PCB-Neuigkeiten - Tragbares PCB-Design erfordert Aufmerksamkeit auf grundlegende Materialien

Tragbar PCB erfürdert strenger Impedeinz Steuerung. Dies istttttttttt ein wichtig Fakzuder für tragbar Geräte. Impedeinz passend kann produzieren Reiniger Signal Übertragung. Früher, die Stundard Toleranz für Signal tragen Spuren war ±10%. Dies Indikbeioder is vonfensichtlich nicht gut genug für heute HochfrequenzSchaltungen und Hochgeschwindigkeitsstrecken. Die aktuell Anfürderung is ±7%, und in einige Fälle auch ±5% oder weniger.

Aufgrund der geringen Größe und Größe gibt es fast keinen fertigen Leiterplattenstundard für den wachsenden Tragbar IoT-Markt. Bevor diese Stundards veröffentlicht wurden, mussten wir uns auf das Wissen und die Fertigungserfahrung verlassen, die wir in der Entwicklung von Leiterplatten erworben haben, und überlegen, wie wir sie auf einzigartige neue Herausfürderungen anwenden können. Es gibt drei Bereiche, die unsere besondere Aufmerksamkeit erfürdern. Sie sind: LeiterplattenoberflächenMaterialien, HF-/Mikrowellenentwurf und HF-Übertragungsleitungen.

LeiterplattenMaterial

Leiterplatten am bestenehen im Allgemeinen aus Laminaten, die aus faserverstärktem Epoxid (FR4), Polyimid oder Rogers-Materialien oder underen Laminatmaterialien hergestellt werden können. Das Isoliermaterial zwischen den verschiedenen Schichten wird als Prepreg bezeichnet.

Tragbar Geräte verlangen high Zuverlässigkeit, so wenn PCB Designer sind Gesichter mit die Wahl von Verwendung FR4 (a kostengünstig Leiterplattenherstellung material) or mehr Fürtgeschritten und mehr teuer Materialien, dies wird werden a Problem.

Wenn tragbsind PCB-Anwendungen Hochgeschwindigkeitsmaterialien erfürdern, ist FR4 möglicherweise nicht die beste Wahl. Die dielektrische Konstante ((Dk)) von FR4 ist 4.5, die dielektrische Konstante des fortschrittlicheren Rogers 4003-SerienMaterialien ist 3.55 und die dielektrische Konstante der Bruder-Serie Rogers 4350 ist 3.66.

Die dielektrische Konstante eines Laminats bezieht sich auf das Verhältnis der Kapazität oder Energie zwischen einem Leiterpaar in der Nähe des Laminats zur Kapazität oder Energie zwischen dem Leiterpaar im Vakuum. Bei hohen Frequenzen gibt es zum Glück sehr wenig Verlust. Daher eignet sich Roger 4350 mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,66 besser für Anwendungen mit höheren Frequenzen als FR4 mit einer Dielektrizitätskonstante von 4,5.

Unter normalen Umständen reicht die Anzahl der Leiterplattenschichten für tragbsind Geräte von 4 bis 8 Schichten. Das Prinzip der Schichtkonstruktion ist, dass, wenn es sich um eine 8-lagige Leiterplatte hundelt, sie in der Lage sein sollte, genügend Erdungs- und Leistungsschichten bereitzustellen und die Verdrahtungsschicht in der Mitte zu sundigen. Auf diese Weise kann der Welleneffekt im Übersprechen gering gehalten und elektromagnetische Störungen (EMI) deutlich reduziert werden.

In der Entwurfsphase des Leiterplattenlayouts besteht der Layoutplan im Allgemeinen darin, eine große Masseschicht nahe der Stromverteilungsschicht zu legen. Dies kann einen sehr geringen Ripple-Effekt erzeugen und das Systemrauschen kann auch auf nahezu Null reduziert werden. Dies ist besonders wichtig für das Subsystem Hochfrequenz.

Im Vergleich zu Rogers Material hat FR4 einen höheren Dissipationsfakzur (Df), insbesondere bei hohen Frequenzen. Für leistungsfähigere FR4-Laminate beträgt der Df-Wert etwa 0.002, war eine Größenordnung besser ist als gewöhnliche FR4. Rogers' Stapel ist jedoch nur 0.001 oder weniger. Wenn FR4-Material für Hochfrequenzanwendungen verwendet wird, gibt es einen signifikanten Unterschied in der Einfügedämpfung. Der Einbruchverlust ist definiert als der Leistungsverlust des Signals von Punkt A nach Punkt B bei Verwendung von FR4, Rogers oder underen Materialien.

