Thông tin PCB - Thiết kế bảng PCB có thể đeo đòi hỏi tập trung vào vật liệu cơ bản

Do kích thước và kích thước nhỏ của chúng, có rất ít tiêu chuẩn bảng mạch in sẵn sàng cho thị trường IoT có thể mặc đang phát triển. Trước khi các tiêu chuẩn này có sẵn, chúng tôi phải dựa vào những gì chúng tôi học được trong kinh nghiệm phát triển và sản xuất cấp bảng và suy nghĩ về cách áp dụng chúng cho các thách thức mới nổi độc đáo. Có ba lĩnh vực đòi hỏi sự chú ý đặc biệt của chúng tôi: vật liệu bề mặt bảng mạch, thiết kế RF / vi sóng và đường truyền RF.

Vật liệu bảng PCB

Bảng PCB thường bao gồm các loại laminate, có thể được chế tạo từ epoxy gia cố sợi (FR4), polyimide hoặc vật liệu Rogers hoặc các loại laminate khác. Vật liệu cách nhiệt giữa các lớp khác nhau được gọi là prepreg. Thiết bị đeo đòi hỏi mức độ tin cậy cao, vì vậy điều này trở thành một vấn đề khi các nhà thiết kế bảng PCB phải đối mặt với sự lựa chọn sử dụng FR4 (một vật liệu sản xuất PCB hiệu quả về chi phí) hoặc vật liệu tiên tiến hơn và đắt tiền hơn. Nếu một ứng dụng bảng PCB có thể đeo đòi hỏi vật liệu tốc độ cao, tần số cao, FR4 có thể không phải là sự lựa chọn. Hằng số điện môi (Dk) của FR4 là 4,5, vật liệu dòng Rogers 4003 tiên tiến hơn có hằng số điện môi 3,55, và anh em Rogers 4350 có hằng số điện môi 3,66. Hằng số điện môi của một ngăn chồng đề cập đến tỷ lệ công suất hoặc năng lượng giữa một cặp dây dẫn trong khu vực lân cận của ngăn chồng với công suất hoặc năng lượng giữa cặp dây dẫn trong chân không. Ở tần số cao, có rất ít mất mát, vì vậy Roger 4350 với hằng số điện môi 3,66 phù hợp hơn cho các ứng dụng tần số cao hơn so với FR4 với hằng số điện môi 4,5. Trong hoàn cảnh bình thường, số lớp PCB cho các thiết bị có thể mặc dao động từ 4 đến 8 lớp. Nguyên tắc xây dựng lớp là nếu đó là một PCB 8 lớp, nó nên cung cấp đủ mặt đất và máy bay điện và sandwich các lớp định tuyến. Bằng cách này, hiệu ứng sóng trong crosstalk được bảo tồn và nhiễu điện từ (EMI) có thể giảm đáng kể. Trong giai đoạn thiết kế bố trí bảng mạch, kế hoạch bố trí thường là đặt một lớp lớn gần lớp phân phối điện. Điều này dẫn đến hiệu ứng sóng rất thấp và tiếng ồn hệ thống có thể giảm xuống gần như không. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hệ phụ RF. So với vật liệu Rogers, FR4 có yếu tố tiêu tan cao hơn (Df), đặc biệt là ở tần số cao. Đối với các ngăn chồng FR4 hiệu suất cao hơn, giá trị Df là khoảng 0,002, đó là một thứ tự lớn hơn FR4 thông thường. Nhưng ngăn xếp của Rogers chỉ là 0,001 hoặc ít hơn. Khi vật liệu FR4 được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao, có một sự khác biệt đáng chú ý trong mất tích chèn. Mất chèn được định nghĩa là mất năng lượng trong truyền tín hiệu từ điểm A đến điểm B khi sử dụng FR4, Rogers hoặc các vật liệu khác.

