PCB-Neuigkeiten - Mikrowellen PCB Design von tragbaren Geräten

Tragbare Geräte erfordern eine hohe Zuverlässigkeit, was ein Problem sein kann, wenn Leiterplattendesigner mit der Wahl von FR4 (dem kosteneffizientesten Leiterplattenherstellungsmaterial) oder fortschrittlicheren und teureren Materialien konfrontiert sind.

Aufgrund ihrer geringen Größe und Größe gibt es nur wenige fertige Leiterplattenstandards für den wachsenden Wearable Internet of Things Markt. Vor der Einführung dieser Standards mussten wir uns auf Wissen und Fertigungserfahrung in der Entwicklung von Leiterplatten verlassen und darüber nachdenken, wie wir diese auf einzigartige neue Herausforderungen anwenden können. Es gibt drei Bereiche, die besondere Aufmerksamkeit erfordern: Leiterplattenoberflächenmaterialien, HF-/Mikrowellenentwurf und HF-Übertragungsleitungen.

Leiterplattenmaterial

Leiterplatten bestehen im Allgemeinen aus Schichten, die aus faserverstärkten Epoxidharzen (FR4), Polyimiden oder Rogers oder anderen Laminaten bestehen können. Dämmstoffe zwischen Schichten werden als halbhärtbare Platten bezeichnet.

Tragbare Geräte erfordern eine hohe Zuverlässigkeit, was ein Problem sein kann, wenn Leiterplattendesigner mit der Wahl von FR4 (dem kosteneffizientesten Leiterplattenherstellungsmaterial) oder fortschrittlicheren und teureren Materialien konfrontiert sind.

Wenn tragbare PCB-Anwendungen Hochgeschwindigkeitsmaterialien erfordern, ist FR4 möglicherweise nicht die beste Wahl. Die dielektrische Konstante (Dk) von FR 4 ist 4.5, die der fortschrittlicheren Rogers 4003 Serie ist 3.55 und die der Brüder Rogers 4350 ist 3.66.

Abbildung 1: Ein gestapeltes Diagramm einer mehrschichtigen Leiterplatte, das FR4-Material und Rogers 4350 und Kernschichtdicke zeigt.

Die dielektrische Konstante eines Stapels bezieht sich auf das Verhältnis der Kapazität oder Energie eines Leiterpaares in der Nähe des Stapels zu dem eines Leiterpaares in einem Vakuum. Bei hohen Frequenzen ist es vorzuziehen, sehr geringe Verluste zu haben, so dass Loger 4350 mit einem Dielektrizitätskoeffizienten von 3.66 für höhere Frequenzen besser geeignet ist als FR4 mit einer Dielektrizitätskonstante von 4.5.

Normalerweise reicht die Anzahl der Leiterplattenschichten, die für tragbare Geräte verwendet werden, von 4 bis 8. Schicht wird nach dem Prinzip konstruiert, dass, wenn es sich um eine 8-Schicht-Leiterplatte handelt, sie genügend Schichten und Leistungsschichten bereitstellen und die Verdrahtungsschichten in der Mitte klemmen sollte. Auf diese Weise kann der Welleneffekt im Übersprechen minimiert und die elektromagnetische Störung (EMI) deutlich reduziert werden.

In der Designphase des Leiterplattenlayouts platzieren Layoutschemata im Allgemeinen große Schichten in der Nähe der Stromverteilungsschicht. Dadurch entsteht ein sehr geringer Ripple-Effekt und das Systemrauschen kann auf nahezu Null reduziert werden. Dies ist besonders wichtig für HF-Subsysteme.

FR4 hat einen höheren Dissipationsfaktor (Df) als Rogers Material, insbesondere bei hohen Frequenzen. Für leistungsfähigere FR4-Stapel beträgt der Df-Wert etwa 0.002, was eine Größenordnung besser ist als bei normalen FR4-Stapeln. Roger haben jedoch nur 0.001 oder kleinere Schichten. Wenn das FR4-Material für Hochfrequenzanwendungen verwendet wird, gibt es einen signifikanten Unterschied in der Einfügedämpfung. Interpolationsverlust ist definiert als der Verlust der Leistung von Punkt A nach Punkt B, wenn FR4, Rogers oder andere Materialien verwendet werden.

