PCB Блог - Дизайн носимой платы PCB требует сосредоточения внимания на основных материалах

Из-за их небольшого размера и размера существует немногие готовые стандарты печатных плат для растущего рынка носимых IoT. Прежде чем эти стандарты стали доступными, нам пришлось полагаться на то, что мы узнали в опыте разработки и производства на уровне платы, и подумать о том, как применить их к уникальным возникающим вызовам. Есть три области, которые требуют нашего особого внимания: поверхностные материалы платы, конструкция радиочастотной/микроволновой связи и линии передачи радиочастотной связи.

Материал платы PCB

ПХД обычно состоят из ламинатов, которые могут быть изготовлены из эпоксидного материала, усиленного волокном (FR4), полиимида или материалов Роджерса или других ламинатов. Изоляционный материал между различными слоями называется прегрегом. Носимые устройства требуют высокого уровня надежности, поэтому это становится проблемой, когда дизайнеры плат PCB сталкиваются с выбором использования FR4 (экономически эффективный материал для производства PCB) или более передовых и дорогих материалов. Если приложение носимой платы PCB требует высокоскоростных, высокочастотных материалов, FR4 может не быть выбором. Диэлектрическая константа (Dk) FR4 составляет 4,5, более продвинутый материал серии Rogers 4003 имеет диэлектрическую константу 3,55, а брат Rogers 4350 имеет диэлектрическую константу 3,66. Диэлектрическая константа стека относится к соотношению емкости или энергии между парой проводников в окрестностях стека к емкости или энергии между парой проводников в вакууме. На высоких частотах потери очень небольшие, поэтому Roger 4350 с диэлектрической константой 3,66 более подходит для применения на более высоких частотах, чем FR4 с диэлектрической константой 4,5. При нормальных условиях количество слоев ПХД для носимых устройств колеблется от 4 до 8 слоев. Принцип конструкции слоя заключается в том, что если это 8-слойная ПХД, она должна обеспечить достаточное количество земельных и мощных плоскостей и сэндвич маршрутизационных слоев. Таким образом, эффект волны в перекрестном разговоре сохраняется и электромагнитные помехи (ЭМИ) могут быть значительно уменьшены. На этапе проектирования макета платы схемы план макета обычно состоит в том, чтобы разместить большой слой близко к слою распределения энергии. Это приводит к очень низкому эффекту волны, и системный шум может быть снижен почти до нуля. Это особенно важно для РФ-подсистем. По сравнению с материалами Роджерса, FR4 имеет более высокий коэффициент рассеивания (Df), особенно на высоких частотах. Для более высокопроизводительных стеков FR4 значение Df составляет около 0,002, что на порядок величины лучше обычного FR4. Но стек Роджерса составляет всего 0,001 или меньше. Когда материал FR4 используется для высокочастотных приложений, есть заметная разница в потере вставки. Потеря вставки определяется как потеря мощности в передаче сигнала из точки А в точку В при использовании FR4, Роджерса или других материалов.

Проблемы производства

Носимая плата PCB требует более жесткого контроля импеданса, что является важным фактором для носимых устройств, поскольку сопоставление импеданса может привести к более чистой передаче сигнала. Ранее стандартная допустимость для сигнальных следов составляла ±10%. Этот показатель, очевидно, недостаточно хорош для современных высокочастотных высокоскоростных схем. Текущее требование составляет ±7%, а в некоторых случаях даже ±5% или менее. Этот параметр, наряду с другими переменными, может сильно повлиять на изготовление этих носимых ПХД с особенно жестким управлением импедансом, тем самым ограничивая количество торговцев, которые могут их изготовить. Диэлектрическая постоянная допустимость ламинатов из материалов Rogers UHF обычно поддерживается на уровне ±2%, а некоторые продукты могут даже достигать ±1%. Роджерс может иметь исключительно низкую потерю вставки с этими двумя материалами. Стеки Роджерса имеют половину потери передачи и вставки по сравнению с обычными материалами FR4. В большинстве случаев стоимость имеет значение. Однако Роджерс может обеспечить относительно низкую потерю высокочастотной производительности стека-ап по приемлемой цене. Для коммерческих приложений, Роджерс может быть объединен с эпоксидной основой FR4 для изготовления гибридных ПХД, при этом некоторые слои используют материал Роджерс, а другие используют FR4. При выборе стека Роджерса частота является главным соображением. Когда частоты превышают 500 МГц, конструкторы плат, как правило, выбирают материалы Роджерса, особенно для радиочастотных / микроволновых схем, потому что эти материалы могут обеспечить более высокую производительность, когда вышеуказанные следы строго контролируются импедансом. Материалы Роджерса также предлагают меньшие диэлектрические потери по сравнению с материалами FR4, и их диэлектрические константы стабильны в широком диапазоне частот. Кроме того, материалы Rogers могут обеспечить идеальную производительность с низкими потерями вставки, необходимые для высокочастотной работы. Коэффициент теплового расширения (CTE) материалов серии Rogers 4000 обладает отличной размерной стабильностью. Это означает, что тепловое расширение и сжатие доски могут поддерживаться на стабильном пределе при более высокой частоте и более высоком температурном цикле, когда доска подвергается холодным, горячим и очень горячим циклам повторного потока по сравнению с FR4. В случае гибридного стека, Роджерс и высокопроизводительный FR4 могут легко смешиваться вместе с использованием общей технологии производственного процесса, поэтому относительно легко достичь высоких производственных урожайностей. Стекуп Роджерса не требует специального процесса подготовки. Обычный FR4 не может достичь очень надежной электрической производительности, но высокопроизводительные материалы FR4 имеют хорошие характеристики надежности, такие как более высокий Tg, по-прежнему относительно недороги и могут использоваться в широком спектре приложений, от простых аудио-конструкций до сложных микроволновых приложений. Радиочастотная/микроволновая конструкция