Các vấn đề sản xuất

Bảng PCB có thể đeo đòi hỏi kiểm soát trở kháng chặt chẽ hơn, một yếu tố quan trọng đối với các thiết bị có thể đeo, vì sự phù hợp trở kháng có thể dẫn đến truyền tín hiệu sạch hơn. Trước đó, dung sai tiêu chuẩn cho dấu vết mang tín hiệu là ±10%. Chỉ số này rõ ràng không đủ tốt cho các mạch tốc độ cao tần số cao ngày nay. Yêu cầu hiện tại là ±7%, và trong một số trường hợp thậm chí ±5% hoặc ít hơn. Thông số này, cùng với các biến khác, có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sản xuất các PCB có thể mặc này với kiểm soát trở kháng đặc biệt chặt chẽ, do đó hạn chế số lượng thương nhân có thể sản xuất chúng. Kháng dung không đổi điện môi của các tấm laminate làm bằng vật liệu Rogers UHF thường được duy trì ở ± 2%, và một số sản phẩm thậm chí có thể đạt ± 1%. Rogers có thể được tìm thấy có mất tích chèn đặc biệt thấp với hai vật liệu này. Các ngăn xếp Rogers có một nửa tổn thất truyền tải và chèn so với vật liệu FR4 thông thường. Trong hầu hết các trường hợp, chi phí là vấn đề. Tuy nhiên, Rogers có thể cung cấp hiệu suất xếp chồng tần số cao tương đối thấp với mức giá chấp nhận được. Đối với các ứng dụng thương mại, Rogers có thể được kết hợp với FR4 dựa trên epoxy để tạo ra PCB lai, với một số lớp sử dụng vật liệu Rogers và những lớp khác sử dụng FR4. Khi chọn một ngăn xếp Rogers, tần số là cân nhắc chính. Khi tần số vượt quá 500MHz, các nhà thiết kế bảng PCB có xu hướng chọn vật liệu Rogers, đặc biệt là cho các mạch RF / vi sóng, bởi vì các vật liệu này có thể cung cấp hiệu suất cao hơn khi các dấu vết trên được kiểm soát nghiêm ngặt bởi trở kháng. Vật liệu Rogers cũng cung cấp tổn thất môi điện thấp hơn so với vật liệu FR4, và hằng số môi điện của chúng ổn định trên một phạm vi tần số rộng. Ngoài ra, vật liệu Rogers có thể cung cấp hiệu suất mất tích chèn thấp lý tưởng cần thiết cho hoạt động tần số cao. Hệ số mở rộng nhiệt (CTE) của vật liệu dòng Rogers 4000 có độ ổn định chiều tuyệt vời. Điều này có nghĩa là sự mở rộng nhiệt và co lại của bảng có thể được duy trì ở một giới hạn ổn định ở tần số cao hơn và chu kỳ nhiệt độ cao hơn khi bảng chịu các chu kỳ chảy lại lạnh, nóng và rất nóng so với FR4. Trong trường hợp của một ngăn chồng lai, Rogers và FR4 hiệu suất cao có thể dễ dàng trộn với nhau bằng cách sử dụng công nghệ quy trình sản xuất phổ biến, vì vậy nó tương đối dễ dàng để đạt được năng suất sản xuất cao. Rogers stackup không yêu cầu một quy trình chuẩn bị chuyên dụng. FR4 thông thường không thể đạt được hiệu suất điện rất đáng tin cậy, nhưng vật liệu FR4 hiệu suất cao có đặc điểm độ tin cậy tốt, chẳng hạn như Tg cao hơn, vẫn tương đối thấp và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ thiết kế âm thanh đơn giản đến các ứng dụng vi sóng phức tạp. Các cân nhắc thiết kế RF / Microwave