Probleme bei der Leiterplattenherstellung

Tragbare Leiterplatten erfordern eine strengere Impedanzkontrolle, was ein wichtiger Faktor für tragbare Geräte ist, und Impedanzanpassung kann eine sauberere Signalübertragung erzeugen. Früher betrug die Standardtoleranz für signalführende Routen (+) 10%. Dieser Indikator ist offensichtlich nicht gut genug für die heutigen Hochfrequenz-Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Die Anforderung beträgt jetzt (+) 7%, in einigen Fällen sogar (+) 5% oder weniger. Dieser Parameter, zusammen mit anderen Variablen, kann die Herstellung von tragbaren Leiterplatten mit einer sehr strengen Impedanzkontrolle stark beeinträchtigen, wodurch die Anzahl der Unternehmen, die sie herstellen können, begrenzt wird.

Die dielektrisch konstante Toleranz der Schichten aus Rogers UHF-Materialien beträgt im Allgemeinen (+) 2%, einige Produkte können sogar (+) 1%, im Vergleich zu 10% für FR4-Schichten erreichen. Daher wird beim Vergleich dieser beiden Materialien festgestellt, dass der Einführungsverlust von Rogers besonders gering ist. Die Übertragungsverluste und Einfügeverluste des Rogers Stacks sind halb so gering wie die des herkömmlichen FR4 Materials.

Die Kosten sind in den meisten Fällen am wichtigsten. Rogers kann jedoch eine relativ verlustarme, hochfrequente Stapelleistung zu einem akzeptablen Preis bieten. Für kommerzielle Anwendungen kann Rogers zu einer gemischten Leiterplatte mit FR4 auf Basis von Epoxidharzen verarbeitet werden, von denen einige Rogers verwenden und andere FR4 verwenden.

Häufigkeit ist die primäre Überlegung bei der Auswahl von Rogers Stacks. PCB-Designer neigen dazu, Rogers-Materialien zu wählen, wenn die Frequenz 500 MHz überschreitet, insbesondere für HF-/Mikrowellenschaltungen, weil diese Materialien eine bessere Leistung liefern können, wenn die obigen Leitungen einer strengen Impedanzkontrolle unterliegen.

Im Vergleich zu FR4-Materialien bieten Rogers-Materialien auch einen geringeren dielektrischen Verlust, und ihre dielektrischen Konstanten sind über einen weiten Frequenzbereich stabil. Darüber hinaus kann das Rogers-Material ideale verlustarme Leistung für Hochfrequenzbetrieb bieten.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Rogers 4000-Serie hat eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität. Dies bedeutet, dass die Ausdehnung und Kontraktion der Leiterplatte bei höheren Frequenzen und höheren Temperaturen bei einem kalten, heißen und sehr heißen Reflux-Lötziyklus im Vergleich zu FR4 an einer stabilen Grenze bleiben kann.

Bei Hybridschichten ist es einfach Rogers mit Hochleistungs-FR4 mit gängiger Fertigungsverfahrenstechnologie zu mischen, wodurch eine hohe Fertigungsausbeute relativ einfach erreicht werden kann. Rogers Stapeln erfordert keinen speziellen Bohrvorbereitungsprozess.

Normale FR4 können keine sehr zuverlässige elektrische Leistung erzielen, aber leistungsstarke FR4-Materialien haben eine gute Zuverlässigkeit, wie höhere Tg, sind immer noch relativ preiswert und können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, vom einfachen Audiodesign bis hin zu komplexen Mikrowellenanwendungen.

PCBÜberlegungen zum Design von HF/Mikrowellen-Leiterplatten

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

Daher erfordert der HF-Teil für tragbare Leiterplatten mehr Aufmerksamkeit auf Verdrahtungsprobleme und trennt die Signale separat, so dass die Hochfrequenzsignale weg vom Boden erzeugt werden. Weitere Überlegungen umfassen die Bereitstellung eines Bypass-Filters, ausreichende Entkopplungskapazität, Erdung und nahezu gleichwertige Auslegung von Übertragungs- und Schleifenleitungen.

