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Los PCB portátiles requieren un control de resistencia más estricto. Este es un factor importante en los dispositivos portátiles. La coincidencia de resistencia puede producir una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para la trayectoria de la señal era de ± 10%. Para los circuitos de alta frecuencia y alta velocidad de hoy, este indicador obviamente no es lo suficientemente bueno. El requisito actual es de ± 7%, en algunos casos incluso de ± 5% o menos.
Debido a su pequeño tamaño, hay pocos estándares de placas de circuito impreso listos para el creciente mercado de Internet de las cosas portátiles. Antes de que se introduzcan estas normas, debemos confiar en el desarrollo de los conocimientos adquiridos y la experiencia manufacturera a nivel de la Junta Directiva y pensar en cómo aplicarlos a desafíos emergentes únicos. Hay tres áreas que requieren nuestra atención especial. Son: materiales de superficie de placas de circuito, diseño de radiofrecuencia / microondas y líneas de transmisión de radiofrecuencia.
Materiales de PCB
Los PCB suelen estar compuestos por laminados que pueden estar hechos de resina epoxi reforzada con fibra (fr4), poliimida o materiales Rogers u otros materiales laminados. Los materiales aislantes entre diferentes capas se llaman preimpregnados.
Los dispositivos portátiles requieren alta fiabilidad, por lo que esto se convierte en un problema cuando los diseñadores de PCB se enfrentan a la opción de usar fr4 (un material de fabricación de PCB rentable) o materiales más avanzados y caros.
Si las aplicaciones de PCB portátiles requieren materiales de alta velocidad y alta frecuencia, fr4 puede no ser la mejor opción. La constante dieléctrica (dk) de fr4 es de 4,5, la de los materiales más avanzados de la serie Rogers 4003 es de 3,55, y la de la serie hermanos Rogers 4350 es de 3,66.
La constante dieléctrica del laminado se refiere a la relación entre la capacidad o la energía de un par de conductores cerca del laminado y la capacidad o energía de este par de conductores en el vacío. Afortunadamente, a alta frecuencia, la pérdida es muy pequeña. Por lo tanto, Roger 4350, con una constante dieléctrica de 3,66, es más adecuado para aplicaciones de mayor frecuencia que fr4, con una constante dieléctrica de 4,5.
En circunstancias normales, el número de capas de PCB de los dispositivos portátiles oscila entre 4 y 8 capas. El principio de la estructura de la capa es que si se trata de un PCB de 8 capas, debe ser capaz de proporcionar suficiente formación de conexión y capa de alimentación, y sujetar la capa de cableado en el medio. De esta manera, se puede mantener un efecto de onda menor en la conversación cruzada y se puede reducir significativamente la interferencia electromagnética (emi).
En la etapa de diseño del diseño de la placa de circuito, el esquema de diseño suele colocar una gran formación de conexión cerca de la capa de distribución. Esto puede formar un efecto de onda muy bajo y el ruido del sistema también se puede reducir a casi cero. Esto es particularmente importante para los subsistemas de radiofrecuencia.
En comparación con el material rogers, fr4 tiene un factor de disipación más alto (df), especialmente a alta frecuencia. Para los laminados fr4 de mayor rendimiento, el valor de DF es de aproximadamente 0002, un orden de magnitud mejor que el fr4 ordinario. Sin embargo, la pila de Rogers es solo 0001 o menos. Cuando el material fr4 se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia, habrá diferencias significativas en la pérdida de inserción. La pérdida de inserción se define como la pérdida de potencia de la señal del punto a al punto B cuando se utilizan fr4, Rogers u otros materiales.
Problemas de fabricación
Los PCB portátiles requieren un control de resistencia más estricto, que es un factor importante en los dispositivos portátiles. La coincidencia de resistencia puede producir una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para la trayectoria de la señal era de ± 10%. Para los circuitos de alta frecuencia y alta velocidad de hoy, este indicador obviamente no es lo suficientemente bueno. El requisito actual es de ± 7%, en algunos casos incluso de ± 5% o menos. Este parámetro y otras variables afectarán seriamente la fabricación de PCB portátiles con un control de resistencia extremadamente estricto, limitando así el número de empresas que pueden fabricarlos.
La tolerancia de la constante dieléctrica de los laminados hechos de materiales de ultra alta frecuencia Rogers suele mantenerse en ± 2%, y algunos productos incluso pueden alcanzar ± 1%. Por el contrario, la tolerancia de la constante dieléctrica de los laminados fr4 es tan alta como el 10%. Por lo tanto, comparando estos dos materiales, se puede encontrar que la pérdida de inserción de Rogers es particularmente baja. En comparación con los materiales fr4 tradicionales, las pérdidas de transmisión e inserción de las capas Rogers se reducen a la mitad.
En la mayoría de los casos, los costos son importantes. Sin embargo, Rogers puede proporcionar propiedades de laminados de alta frecuencia con pérdidas relativamente bajas a precios aceptables. Para aplicaciones comerciales, Rogers puede hacer PCB mixtos con fr4 a base de resina, algunas de las cuales están hechas de materiales Rogers y otras de fr4.
Al elegir la pila rogers, la frecuencia es la consideración principal. Cuando la frecuencia supera los 500 mhz, los diseñadores de PCB tienden a elegir materiales rogers, especialmente para circuitos RF / microondas, ya que estos materiales pueden proporcionar un mayor rendimiento cuando el rastro superior está estrictamente controlado por la resistencia.
