L'actualité PCB - Micro - ondes PCB design pour wearables

Les wearables nécessitent une grande fiabilité, ce qui peut poser problème lorsque les concepteurs de PCB sont confrontés au choix du fr4 (le matériau le plus rentable pour la fabrication de PCB) ou de matériaux plus avancés et plus coûteux.

En raison de sa petite taille, il existe peu de normes prêtes à l'emploi pour les cartes de circuits imprimés sur le marché en pleine croissance de l'IOT portable. Avant d'élaborer ces normes, nous devons nous appuyer sur les connaissances et l'expérience de fabrication acquises lors du développement au niveau du Conseil d'administration et réfléchir à la façon de les appliquer aux défis émergents uniques. Trois domaines nécessitent une attention particulière: les matériaux de surface de la carte, la conception RF / micro - ondes et les lignes de transmission RF.

Matériel de PCB

Les PCB sont généralement constitués de couches qui peuvent être en résine époxy renforcée de fibres (fr4), en polyimide ou en Rogers ou autres stratifiés. Le matériau isolant entre la couche et la couche est appelé feuille semi - durcie.

Les wearables nécessitent une grande fiabilité, ce qui peut poser problème lorsque les concepteurs de PCB sont confrontés au choix du fr4 (le matériau le plus rentable pour la fabrication de PCB) ou de matériaux plus avancés et plus coûteux.

Si les applications de PCB portables nécessitent des matériaux haute vitesse et haute fréquence, le fr4 peut ne pas être le meilleur choix. La constante diélectrique (DK) du fr 4 est de 4,5, celle de la série Rogers 4003 plus avancée est de 3,55 et celle du frère Rogers 4350 est de 3,66.

Figure 1: schéma d'empilement d'une carte de circuit imprimé multicouche montrant le matériau fr4 et Rogers 4350 et l'épaisseur de la couche de noyau.

La constante diélectrique d'un empilement est le rapport de la capacité ou de l'énergie d'une paire de conducteurs à proximité de l'empilement à la capacité ou à l'énergie d'une paire de conducteurs dans le vide. Aux hautes fréquences, il est préférable d'avoir des pertes très faibles, de sorte que le loger 4350 avec un coefficient diélectrique de 3,66 est mieux adapté aux fréquences plus élevées que le fr4 avec une constante diélectrique de 4,5.

Typiquement, le nombre de couches de PCB pour un dispositif portable est compris entre 4 et 8 couches. Le principe de construction de la couche est que si c'est un PCB à 8 couches, il devrait fournir suffisamment de couches et de couches d'alimentation, avec une couche de câblage prise en sandwich au milieu. De cette façon, l'effet d'ondulation en diaphonie peut être minimisé et les interférences électromagnétiques (EMI) peuvent être considérablement réduites.

Au stade de la conception de la disposition de la carte, le schéma de disposition place généralement de grandes formations à proximité de la couche de distribution. Il en résulte un effet d'ondulation très faible et le bruit du système peut être réduit à presque zéro. Ceci est particulièrement important pour les sous - systèmes RF.

Le fr4 a un facteur de dissipation (DF) plus élevé que les matériaux Rogers, en particulier à haute fréquence. Pour une pile fr4 plus performante, la valeur DF est d'environ 0002, ce qui est un ordre de grandeur supérieur à celui d'une pile fr4 normale. Cependant, Rogers n'a que 0001 couches ou moins. Lorsque le matériau fr4 est utilisé pour des applications à haute fréquence, il existe une différence significative dans les pertes d'insertion. La perte d'interpolation est définie comme la perte de puissance d'un point a à un point B lorsque fr4, Rogers ou d'autres matériaux sont utilisés.

Problèmes de fabrication de PCB

Les PCB portables nécessitent un contrôle d'impédance plus strict, un facteur important pour les wearables, et l'adaptation d'impédance peut produire une transmission de signal plus propre. Auparavant, la tolérance standard pour les itinéraires de transmission de signaux était de (+) 10%. Pour les circuits haute vitesse à haute fréquence d'aujourd'hui, cet indicateur n'est clairement pas assez bon. L'exigence est maintenant (+) 7% et même (+) 5% ou moins dans certains cas. Ce paramètre, ainsi que d'autres variables, peuvent affecter sérieusement la fabrication de PCB portables avec un contrôle d'impédance très strict, limitant ainsi le nombre d'entreprises pouvant fabriquer ces PCB.

Les tolérances de permittivité diélectrique des couches en matériau UHF Rogers sont généralement de (+) 2% et peuvent même atteindre (+) 1% pour certains produits, contre 10% pour les couches fr4. Ainsi, en comparant ces deux matériaux, on constate que les pertes d'insertion de Rogers sont particulièrement faibles. Les pertes de transmission et les pertes d'insertion de l'empilement Rogers sont moitié inférieures à celles des matériaux fr4 traditionnels.

Dans la plupart des cas, le coût est le plus important. Cependant, Rogers peut offrir une performance d'empilage relativement faible perte et haute fréquence à un prix acceptable. Pour les applications commerciales, Rogers peut fabriquer des PCB hybrides avec fr4 à base de résine époxy, certains utilisant Rogers et d'autres fr4.

La fréquence est la première considération lors du choix d'une pile Rogers. Lorsque les fréquences dépassent 500 MHz, les concepteurs de circuits imprimés ont tendance à choisir des matériaux Rogers, en particulier pour les circuits RF / micro - ondes, car ces matériaux peuvent offrir de meilleures performances lorsque les lignes susmentionnées sont soumises à un contrôle d'impédance strict.

