4,5, il materiale più avanzato della serie Rogers 4003 ha una costante dielettrica di 3,55, e il fratello Rogers 4350 ha una costante dielettrica di 3,66. La costante dielettrica di una pila si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia tra una coppia di conduttori in prossimità della pila e la capacità o l'energia tra la coppia di conduttori in vuoto. Alle alte frequenze, c'è molto poca perdita, quindi 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 PCB per dispositivi indossabili varia da 4 a 8 strati. Il principio di costruzione dello strato è che se si tratta di un PCB a 8 strati, dovrebbe fornire abbastanza piani di terra e potenza e sandwich gli strati di routing. In questo modo, l'effetto di ondulazione nel crosstalk viene preservato e l'interferenza elettromagnetica (EMI) può essere significativamente ridotta. Nella fase di progettazione del layout del circuito stampato, il piano di layout è generalmente quello di posizionare un grande strato vicino allo strato di distribuzione dell'energia. Ciò si traduce in un effetto ripple molto basso e il rumore del sistema può essere ridotto a quasi zero. Ciò è particolarmente importante per i sottosistemi RF. Rispetto ai materiali Rogers, FR4 ha un fattore di dissipazione più elevato (Df), soprattutto alle alte frequenze. Per gli stack FR4 ad alte prestazioni, il valore Df è intorno a 0,002, che è un ordine di grandezza migliore del normale FR4. Ma lo stack di Rogers è solo 0,001 o meno. Quando il materiale FR4 viene utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, c'è una differenza notevole nella perdita di inserzione. La perdita di inserimento è definita come la perdita di potenza nella trasmissione del segnale dal punto A al punto B quando si utilizzano FR4, Rogers o altri materiali.

Problemi di produzione

La scheda PCB indossabile richiede un controllo dell'impedenza più stretto, un fattore importante per i dispositivi indossabili, in quanto la corrispondenza dell'impedenza può comportare una trasmissione del segnale più pulita. In precedenza, la tolleranza standard per le tracce portatrici di segnale era ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza ad alta velocità odierni. Il requisito attuale è ±7%, e in alcuni casi anche ±5% o meno. Questo parametro, insieme ad altre variabili, può influenzare gravemente la produzione di questi PCB indossabili con un controllo dell'impedenza particolarmente stretto, limitando così il numero di commercianti che possono fabbricarli. La tolleranza dielettrica costante dei laminati realizzati con materiali Rogers UHF è generalmente mantenuta ad ±2%, e alcuni prodotti possono persino raggiungere ±1%. Rogers può essere trovato per avere una perdita di inserzione eccezionalmente bassa con questi due materiali. Le pile Rogers hanno metà della perdita di trasmissione e inserimento rispetto ai materiali FR4 convenzionali. Nella maggior parte dei casi, i costi contano. Tuttavia, Rogers può fornire prestazioni di stack-up ad alta frequenza relativamente basse ad un prezzo accettabile. Per applicazioni commerciali, Rogers può essere combinato con FR4 a base epossidica per creare PCB ibridi, con alcuni strati utilizzando materiale Rogers e altri utilizzando FR4. Quando si seleziona uno stack Rogers, la frequenza è la considerazione primaria. Quando le frequenze superano i 500 MHz, i progettisti di schede PCB tendono a scegliere i materiali Rogers, specialmente per i circuiti RF / microonde, perché questi materiali possono fornire prestazioni superiori quando le tracce di cui sopra sono rigorosamente controllate dall'impedenza. I materiali Rogers offrono anche perdite dielettriche inferiori rispetto ai materiali FR4 e le loro costanti dielettriche sono stabili su un'ampia gamma di frequenze. Inoltre, i materiali Rogers possono fornire la prestazione ideale di perdita di inserzione bassa richiesta per il funzionamento ad alta frequenza. Il coefficiente di espansione termica (CTE) dei materiali della serie Rogers 4000 ha un'eccellente stabilità dimensionale. Ciò significa che l'espansione termica e la contrazione della scheda possono essere mantenute ad un limite stabile a maggiore frequenza e cicli di temperatura più elevati quando la scheda è sottoposta a cicli di riflusso freddi, caldi e molto caldi rispetto a FR4. Nel caso di uno stack ibrido, Rogers e FR4 ad alte prestazioni possono essere facilmente miscelati utilizzando la comune tecnologia di processo di produzione, quindi è relativamente facile ottenere rendimenti di produzione elevati. Lo stackup Rogers non richiede un processo di preparazione dedicato. FR4 regolare non può ottenere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, come Tg più alto, sono ancora relativamente bassi e possono essere utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni, dai semplici progetti audio alle complesse applicazioni a microonde. Considerazioni sulla progettazione RF/Microonde

