Notizie PCB - Progettazione PCB a microonde di dispositivi indossabili

I dispositivi indossabili richiedono alta affidabilità, che può essere un problema quando i progettisti di PCB si trovano di fronte alla scelta di FR4 (il materiale di produzione PCB più conveniente) o materiali più avanzati e costosi.

A causa delle loro piccole dimensioni e dimensioni, ci sono pochi standard di circuiti stampati pronti per il crescente mercato indossabile Internet of Things. Prima di questi standard, dovevamo affidarci alle conoscenze e all'esperienza produttiva acquisite nello sviluppo a livello di board e pensare a come applicarli alle sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono particolare attenzione: materiali di superficie del circuito stampato, progettazione RF/microonde e linee di trasmissione RF.

Materiale PCB

I PCB sono generalmente costituiti da strati, che possono essere costituiti da resine epossidiche rinforzate con fibre (FR4), poliimidi o Rogers o altri laminati. I materiali isolanti tra gli strati sono chiamati fogli semicurabili.

I dispositivi indossabili richiedono alta affidabilità, che può essere un problema quando i progettisti di PCB si trovano di fronte alla scelta di FR4 (il materiale di produzione PCB più conveniente) o materiali più avanzati e costosi.

Se le applicazioni PCB indossabili richiedono materiali ad alta velocità e ad alta frequenza, FR4 potrebbe non essere la scelta migliore. La costante dielettrica (Dk) di FR 4 è 4,5, quella della più avanzata serie Rogers 4003 è 3,55, e quella dei fratelli Rogers 4350 è 3,66.

Figura 1: Un diagramma impilato di un circuito stampato multistrato che mostra il materiale FR4 e Rogers 4350 e lo spessore dello strato centrale.

La costante dielettrica di una pila si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia di una coppia di conduttori vicino alla pila e quella di una coppia di conduttori in vuoto. Alle alte frequenze, è preferibile avere perdite molto piccole, quindi Loger 4350 con un coefficiente dielettrico di 3,66 è più adatto per frequenze più elevate di FR4 con una costante dielettrica di 4,5.

Normalmente, il numero di strati PCB utilizzati per dispositivi indossabili varia da 4 a 8. Lo strato è costruito dal principio che se si tratta di un PCB a 8 strati, dovrebbe fornire abbastanza strati e strati di potenza e bloccare gli strati di cablaggio nel mezzo. In questo modo, l'effetto di ondulazione nel crosstalk può essere minimizzato e l'interferenza elettromagnetica (EMI) può essere significativamente ridotta.

Nella fase di progettazione del layout del circuito stampato, gli schemi di layout generalmente collocano grandi strati vicino allo strato di distribuzione dell'energia. Ciò si traduce in un effetto ripple molto basso e il rumore del sistema può essere ridotto a quasi zero. Ciò è particolarmente importante per i sottosistemi RF.

FR4 ha un fattore di dissipazione più elevato (Df) rispetto al materiale Rogers, specialmente alle alte frequenze. Per gli stack FR4 ad alte prestazioni, il valore Df è di circa 0,002, che è un ordine di grandezza migliore di quello degli stack FR4 normali. Rogers, tuttavia, hanno solo 0,001 o più piccoli strati. Quando il materiale FR4 viene utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, c'è una differenza significativa nella perdita di inserzione. La perdita di interpolazione è definita come la perdita di potenza dal punto A al punto B quando vengono utilizzati FR4, Rogers o altri materiali.

Problemi di produzione di PCB

I PCB indossabili richiedono un controllo dell'impedenza più rigoroso, che è un fattore importante per i dispositivi indossabili, e la corrispondenza dell'impedenza può produrre una trasmissione del segnale più pulita. In precedenza, la tolleranza standard per le rotte portatrici di segnale era (+) 10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza ad alta velocità odierni. Il requisito è ora (+) 7%, in alcuni casi anche (+) 5% o meno. Questo parametro, insieme ad altre variabili, può influenzare gravemente la produzione di PCB indossabili con controllo dell'impedenza molto rigoroso, limitando così il numero di aziende che possono produrli.

La tolleranza costante dielettrica degli strati realizzati con materiali Rogers UHF è generalmente (+) 2%, alcuni prodotti possono addirittura raggiungere (+) 1%, rispetto al 10% per gli strati FR4. Pertanto, confrontando questi due materiali, si scopre che la perdita di inserzione di Rogers è particolarmente bassa. La perdita di trasmissione e la perdita di inserimento dello stack Rogers sono la metà di quella del materiale FR4 convenzionale.

Il costo è più importante nella maggior parte dei casi. Tuttavia, Rogers può fornire prestazioni di impilamento ad alta frequenza e perdite relativamente basse ad un prezzo accettabile. Per applicazioni commerciali, Rogers può essere trasformato in un PCB misto con FR4 a base di resine epossidiche, alcuni dei quali utilizzano Rogers e altri utilizzano FR4.

La frequenza è la considerazione primaria quando si seleziona stack Rogers. I progettisti di PCB tendono a scegliere i materiali Rogers quando la frequenza supera i 500 MHz, specialmente per i circuiti RF / microonde, perché questi materiali possono fornire prestazioni migliori quando le linee di cui sopra sono soggette a controllo rigoroso dell'impedenza.

