Blogue PCB - Conception de carte PCB portable nécessite une attention aux matériaux de base

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 que ces normes ne soient disponibles, nous devons nous appuyer sur notre expérience en matière de développement et de fabrication au niveau du Conseil d'administration et réfléchir à la façon dont nous pouvons les appliquer aux défis émergents uniques. Il y a trois domaines qui nécessitent une attention particulière de notre part: les matériaux de surface de la carte, la conception RF / micro - ondes et les lignes de transmission RF.

Matériel de carte PCB

Les cartes PCB sont généralement constituées de stratifiés qui peuvent être en résine époxy renforcée de fibres (fr4), en polyimide ou en matériau Rogers, ou d'autres stratifiés. Le matériau isolant entre les différentes couches est appelé préimprégné. Les wearables exigent un haut niveau de fiabilité, ce qui devient problématique lorsque les concepteurs de cartes PCB sont confrontés à la possibilité d'utiliser le fr4, un matériau rentable pour la fabrication de PCB, ou des matériaux plus avancés et plus coûteux. Si une application de carte PCB portable nécessite des matériaux haute vitesse et haute fréquence, fr4 peut ne pas être une option. Une constante diélectrique (DK) de 4,5 pour fr4 et de 3,55 pour les matériaux plus avancés de la série 4003 de Rogers, Alors que le frère Rogers 4350 a une constante diélectrique de 3,66, le coefficient diélectrique de l'empilement est le rapport de la capacité ou de l'énergie entre une paire de conducteurs à proximité de l'empilement et la capacité ou l'énergie entre cette paire de conducteurs dans le vide. Aux hautes fréquences, les pertes sont très faibles, de sorte que le Roger 4350 avec une constante diélectrique de 3,66 est mieux adapté aux applications haute fréquence que le fr4 avec une constante diélectrique de 4,5. Dans des circonstances normales, le nombre de couches de PCB pour les wearables varie de 4 à 8 couches. Le principe de construction en couches est que, dans le cas d'un PCB à 8 couches, un plan de terre et d'alimentation suffisant doit être fourni et la couche de câblage doit être prise en sandwich. De cette façon, l'effet d'ondulation en diaphonie est préservé et les interférences électromagnétiques (EMI) peuvent être considérablement réduites. Au stade de la conception du schéma de configuration de la carte, le schéma de configuration consiste généralement à placer une grande formation 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 le Sous - système RF. Le fr4 a un facteur de dissipation (DF) plus élevé que les matériaux Rogers, en particulier à haute fréquence. Pour un empilement fr4 plus performant, la valeur DF est de l'ordre de 0002, ce qui est un ordre de grandeur supérieur à celui du fr4 classique. Mais les chiffres de Rogers ne sont que de 0001 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'insertion est définie comme la perte de puissance dans la transmission du signal d'un point a à un point B lorsque fr4, Rogers ou d'autres matériaux sont utilisés.

Problèmes de fabrication

Les cartes PCB portables nécessitent un contrôle d'impédance plus strict, ce qui est un facteur important pour les wearables, car l'adaptation d'impédance permet une transmission de signal plus propre. Auparavant, la tolérance standard pour les traces de transmission du signal était de ± 10%. Pour les circuits haute vitesse à haute fréquence d'aujourd'hui, cet indicateur n'est clairement pas assez bon. L'exigence actuelle est de ± 7%, voire ± 5% ou moins dans certains cas. Ce paramètre, ainsi que d'autres variables, peuvent affecter sérieusement la fabrication de ces PCB portables, dont le contrôle d'impédance est particulièrement strict, limitant ainsi le nombre de marchands pouvant fabriquer ces PCB. Les tolérances de permittivité diélectrique des stratifiés en matériaux UHF de Rogers sont généralement maintenues à ± 2%, et certains produits peuvent même atteindre ± 1%. L'utilisation de ces deux matériaux permet de constater que Rogers présente de très faibles pertes d'insertion. L'empilement Rogers présente la moitié des pertes de transmission et d'insertion par rapport aux matériaux fr4 traditionnels. Dans la plupart des cas, le coût est important. Cependant, Rogers peut offrir des performances de superposition à haute fréquence avec des pertes relativement faibles à un prix acceptable. Pour les applications commerciales, Rogers peut être combiné avec l'époxy fr4 pour créer un PCB hybride, dont certaines couches utilisent le matériau 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 cartes PCB ont tendance à choisir des matériaux Rogers, en particulier pour les circuits RF / micro - ondes, car ces matériaux peuvent offrir des performances supérieures lorsque les traces ci - dessus sont strictement contrôlées par l'impédance. Les matériaux Rogers offrent également des pertes diélectriques plus faibles que les matériaux fr4 et leur constante diélectrique est stable sur une large gamme de fréquences. De plus, les matériaux Rogers peuvent offrir les performances idéales à faible perte d'insertion requises pour un fonctionnement à haute fréquence. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux de la série Rogers 4000 offre une excellente stabilité dimensionnelle. Cela signifie que les dilatations thermiques et les contractions des plaques peuvent être maintenues à des limites stables avec des cycles à plus haute fréquence et à plus haute température lorsque les plaques sont soumises à des cycles de reflux froids, chauds et très chauds par rapport à fr4. Dans le cas des empilements hybrides, Rogers et le fr4 haute performance peuvent être facilement mélangés en utilisant les techniques de processus de fabrication courantes, ce qui rend relativement facile la réalisation de rendements de fabrication élevés. Rogers Stacks ne nécessite pas de processus de préparation de pores spéciaux. Les fr4 classiques n'atteignent pas des performances électriques très fiables, mais les matériaux fr4 haute performance ont de bonnes caractéristiques de fiabilité, telles qu'une TG élevée, qui reste relativement peu coûteuse et peut être utilisée dans une variété d'applications allant de la conception audio simple aux applications micro - ondes complexes.