Fertigungsproblem

Tragbsind Leiterplatten erfordern eine strengere Impedanzkontrolle, was ein wichtiger Fakzur für tragbare Geräte ist. Impedanz Matching kann eine sauberere Signalübertragung erzeugen. Früher betrug die Stundardtoleranz für Signaltragbahnen ±10%. Dieser Indikator ist vonfensichtlich nicht gut genug für die heutigen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Der aktuelle Bedarf beträgt ±7%, und in einigen Fällen sogar ±5% oder weniger. Dieser Parameter und undere Variablen werden die Herstellung von tragbaren Leiterplatten mit extrem strenger Impedanzkontrolle stark beeinträchtigen und dadurch die Anzahl der Unternehmen begrenzen, die sie herstellen können.

Die dielektrische konstante Toleranz des Laminats aus Rogers UHF-Materialien wird im Allgemeinen bei ±2% beibehalten und einige Produkte können sogar ±1% erreichen. Im Gegensatz dazu beträgt die dielektrische Konstantentoleranz des FR4-Laminats bis zu 10%. Diese beiden Materialien zeigen, dass Rogers' Einfügedämpfung besonders gering ist. Verglichen mit dem traditionellen FR4-Material sind die Übertragungsverluste und Einfügeverluste des Rogers-Stacks halb niedriger.

In den meisten Fällen kommt es auf Kosten an. Rogers kann jedoch eine relativ verlustarme Hochfrequenz-Laminatleistung zu einem akzeptablen Preis bieten. Für kommerzielle Anwendungen kann Rogers zu einer Hybridplatine mit epoxidbasiertem FR4 verarbeitet werden, von denen einige aus Rogers-Material und andere Schichten aus FR4 bestehen.

Bei der Auswahl eines Rogers Stacks steht die Häufigkeit im Vordergrund. Wenn die Frequenz 500MHz überschreitet, neigen PCB-Designer dazu, Rogers-Materialien zu wählen, besonders für HF-/Mikrowellenschaltungen, weil diese Materialien höhere Leistung liefern können, wenn die oberen Leiterbahnen streng durch Impedanz gesteuert werden.

Verglichen mit FR4-Material kann Rogers-Material auch einen geringeren dielektrischen Verlust bieten, und seine dielektrische Konstante ist in einem breiten Frequenzbereich stabil. Darüber hinaus kann Rogers Material die ideale Leistung mit geringer Einfügedämpfung bieten, die für Hochfrequenzbetrieb erforderlich ist.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Rogers 4000 Serie Materialien hat eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu FR4, wenn die Leiterplatte kalte, heiße und sehr heiße Reflow-Zyklen durchläuft, die diermische Ausdehnung und Kontraktion der Leiterplatte bei höheren Frequenz- und Temperaturzyklen an einer stabilen Grenze gehalten werden kann.

Beim Mischstapeln ist es einfach, die gängige Fertigungsverfahrenstechnologie zu verwenden, um Rogers und Hochleistungs-FR4 miteinander zu mischen, so dass es relativ einfach ist, eine hohe Fertigungsausbeute zu erzielen. Der Rogers Stapel erfordert keinen speziellen Vorbereitungsprozess.

Normale FR4 kann keine sehr zuverlässige elektrische Leistung erzielen, aber Hochleistungs-FR4-Materialien haben gute Zuverlässigkeitseigenschaften, wie höhere Tg, immer noch relativ niedrige Kosten und können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, vom einfachen Audiodesign bis hin zu komplexen Mikrowellenanwendungen.

Überlegungen zum HF/Mikrowellendesign

Portable Technologie und Bluetooth haben den Weg für HF-/Mikrowellenanwendungen in tragbaren Geräten geebnet. Der heutige Frequenzbereich wird immer dynamischer. Vor einigen Jahren wurde die sehr hohe Frequenz (VHF) als 2GHz~3GHz definiert. Aber jetzt können wir Ultra-High Frequency (UHF) Anwendungen sehen, die von 10GHz bis 25GHz reichen.