Rispetto ai materiali FR4, i materiali Rogers forniscono anche una minore perdita dielettrica e le loro costanti dielettriche sono stabili su un'ampia gamma di frequenze. Inoltre, il materiale Rogers può fornire prestazioni ideali a bassa perdita per il funzionamento ad alta frequenza.

Il coefficiente di espansione termica (CTE) dei materiali della serie Rogers 4000 ha un'eccellente stabilità dimensionale. Ciò significa che quando il PCB subisce un ciclo di saldatura a reflusso freddo, caldo e molto caldo rispetto a FR4, l'espansione e la contrazione del circuito stampato possono rimanere a un limite stabile a frequenze più elevate e temperature più elevate.

Nel caso degli strati ibridi, è facile mescolare Rogers con FR4 ad alte prestazioni utilizzando la comune tecnologia di processo di produzione, che rende relativamente facile ottenere un elevato rendimento produttivo. L'impilamento Rogers non richiede un processo dedicato di preparazione del foro.

Il normale FR4 non può ottenere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno una buona affidabilità, come Tg più alto, sono ancora relativamente economici e possono essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dal semplice design audio alle applicazioni complesse a microonde.

Considerazioni sulla progettazione di PCB PCBRF/microonde

La tecnologia portatile e il Bluetooth aprono la strada alle applicazioni RF/microonde nei dispositivi indossabili. La gamma di frequenze di oggi sta diventando più dinamica. Alcuni anni fa, molto alta frequenza (VHF) è stata definita come 2GHz ~ 3GHz. Ma ora possiamo vedere applicazioni UHF che vanno da 10 GHz a 25 GHz.

Pertanto, per PCB indossabili, la parte RF richiede una maggiore attenzione ai problemi di cablaggio, separando i segnali separatamente in modo che i segnali ad alta frequenza siano generati lontano dal terreno. Altre considerazioni includono la fornitura di un filtro bypass, sufficiente capacità di disaccoppiamento, messa a terra e progettazione quasi uguale delle linee di trasmissione e loop.

Il filtro bypass può sopprimere l'effetto ripple del contenuto di rumore e crosstalk. La capacità di disaccoppiamento deve essere posizionata più vicino al perno del dispositivo che porta il segnale di alimentazione.

Le linee di trasmissione ad alta velocità e i cicli di segnale richiedono uno strato tra i segnali di livello di potenza per regolare il jitter generato dai segnali di rumore. A velocità del segnale più elevate, piccole disallineazioni di impedenza possono causare trasmissione e ricezione sbilanciati dei segnali, con conseguente distorsione. Pertanto, particolare attenzione deve essere prestata alla corrispondenza dell'impedenza relativa ai segnali a radiofrequenza, perché hanno alta velocità e tolleranza speciale.

Le linee di trasmissione RF richiedono il controllo dell'impedenza per trasferire i segnali RF da un substrato IC specifico a un PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate sugli strati esterni, superiori e inferiori, oppure possono essere progettate sugli strati medi.

I metodi utilizzati nel layout di progettazione RF PCB sono linee microstrip, stripline sospese, guide d'onda complanari o messa a terra. Una linea microtrip è costituita da una lunghezza fissa di metallo o linea e da un intero o parte di un piano direttamente al di sotto di essa. L'impedenza caratteristica nelle strutture generali di linea microtrip varia da 50_a 75_.

Le linee di striscia sospese sono un altro metodo di cablaggio e soppressione del rumore. La linea è costituita da un cablaggio a larghezza fissa sullo strato interno e da una grande superficie di terra sopra e sotto il conduttore centrale. Il livello del terreno è bloccato nel mezzo dello strato di potenza, che fornisce un effetto di messa a terra molto efficace. Questo è un metodo preferito per il cablaggio indossabile del segnale RF PCB.

Le guide d'onda complanari forniscono un migliore isolamento vicino alle linee RF e alle linee che devono essere percorse l'una vicino all'altra. Il mezzo è costituito da un conduttore centrale e piani di terra sopra o sotto di esso. Il modo migliore per trasmettere segnali a radiofrequenza è quello di sospendere una striscia o una guida d'onda complanare. Questi due metodi possono fornire un migliore isolamento tra il segnale e la linea RF.

Il cosiddetto "recinto passante" è raccomandato su entrambi i lati di una guida d'onda complanare. Questo metodo fornisce una fila di fori di messa a terra su ogni pavimento metallico del conduttore centrale. Il percorso principale che corre nel mezzo ha recinzioni su ogni lato, fornendo così una scorciatoia allo strato inferiore per la corrente di ritorno. Questo metodo può ridurre il livello di rumore relativo all'alto effetto ripple del segnale di radiofrequenza. La costante dielettrica di 4,5 rimane la stessa del materiale semiindurito FR4, mentre la costante dielettrica del foglio semiindurito - dalla linea microstrip, striscia o striscia offset - è di circa 3,8 a 3,9.

In alcuni dispositivi che utilizzano il livello del suolo, i fori ciechi possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni di disaccoppiamento della capacità di potenza e per fornire percorsi di shunt dal dispositivo al suolo. Il percorso dello shunt al suolo può accorciare la lunghezza del foro, che può raggiungere due scopi: non solo creare lo shunt o la terra, ma anche ridurre la distanza di trasmissione dei dispositivi con piccole patch, che è un importante fattore di progettazione RF.