Technologie PCB - Questions de matériaux à prendre en compte lors de la conception d'un PCB portable

En raison de la petite taille et de la taille, il existe peu de normes prêtes à l'emploi pour les cartes de circuits imprimés PCB pour le marché en pleine croissance de l'IOT portable. Avant l'introduction de ces normes, nous devons nous appuyer sur le développement des connaissances acquises et de l'expérience de fabrication au niveau du Conseil d'administration et réfléchir à la façon de les appliquer aux défis émergents uniques. Trois domaines nécessitent une attention particulière de notre part. Ce sont: 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 stratifiés qui peuvent être fabriqués à partir de résine époxy renforcée de fibres (fr4), de Polyimide ou de matériaux Rogers ou d'autres matériaux de stratifié. Le matériau isolant entre les différentes couches est appelé préimprégné.

Les wearables nécessitent une grande fiabilité, ce qui devient un problème lorsque les concepteurs de PCB sont confrontés au choix d'utiliser le fr4, le matériau le plus rentable pour la fabrication de PCB, ou des 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 fr4 est de 4,5, celle des matériaux les plus avancés de la série Rogers 4003 est de 3,55 et celle de la série Brother Rogers 4350 est de 3,66.

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

Par constante diélectrique d'un stratifié, on entend le rapport de la capacité ou de l'énergie entre une paire de conducteurs à proximité du stratifié et de la capacité ou de l'énergie entre cette paire de conducteurs dans le vide. Aux hautes fréquences, il est préférable d'avoir une petite perte. Ainsi, le Roger 4350 avec une constante diélectrique de 3,66 est mieux adapté aux applications de fréquences plus élevées 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 la structure en couches est que s'il s'agit d'un PCB à 8 couches, il devrait être capable de fournir suffisamment de couches de mise à la terre et d'alimentation et de clipper la couche de câblage 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 consiste généralement à placer une grande couche de mise à la terre à proximité de la couche de distribution. Cela peut créer un effet d'ondulation très faible et le bruit du système peut également 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 un stratifié fr4 plus performant, la valeur DF est d'environ 0002, soit un ordre de grandeur supérieur à celui du fr4 normal. Cependant, la pile de Rogers n'est que de 0001 ou moins. Lorsque le matériau fr4 est utilisé pour des applications à haute fréquence, les pertes d'insertion seront significativement différentes. La perte d'insertion est définie comme la perte de puissance d'un signal d'un point a à un point B lorsque fr4, Rogers ou d'autres matériaux sont utilisés.

Problèmes de fabrication

Les PCB portables nécessitent un contrôle d'impédance plus strict, ce qui est un facteur important pour les wearables. L'adaptation d'impédance peut produire une transmission de signal plus propre. Auparavant, la tolérance standard pour les trajectoires de transport de signaux était de ± 10%. Cet indicateur n'est clairement pas assez bon pour les circuits haute fréquence et haute vitesse d'aujourd'hui. L'exigence actuelle est de ± 7%, voire ± 5% ou moins dans certains cas. Ce paramètre et d'autres variables affecteront sérieusement la fabrication de PCB portables avec un contrôle d'impédance extrêmement strict, limitant ainsi le nombre d'entreprises 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%. A l'inverse, les stratifiés fr4 présentent des tolérances de permittivité jusqu'à 10%. La comparaison de ces deux matériaux permet donc de constater que les pertes d'insertion de Rogers sont particulièrement faibles. Les pertes de transmission et d'insertion de l'empilement Rogers sont réduites de moitié par rapport aux matériaux fr4 traditionnels.

Dans la plupart des cas, le coût est le plus important. Cependant, Rogers peut offrir des performances de stratifié à haute fréquence avec des pertes relativement faibles à un prix acceptable. Pour les applications commerciales, Rogers peut fabriquer des PCB hybrides avec des groupes époxy fr4, dont certaines couches sont en matériau Rogers et d'autres en 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 des performances supérieures lorsque les traces supérieures sont strictement contrôlées par l'impédance.

Les matériaux Rogers peuvent également offrir 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 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 thermique et la contraction de la carte peuvent être maintenues à des limites stables à des fréquences plus élevées et à des cycles de température plus élevés lorsque la carte PCB subit des cycles de reflux froids, chauds et très chauds par rapport à fr4.

Dans le cas de l'empilage hybride, il est facile de mélanger Rogers et le fr4 haute performance en utilisant les techniques de processus de fabrication courantes, ce qui rend relativement facile d'obtenir un rendement de fabrication élevé. Les empilements Rogers ne nécessitent pas de processus de préparation de pores spéciaux.

Les fr4 ordinaires n'atteignent pas des performances électriques très fiables, mais les matériaux fr4 haute performance ont de bonnes caractéristiques de fiabilité, telles que des TG plus élevées, 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 RF / 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 ultra haute fréquence (UHF) de 10 GHz à 25 GHz.

Par conséquent, pour les PCB portables, la partie RF nécessite une plus grande attention aux problèmes de câblage, les signaux doivent être séparés et les traces qui génèrent les signaux haute fréquence doivent être éloignées du sol. D'autres considérations comprennent: la fourniture d'un filtre de dérivation, d'un condensateur de découplage suffisant, d'une masse, et la conception de lignes de transmission et de lignes de retour presque égales.

Le filtre de dérivation peut supprimer le contenu de bruit et l'effet d'ondulation de la diaphonie. Les condensateurs de découplage doivent être placés plus près des broches du dispositif transportant le signal de puissance.

Les lignes de transmission à grande vitesse et les boucles de signal nécessitent la mise à la terre 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 entraînera un déséquilibre de la transmission et de la réception du signal, ce qui entraînera une distorsion. Par conséquent, une attention particulière doit être accordée aux problèmes d'adaptation d'impédance liés aux signaux radiofréquences, qui présentent des vitesses élevées et des tolérances particulières.

Les lignes de transmission RF doivent contrôler l'impédance afin de transmettre des signaux 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 le processus de conception RF de PCB sont les lignes microruban, les lignes à ruban flottant, les guides d'ondes coplanaires ou la mise à la terre. Une ligne microruban est constituée d'une longueur fixe de métal ou de traces, soit l'ensemble du plan de masse, soit une partie du plan de masse immédiatement en dessous de celui - ci. L'impédance caractéristique d'une structure générale de ligne microruban varie de 50 à 75.

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

La suspension de rubans 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, ce qui permet d'obtenir un effet de mise à la terre très efficace. C'est la méthode préférée pour le câblage des signaux RF de PCB portable.

Les guides coplanaires permettent une meilleure isolation entre les lignes RF et les lignes nécessitant un câblage plus proche. Un tel milieu est constitué d'un conducteur central et d'un plan de masse de part et d'autre ou en dessous. 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 les traces RF.

Il est recommandé d'utiliser des "sur - Grilles" de part et d'autre d'un guide d'onde coplanaire. Ce procédé permet de prévoir une rangée de trous de mise à la terre sur chaque plan de masse métallique du conducteur central. Le tuyau principal au milieu est clôturé des deux côtés, offrant ainsi un raccourci pour le reflux vers le sol. Ce procédé permet de réduire le niveau de bruit associé à un effet d'ondulation élevé du Signal RF. La constante diélectrique de 4,5 reste la même que celle du matériau fr4 de l'ébauche préimprégnée, alors que celle des ébauches préimprégnées issues de microrubans, de rubans ou de rubans décalés est de l'ordre de 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 de passage, 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 des appareils de petite surface, un facteur de conception RF important.