En comparación con el material fr4, el material Rogers también puede proporcionar una menor pérdida dieléctrica y su constante dieléctrica es estable en un amplio rango de frecuencia. Además, el material Rogers puede proporcionar el rendimiento ideal de baja pérdida de inserción necesario para operaciones de alta frecuencia.
El coeficiente de expansión térmica (cte) de los materiales de la serie Rogers 4000 tiene una excelente estabilidad dimensional. Esto significa que la expansión térmica y la contracción de la placa de circuito pueden mantenerse en límites estables a mayor frecuencia y ciclo de temperatura cuando el PCB experimenta un ciclo de retorno frío, caliente y muy caliente en comparación con el fr4.
En el caso de la pila mixta, es fácil mezclar Rogers con fr4 de alto rendimiento utilizando técnicas de proceso de fabricación comunes, por lo que es relativamente fácil lograr un alto rendimiento de fabricación. La superposición de Rogers no requiere un proceso especial de preparación a través del agujero.
El fr4 ordinario no puede lograr un rendimiento eléctrico muy confiable, pero los materiales fr4 de alto rendimiento tienen buenas características de fiabilidad, como un Tg más alto, que sigue siendo relativamente bajo en costos, y se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones, desde diseños de audio simples hasta aplicaciones complejas de microondas.
Precauciones en el diseño de radiofrecuencia / microondas
La tecnología portátil y el Bluetooth allanan el camino para las aplicaciones de radiofrecuencia / microondas en dispositivos portátiles. El rango de frecuencia de hoy se está volviendo cada vez más dinámico. Hace unos años, la muy alta frecuencia (vhf) se definió como 2ghz a 3ghz. Pero ahora podemos ver aplicaciones de ultra alta frecuencia (uhf) de 10 GHz a 25 ghz.
Por lo tanto, para los PCB portátiles, la parte de radiofrecuencia necesita prestar más atención a los problemas de cableado, las señales deben separarse y los rastros que producen señales de alta frecuencia deben mantenerse alejados del suelo. Otras consideraciones incluyen: proporcionar filtros de derivación, condensadores de desacoplamiento suficientes, puesta a tierra y diseñar líneas de transmisión y retorno casi iguales.
El filtro de derivación puede inhibir el contenido de ruido y el efecto de onda de la conversación cruzada. Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse más cerca de los pines de los dispositivos que transportan señales de potencia.
Las líneas de transmisión de alta velocidad y los bucles de señal requieren colocar capas de conexión entre las señales de la capa de potencia para suavizar el temblor generado por las señales de ruido. A velocidades de señal más altas, un menor desajuste de resistencia provocará un desequilibrio en la transmisión y recepción de la señal, lo que dará lugar a distorsiones. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a los problemas de emparejamiento de resistencia relacionados con las señales de radiofrecuencia, ya que las señales de radiofrecuencia tienen alta velocidad y una tolerancia especial.
La línea de transmisión de radiofrecuencia necesita controlar la resistencia para transmitir la señal de radiofrecuencia de un sustrato IC específico al pcb. Estas líneas de transmisión se pueden implementar en la capa exterior, superior e inferior, o se pueden diseñar en la capa intermedia.
Los métodos utilizados en el diseño de radiofrecuencia de PCB son líneas de microstrip, líneas de banda flotantes, guías de onda coplanares o puesta a tierra. La línea de MICROSTRIP consiste en un metal o rastro de longitud fija, todo el plano de tierra o parte del plano de tierra directamente debajo de él. el rango de resistencia característico de la estructura general de la línea de MICROSTRIP es de 50 a 75.
Colgar líneas de banda es otra forma de cableado y supresión de ruido. La línea consta de un cableado de ancho fijo en la capa interior y un gran plano de tierra por encima y por debajo del conductor central. El plano de tierra está atrapado entre los planos de alimentación, por lo que puede proporcionar un efecto de tierra muy eficaz. Este es el método preferido para el cableado de señales de radiofrecuencia de PCB portátiles.
Las guías de onda coplanares pueden proporcionar un mejor aislamiento entre las líneas de radiofrecuencia y las líneas que requieren un cableado más cercano. Este medio está compuesto por un conductor central y un plano de tierra a ambos lados o debajo. La mejor manera de transmitir la señal de radiofrecuencia es colgar una línea de banda o una guía de onda coplanar. Estos dos métodos pueden proporcionar un mejor aislamiento entre la señal y el rastro de radiofrecuencia.
Se recomienda el uso de las llamadas "rejillas excesivas" a ambos lados de la Guía de onda coplanar. El método puede proporcionar una fila de agujeros de tierra en cada plano de tierra metálica del conductor central. Hay vallas a ambos lados de la tubería principal en el centro, por lo que proporciona un atajo para regresar al suelo. Este método puede reducir el nivel de ruido asociado con el efecto de alta onda de la señal rf. La constante dieléctrica de 4.5 se mantiene igual que el material fr4 del blanco preimpregnado, mientras que el coeficiente dieléctrico del blanco preimpregnado de microstrip, línea de banda o línea de banda desviada es de aproximadamente 3,8 a 3,9.
En algunos dispositivos que utilizan planos de tierra, se pueden utilizar agujeros ciegos para mejorar el rendimiento de desacoplamiento de los condensadores de alimentación y proporcionar rutas de desviación del dispositivo al suelo. La ruta de desvío al suelo puede acortar la longitud del agujero, lo que puede lograr dos objetivos: no solo se puede crear un desvío o puesta a tierra, sino también reducir la distancia de transmisión de los dispositivos de área pequeña, que es un factor importante de diseño de radiofrecuencia.