Les matériaux Rogers offrent également de faibles pertes diélectriques par rapport aux matériaux fr4 et leur constante diélectrique est stable sur une large gamme de fréquences. De plus, les matériaux Rogers peuvent offrir des performances idéales à faible perte pour les opérations à haute fréquence.

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux de la série Rogers 4000 offre une excellente stabilité dimensionnelle. Cela signifie que la dilatation et la contraction de la carte de circuit imprimé peuvent être maintenues à des limites stables à des fréquences plus élevées et à des températures plus élevées lorsque la carte PCB subit des cycles de soudage par retour à froid, chaud et très chaud par rapport au fr4.

Dans le cas des couches hybrides, il est facile de mélanger Rogers avec un fr4 haute performance en utilisant des techniques de processus de fabrication courantes, ce qui rend relativement facile d'atteindre des taux de fabrication élevés. Rogers Stacks ne nécessite pas de processus de fabrication de trous spécialisés.

Les fr4 ordinaires n'atteignent pas des performances électriques très fiables, mais les matériaux fr4 haute performance ont une bonne fiabilité, par exemple une TG plus élevée, restent relativement peu coûteux et peuvent être utilisés dans un large éventail d'applications allant de la conception audio simple à des applications micro - ondes complexes.

Considérations de conception PCB pcbrf / micro - ondes

La technologie portable et le Bluetooth ouvrent la voie aux applications RF / micro - ondes dans les appareils portables. La gamme de fréquences d'aujourd'hui devient de plus en plus dynamique. Il y a quelques années, les très hautes fréquences (VHF) étaient définies comme 2 GHz ~ 3 GHz. Mais maintenant, nous pouvons voir des applications UHF allant de 10 gigahertz à 25 gigahertz.

Ainsi, pour les PCB portables, la partie RF doit se concentrer plus cryptographiquement sur les problèmes de câblage, en séparant les signaux afin de générer des signaux à haute fréquence loin du sol. D'autres considérations comprennent la fourniture d'un filtre de dérivation, une capacité de découplage suffisante, une masse et une conception presque égale des lignes de transmission et des boucles.

Le filtre de dérivation permet de supprimer le contenu sonore et l'effet d'ondulation de la diaphonie. La capacité de découplage doit être placée plus près des broches de l'appareil portant le signal de puissance.

Les lignes de transmission à grande vitesse et les boucles de signaux nécessitent une couche entre les signaux de la couche de puissance pour lisser la gigue générée par les signaux bruités. À des vitesses de signal plus élevées, une faible désadaptation d'impédance peut entraîner un déséquilibre de la transmission et de la réception du signal, ce qui entraîne une distorsion. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée à l'adaptation d'impédance liée aux signaux radiofréquences en raison de leur grande vitesse et de leur tolérance particulière.

La ligne de transmission RF nécessite un contrôle d'impédance pour transmettre le signal RF d'un substrat IC spécifique à un PCB. Ces lignes de transmission peuvent être réalisées en couche externe, supérieure et inférieure, ou conçues en couche intermédiaire.

Les méthodes utilisées dans la mise en page de conception RF de PCB sont des lignes microruban, des lignes à ruban suspendu, des guides d'ondes coplanaires ou la mise à la terre. Une ligne microruban est constituée d'une longueur fixe de métal ou de ligne et de tout ou partie de son plan immédiatement en dessous. L'impédance caractéristique d'une structure générale de ligne microruban est comprise entre 50 et 75.

Les lignes à ruban suspendues sont une autre méthode de câblage et de suppression du bruit. Cette ligne se compose d'un câblage de largeur fixe de la couche interne et d'une grande masse au - dessus et au - dessous du conducteur central. Le sol est pris en sandwich au milieu de la couche d'alimentation, ce qui donne un effet de mise à la terre très efficace. Il s'agit d'une méthode préférée pour le câblage de signaux RF de PCB portables.

Les guides d'ondes coplanaires assurent une meilleure isolation à proximité des lignes RF et des lignes devant se déplacer à proximité les unes des autres. Le milieu est constitué d'un conducteur central et de sa couche de masse supérieure et inférieure. La meilleure façon de transmettre un signal RF est de suspendre une ligne à ruban ou un guide d'onde coplanaire. Ces deux méthodes permettent une meilleure isolation entre le signal et la ligne RF.

Il est recommandé d'installer ce qu'on appelle une « clôture à trous traversants» des deux côtés du Guide d'ondes coplanaire. Un tel procédé prévoit une rangée de trous de masse sur chaque semelle métallique du conducteur central. La route principale au milieu est clôturée des deux côtés, offrant ainsi un raccourci vers le niveau inférieur pour le reflux. Cette approche permet de réduire le niveau de bruit associé à un effet d'ondulation élevé du signal radiofréquence. La constante diélectrique de 4,5 reste la même que celle du matériau fr4 semi - durci, alors que celle de la feuille semi - durcie (issue d'une ligne microruban, ruban ou ruban décalé) est de l'ordre de 3,8 à 3,9.

Dans certains appareils utilisant le niveau de la terre, des trous borgnes peuvent être utilisés pour améliorer les performances de découplage de la capacité de puissance et fournir un chemin de dérivation de l'appareil à la terre. Le chemin de dérivation vers la terre peut raccourcir la longueur du trou, ce qui peut atteindre deux objectifs: non seulement vous pouvez créer une dérivation ou une mise à la terre, mais vous pouvez également réduire la distance de transmission d'un appareil avec un petit patch, un facteur de conception RF important.