La tecnologia portatile e il Bluetooth hanno aperto la strada alle applicazioni RF/microonde nei wearables. La gamma di frequenze di oggi sta diventando sempre più dinamica. Alcuni anni fa, molto alta frequenza (VHF) è stata definita come 2GHz ~ 3GHz. Ma ora possiamo vedere applicazioni ad altissima frequenza (UHF) nella gamma da 10GHz a 25GHz. Pertanto, per la scheda PCB indossabile, la parte RF richiede una maggiore attenzione ai problemi di cablaggio, ai segnali separati e a tenere le tracce che generano segnali ad alta frequenza lontano dal terreno. Altre considerazioni includono: fornire filtri bypass, condensatori di disaccoppiamento adeguati, messa a terra e progettare linee di trasmissione e ritorno quasi uguali. Un filtro bypass sopprime gli effetti di ripple del contenuto di rumore e crosstalk. I condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati più vicino ai pin del dispositivo che trasportano il segnale di alimentazione. Le linee di trasmissione ad alta velocità e i circuiti di segnale richiedono un piano di terra tra i segnali del piano di potenza per attenuare il jitter dai segnali rumorosi. A velocità del segnale più elevate, piccole disallineazioni di impedenza possono causare segnali di trasmissione e ricezione sbilanciati, con conseguente distorsione. Pertanto, particolare attenzione deve essere prestata ai problemi di corrispondenza dell'impedenza associati ai segnali RF, che hanno alte velocità e tolleranze speciali. Le linee di trasmissione RF richiedono impedenza controllata per trasmettere segnali RF da un substrato IC specifico a una scheda PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate negli strati esterni, superiori e inferiori e possono anche essere progettate nello strato medio. I metodi utilizzati durante il layout di progettazione RF del PCB sono microstrip, stripline galleggiante, guida d'onda complanare o messa a terra. Una linea microtrip consiste in una lunghezza fissa di metallo o traccia e l'intero piano di terra o parte del piano di terra direttamente sotto di essa. L'impedenza caratteristica in una struttura di linea microtrip generale è da 50Ω a 75Ω. Le stripline sospese sono un altro metodo di instradamento e soppressione del rumore. Questa linea consiste di cablaggio a larghezza fissa sullo strato interno e di un grande piano di terra sopra e sotto il conduttore centrale. Il piano di terra è inserito tra i piani di potenza e fornisce quindi un effetto di messa a terra molto efficace. Questo è il metodo preferito per il routing del segnale RF su schede PCB indossabili. Le guide d'onda complanari possono fornire un migliore isolamento vicino a linee e linee RF che devono essere tracciate vicino tra loro. Questo mezzo è costituito da una lunghezza di conduttori centrali e piani di terra su entrambi i lati o sotto. Il metodo di trasmissione dei segnali RF è Stripline sospese o guide d'onda complanari. Questi due metodi forniscono un migliore isolamento tra segnale e tracce RF. L'uso dei cosiddetti "recinti via" è raccomandato su entrambi i lati di una guida d'onda complanare. Questo approccio fornisce una fila di vias di terra su ogni piano di terra metallico del conduttore centrale. La traccia principale che corre nel mezzo è recintata su ogni lato, dando così alla corrente di ritorno una scorciatoia alla formazione sottostante. Questo approccio riduce i livelli di rumore associati ad alti effetti di ripple sui segnali RF. La costante dielettrica di 4,5 rimane la stessa del materiale prepreg FR4, mentre il prepreg-da microstrip, stripline o stripline offset-ha una costante dielettrica 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 disaccoppiamento dei condensatori dell'alimentazione elettrica e fornire un percorso shunt dal dispositivo alla terra. Il percorso dello shunt a terra può accorciare la lunghezza della via, che serve a due scopi: non solo creare uno shunt o terra, ma è possibile ridurre la distanza di trasmissione dei dispositivi con terra piccola, che è un importante fattore di progettazione RF della scheda PCB.