Daher erfordert der Hochfrequenzteil für die tragbare Leiterplatte mehr Aufmerksamkeit auf die Verdrahtungsprobleme, und die Signale sollten separat getrennt werden, und die Spuren, die HochfrequenzSignale erzeugen, sollten von der Erde ferngehalten werden. Weitere Überlegungen sind: Bereitstellung eines Bypass-Filters, adäquate Entkopplungskondensatoren, Erdung und Auslegung der Übertragungs- und Rückleitung fast gleich.

Der Bypass-Filter kann den Rauschgehalt und den Ripple-Effekt von Übersprechen unterdrücken. Entkopplungskondensatoren müssen näher an den Gerätestiften platziert werden, die LeistungsSignale transportieren.

Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen und Signalschleifen erfordern, dass zwischen den Power Layer-Signalen eine Masseschicht platziert wird, um den durch Rauschsignale erzeugten Jitter zu glätten. Bei höheren Signalgeschwindigkeiten führen kleine Impedanzanpassungen zu unausgewogener Übertragung und Empfang von Signalen, was zu Verzerrungen führt. Daher muss dem Impedanzanpassungsproblem im Zusammenhang mit dem Hochfrequenzsignal besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da das Hochfrequenzsignal eine hohe Geschwindigkeit und eine besondere Toleranz aufweist.

Hochfrequenz-Übertragungsleitungen benötigen eine kontrollierte Impedanz, um Hochfrequenzsignale von einem bestimmten IC-Substrat auf die Leiterplatte zu übertragen. Diese Übertragungsleitungen können auf der äußeren Schicht, der oberen und der unteren Schicht implementiert werden, oder sie können in der mittleren Schicht ausgeführt werden.

Die Methoden, die während des PCB-RF-Design-Layouts verwendet werden, sind Microstrip-Linien, schwimmende Streifen-Linien, koplanare Wellenleiter oder Erdung. Die Mikrostreifenlinie besteht aus einem Metall oder einer Spur mit fester Länge und der gesamten Erdungsebene oder einem Teil der Erdungsebene direkt darunter. Die charakteristische Impedanz in der allgemeinen Mikrostreifenlinienstruktur reicht von 50Ω bis 75Ω.

Abgehängte StripLinie ist eine andere Methode der Verdrahtung und Unterdrückung von Geräuschen. Diese Leitung besteht aus einer festen Verdrahtung auf der Innenschicht und einer großen Erdungsebene über und unter dem Mittelleiter. Die Erdungsebene ist zwischen der Energieebene eingeklemmt, so dass sie einen sehr effektiven Erdungseffekt bieten kann. Dies ist die bevorzugte Methode für tragbare PCB-Hochfrequenz-Signalverdrahtung.

Koplanare Wellenleiter können eine bessere Isolation zwischen HF-Leitungen und Leitungen bieten, die näher geführt werden müssen. Dieses Medium besteht aus einem zentralen Leiter und Erdungsebenen auf beiden Seiten oder darunter. Der beste Weg, HF-Signale zu übertragen, besteht darin, einen StripLinie oder einen koplanaren Wellenleiter auszusetzen. Diese beiden Methoden können eine bessere Isolation zwischen Signal und HF-Spuren ermöglichen.

Es wird empfohlen, auf beiden Seiten des koplanaren Wellenleiters sogenannte "Via Fences" zu verwenden. Diese Methode kann eine Reihe von Masseverschlüssen auf jeder Metallerdungsebene des Mittelleiters bereitstellen. Die Hauptspur, die in der Mitte verläuft, hat auf jeder Seite Zäune und bietet so eine Abkürzung für den Rückstrom zum Boden darunter. Diese Methode kann den Rauschpegel reduzieren, der mit dem hohen Welleneffekt des HF-Signals verbunden ist. Die dielektrische Konstante von 4,5 bleibt die gleiche wie das FR4-Material des Prepregs, während die dielektrische Konstante des Prepregs – von Microstrip, Stripline oder Offset-Stripline – etwa 3,8 bis 3,9 beträgt.

Bei einigen Geräten, die eine Erdungsebene verwenden, können Blind-Durchgänge verwendet werden, um die Entkopplungsleistung des Netzteilkondensators zu verbessern und einen Shunt-Pfad vom Gerät zur Erde bereitzustellen. Der Shunt-Pfad zum Boden kann die Länge des Durchgangs verkürzen, was zwei Zwecke erreichen kann: Sie erstellen nicht nur einen Shunt oder Masse, sondern reduzieren auch den Übertragungsabstand von Geräten mit einer kleinen Fläche, was ein wichtiger HF-Designfaktor ist.