Bypass-Filter können den Ripple-Effekt von Rauschinhalt und Übersprechen unterdrücken. Die Entkopplungskapazität muss näher am Pin des Gerätes platziert werden, das das Leistungssignal trägt.

Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen und Signalschleifen erfordern eine Schicht zwischen den Power Layer-Signalen, um den durch Rauschsignale erzeugten Jitter zu glätten. Bei höheren Signalgeschwindigkeiten können kleine Impedanzanpassungen zu unausgewogener Übertragung und Empfang von Signalen führen, was zu Verzerrungen führt. Daher muss der Impedanzanpassung im Zusammenhang mit Hochfrequenzsignalen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da diese eine hohe Geschwindigkeit und eine besondere Toleranz aufweisen.

HF-Übertragungsleitungen erfordern eine Impedanzsteuerung, um HF-Signale von einem bestimmten IC-Substrat auf eine Leiterplatte zu übertragen. Diese Übertragungsleitungen können auf der äußeren, oberen und unteren Schicht oder auf der mittleren Schicht ausgeführt werden.

Die Methoden, die im PCB-RF-Design-Layout verwendet werden, sind Mikrostreifenlinien, suspendierte Streifen, koplanare Wellenleiter oder Erdung. Eine Mikrostreifenlinie besteht aus einer festen Länge aus Metall oder Linie und einer ganzen oder einem Teil einer Ebene direkt darunter. Die charakteristische Impedanz in allgemeinen Mikrostreifenlinienstrukturen reicht von 50_bis 75_.

Abgehängte Streifenleitungen sind eine weitere Methode der Verdrahtung und Geräuschunterdrückung. Die Leitung besteht aus einer festen Verdrahtung auf der Innenschicht und einer großen Erdungsfläche über und unter dem Zentralleiter. Das Bodenniveau wird in der Mitte der Leistungsschicht eingespannt, was einen sehr effektiven Erdungseffekt bietet. Dies ist eine bevorzugte Methode für tragbare PCB-HF-Signalverdrahtung.

Koplanare Wellenleiter bieten eine bessere Isolation in der Nähe von HF-Leitungen und Leitungen, die nah beieinander bewegt werden müssen. Das Medium besteht aus einem zentralen Leiter und Erdungsebenen auf oder darunter. Der beste Weg, Hochfrequenzsignale zu übertragen, besteht darin, eine Streifenleitung oder einen koplanaren Wellenleiter auszusetzen. Diese beiden Methoden können eine bessere Isolation zwischen dem Signal und der HF-Leitung bieten.

Der sogenannte "Durchgangszaun" wird auf beiden Seiten eines koplanaren Wellenleiters empfohlen. Diese Methode bietet eine Reihe von Erdungslöchern auf jedem Metallboden des Zentralleiters. Die Hauptstrecke, die in der Mitte verläuft, hat Zäune auf jeder Seite, so dass eine Abkürzung in die untere Schicht für den Rückfluss ist. Diese Methode kann den Rauschpegel im Zusammenhang mit dem hohen Welleneffekt des Hochfrequenzsignals reduzieren. Die dielektrische Konstante von 4,5 bleibt die gleiche wie die des halbgehärteten FR4-Materials, während die dielektrische Konstante des halbgehärteten Blechschlitzes von der Mikrostreifenlinie, der Bandlinie oder des Offset-Bandlinienbeschlags etwa 3,8 bis 3,9 beträgt.

Bei einigen Geräten, die den Erdboden verwenden, können Blindlöcher verwendet werden, um die Entkopplungsleistung der Leistungskapazität zu verbessern und Shunt-Pfade vom Gerät zum Boden bereitzustellen. Der Shunt-Pfad zum Boden kann die Länge des Lochs verkürzen, was zwei Zwecke erreichen kann: Sie erstellen nicht nur den Shunt oder die Masse, sondern reduzieren auch den Übertragungsabstand von Geräten mit kleinen Patches, was ein wichtiger HF-Designfaktor ist.