Портативная технология и Bluetooth проложили путь для RF / микроволновых приложений в носимых устройствах. Сегодняшний диапазон частот становится все более динамичным. Несколько лет назад очень высокая частота (VHF) была определена как 2 ГГц ~ 3 ГГц. Но теперь мы можем увидеть применения сверхвысокой частоты (UHF) в диапазоне от 10 ГГц до 25 ГГц. Поэтому для носимой платы PCB часть РФ требует более пристального внимания к проблемам проводки, отделению сигналов и сохранению следов, которые генерируют высокочастотные сигналы, подальше от земли. Другие соображения включают: обеспечение обходных фильтров, адекватные конденсаторы разъединения, заземление и проектирование почти равных линий передачи и возвращения. Фильтр обхода подавляет волновое воздействие содержания шума и кросстока. Конденсаторы для разъединения должны быть размещены ближе к штифтам устройства, которые несут сигнал питания. Высокоскоростные линии передачи и сигнальные петли требуют плоскости земли между сигналами плоскости силы, чтобы сгладить тревогу от шумных сигналов. При более высоких скоростях сигнала небольшие несоответствия импеданса могут вызвать несбалансированную передачу и прием сигналов, что приводит к искажению. Поэтому особое внимание следует уделить проблемам сопоставления импеданса, связанным с радиочастотными сигналами, которые имеют высокие скорости и особые допуски. Линии передачи радиочастотной связи требуют контролируемого импеданса для передачи радиочастотных сигналов с конкретной подложки IC на плату PCB. Эти линии передачи могут быть реализованы во внешних, верхних и нижних слоях, а также могут быть спроектированы в среднем слое. Методы, используемые во время RF-проектирования макета PCB, являются микроплоской, плавучей полосной линией, копланарным волноводом или заземлением. Линия микрополосы состоит из фиксированной длины металла или следа и всей плоскости земли или части плоскости земли непосредственно под ней. Характеристическая импеданс в общей структуре линии микрополосы составляет от 50Ω до 75Ω. Подвесенные полосы являются еще одним методом маршрутизации и подавления шума. Эта линия состоит из проводки фиксированной ширины на внутреннем слое и большой плоскости земли над и ниже центрального проводника. Земельная плоскость размещена между силовыми плоскостями и, таким образом, обеспечивает очень эффективный эффект заземления. Это предпочтительный метод маршрутизации радиочастотного сигнала на носимых платах PCB. Копланарные волноводы могут обеспечить лучшую изоляцию вблизи радиочастотных линий и линий, которые должны быть прослежены близко друг к другу. Эта среда состоит из длины центрального проводника и земных плоскостей с обеих сторон или ниже. Способом передачи радиочастотных сигналов являются подвесные полосы или копланарные волноводы. Эти два метода обеспечивают лучшую изоляцию между сигналом и радиочастотными следами. Рекомендуется использовать так называемые «через заборы» с обеих сторон копланарного волновода. Этот подход предусматривает ряд заземных проездов на каждой металлической плоскости заземления центрального проводника. Основная трасса, проходящая в середине, ограждена с каждой стороны, таким образом, дающая возвращающийся ток короткий путь к образованию ниже. Этот подход снижает уровень шума, связанный с высоким воздействием волн на радиочастотные сигналы. Диэлектрическая константа 4,5 остается такой же, как и препрегированный материал FR4, в то время как препрегированный материал из микроплоски, полосы или офсетной полосы имеет диэлектрическую константу примерно от 3,8 до 3,9. В некоторых устройствах, которые используют плоскость земли, слепые виа могут использоваться для улучшения производительности разъединения конденсаторов питания и обеспечения шляха шунта от устройства к земле. Шунт-путь к земле может сократить длину трассы, которая служит двум целям: вы не только создаете шунт или землю, но и можете сократить расстояние передачи устройств с небольшой землей, что является важным фактором конструкции RF платы PCB.