Công nghệ di động và Bluetooth mở đường cho các ứng dụng RF / vi sóng trong thiết bị đeo. Phạm vi tần số ngày nay đang trở nên ngày càng năng động hơn. Vài năm trước, tần số rất cao (VHF) được định nghĩa là 2GHz ~ 3GHz. Nhưng bây giờ chúng ta có thể thấy các ứng dụng tần số siêu cao (UHF) trong phạm vi từ 10GHz đến 25GHz. Do đó, đối với bảng PCB có thể đeo, phần RF đòi hỏi sự chú ý chặt chẽ hơn đến các vấn đề dây, tín hiệu riêng biệt và giữ dấu vết tạo ra tín hiệu tần số cao xa mặt đất. Những cân nhắc khác bao gồm: cung cấp bộ lọc bypass, tụ điện tách nối đầy đủ, đặt đất và thiết kế đường truyền và đường quay trở lại gần như bằng nhau. Một bộ lọc bypass ức chế các hiệu ứng sóng của nội dung tiếng ồn và crosstalk. Các tụ nối cần được đặt gần hơn với các chân thiết bị mang tín hiệu điện. Dây chuyền truyền tốc độ cao và vòng tín hiệu yêu cầu một phẳng mặt đất giữa các tín hiệu phẳng điện để làm mịn sự rung động từ các tín hiệu ồn ào. Ở tốc độ tín hiệu cao hơn, sự không phù hợp trở kháng nhỏ có thể gây ra tín hiệu truyền và nhận không cân bằng, dẫn đến biến dạng. Do đó, phải chú ý đặc biệt đến các vấn đề phù hợp trở kháng liên quan đến tín hiệu RF, có tốc độ cao và dung sai đặc biệt. Dây chuyền truyền RF yêu cầu trở kháng được kiểm soát để truyền tín hiệu RF từ một nền IC cụ thể đến một bảng PCB. Những đường truyền này có thể được thực hiện ở lớp bên ngoài, trên và dưới, và cũng có thể được thiết kế ở lớp giữa. Các phương pháp được sử dụng trong bố trí thiết kế RF của PCB là dải vi mô, dải nổi, dẫn sóng đồng phẳng hoặc đặt đất. Một dòng microstrip bao gồm một chiều dài cố định của kim loại hoặc dấu vết và toàn bộ phẳng mặt đất hoặc một phần của phẳng mặt đất trực tiếp dưới đó. Kháng trở đặc trưng trong cấu trúc dòng microstrip chung là từ 50Ω đến 75Ω. Các đường dải bị treo là một phương pháp khác để định tuyến và ức chế tiếng ồn. Dây chuyền này bao gồm dây có chiều rộng cố định trên lớp bên trong và một phẳng mặt đất lớn trên và dưới dây dẫn trung tâm. Máy bay mặt đất được đặt giữa các máy bay điện và do đó cung cấp một hiệu ứng đặt đất rất hiệu quả. Đây là phương pháp ưa thích cho định tuyến tín hiệu RF trên bảng PCB có thể đeo. Các dẫn sóng đồng phẳng có thể cung cấp sự cô lập tốt hơn gần các dòng RF và các dòng cần được theo dõi gần nhau. Môi trường này bao gồm chiều dài của dây dẫn trung tâm và phẳng mặt đất ở cả hai bên hoặc dưới. Phương pháp truyền tín hiệu RF là đường dải treo hoặc đường dẫn sóng đồng phẳng. Hai phương pháp này cung cấp sự cô lập tốt hơn giữa tín hiệu và dấu vết RF. Việc sử dụng cái gọi là "qua hàng rào" được khuyến nghị ở cả hai bên của dẫn sóng đồng phẳng. Cách tiếp cận này cung cấp một hàng vias mặt đất trên mỗi phẳng mặt đất kim loại của dây dẫn trung tâm. Dấu vết chính chạy ở giữa được hàng rào ở mỗi bên, do đó cung cấp cho dòng trở lại một đường tắt đến hình thành dưới đây. Cách tiếp cận này làm giảm mức độ tiếng ồn liên quan đến hiệu ứng sóng cao trên tín hiệu RF. Hằng số điện môi 4,5 vẫn giống như vật liệu FR4 prepreg, trong khi prepreg - từ dải vi môi, dải, hoặc dải bù đắp - có hằng số điện môi khoảng 3,8 đến 3,9. Trong một số thiết bị sử dụng một phẳng mặt đất, đường mù có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tách nối của tụ điện cung cấp điện và cung cấp một con đường shunt từ thiết bị đến mặt đất. Con đường shunt đến mặt đất có thể rút ngắn chiều dài của đường qua, phục vụ hai mục đích: bạn không chỉ tạo ra một shunt hoặc mặt đất, mà bạn có thể giảm khoảng cách truyền của các thiết bị có mặt đất nhỏ, đó là một yếu tố thiết kế RF bảng PCB quan trọng.