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 ultra haute fréquence (UHF) dans la gamme de 10 GHz à 25 GHz. Ainsi, pour une carte PCB portable, la partie RF doit se concentrer plus cryptographiquement sur les problèmes de câblage, séparer les signaux et éloigner les traces qui génèrent les signaux haute fréquence du sol. D'autres considérations comprennent: la fourniture d'un filtre de dérivation, un condensateur de découplage suffisant, la masse, et la conception de lignes de transmission et de retour presque égales. Le filtre de dérivation supprime les effets d'ondulation de la teneur en bruit et de la diaphonie. Les condensateurs de découplage doivent être placés plus près des broches du dispositif transportant le signal de puissance. La ligne de transmission à grande vitesse et la boucle de signal nécessitent un plan de masse entre les signaux du plan de puissance pour lisser la gigue du signal bruité. À des vitesses de signal plus élevées, une faible désadaptation d'impédance peut entraîner un déséquilibre des signaux émis et reçus, ce qui entraîne une distorsion. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée aux problèmes d'adaptation d'impédance liés aux signaux RF, qui ont des vitesses élevées et des tolérances spéciales. Pour transmettre des signaux RF d'un substrat IC spécifique à une carte PCB, les lignes de transmission RF nécessitent une impédance contrôlée. Ces lignes de transmission peuvent être réalisées en couche externe, supérieure et inférieure, ou conçues en couche intermédiaire. Les méthodes utilisées dans la disposition de conception RF d'un PCB sont les microbandes, les lignes flottantes en ruban, les guides d'ondes coplanaires ou la mise à la terre. Une ligne microruban se compose d'une longueur fixe de métal ou de traces et de l'ensemble ou d'une partie du plan de masse juste en dessous. L'impédance caractéristique de la structure générale de la ligne microruban est de 50 à 75. La suspension d'une ligne à ruban est 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'un grand plan de masse au - dessus et au - dessous du conducteur central. Le plan de masse est pris en sandwich entre les plans d'alimentation, offrant ainsi un effet de mise à la terre très efficace. C'est la méthode préférée pour le routage des signaux RF sur une carte PCB portable. Les guides d'ondes coplanaires peuvent fournir une meilleure isolation près des lignes RF et des lignes nécessitant un suivi étroit. Ce milieu est constitué d'un tronçon de conducteur central d'un côté ou en dessous et d'un plan de masse. La méthode de transmission d'un signal RF est une ligne à ruban suspendue ou un guide d'onde coplanaire. Ces deux méthodes permettent une meilleure isolation entre le signal et les traces RF. Il est recommandé d'utiliser des "sur - Grilles" de part et d'autre d'un guide d'onde coplanaire. Un tel procédé prévoit une rangée de trous de mise à la terre sur chaque plan de masse métallique du conducteur central. La piste principale au milieu est clôturée de chaque côté, offrant ainsi un raccourci vers la formation inférieure pour le reflux. Cette approche réduit le niveau de bruit associé à un effet d'ondulation élevé sur le signal RF. La permittivité diélectrique de 4,5 reste la même que celle du matériau fr4 de l'ébauche préimprégnée, tandis que les ébauches préimprégnées issues de microrubans, de rubans ou de rubans décalés ont un coefficient diélectrique d'environ 3,8 à 3,9. Dans certains dispositifs utilisant un plan de masse, des perçages borgnes peuvent être utilisés pour améliorer les performances de découplage du condensateur d'alimentation et fournir un chemin de dérivation du dispositif vers la terre. Le chemin de dérivation vers la terre peut raccourcir la longueur du trou traversant, ce qui a deux objectifs: Vous pouvez non seulement créer une dérivation ou une mise à la terre, mais également réduire la distance de transmission des périphériques avec une petite mise à la terre, un facteur important dans la conception RF de la carte PCB.