PCB Tecnico - Progettazione della scheda PCB di PCB indossabile intelligente

A causa delle piccole dimensioni e dimensioni, non esiste quasi uno standard di circuiti stampati pronti per il crescente mercato IoT indossabile intelligente. Prima che questi standard venissero pubblicati, dovevamo affidarci alle conoscenze e all'esperienza di produzione apprese nello sviluppo a livello di board e pensare a come applicarli alle sfide emergenti uniche. Ci sono tre aree che richiedono la nostra particolare attenzione. Sono: materiali di superficie della scheda PCB, progettazione a radiofrequenza/microonde e linee di trasmissione a radiofrequenza.

MaterialePCB sono generalmente composti da laminati, che possono essere fatti di resina epossidica rinforzata con fibra (FR4), poliimide, o materiali Rogers o altri materiali laminati. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato prepreg. I dispositivi indossabili intelligenti richiedono alta affidabilità, quindi quando gli insegnanti si trovano di fronte alla scelta di utilizzare FR4 (il materiale di produzione PCB più conveniente) o materiali più avanzati e più costosi, questo diventerà un problema. Se le applicazioni PCB indossabili intelligenti richiedono materiali ad alta velocità e ad alta frequenza, FR4 potrebbe non essere la scelta migliore. La costante dielettrica (Dk) di FR4 è 4,5, la costante dielettrica del materiale più avanzato della serie Rogers 4003 è 3,55 e la costante dielettrica della serie fratello Rogers 4350 è 3,66.Il diagramma di stackup del circuito multistrato, che mostra il materiale FR4 e Rogers 4350 e lo spessore dello strato centrale. La costante dielettrica di un laminato si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia tra una coppia di conduttori vicino al laminato e la capacità o l'energia tra la coppia di conduttori in vuoto. Alle alte frequenze, è meglio avere una piccola perdita, quindi, il coefficiente dielettrico è 3. Roger 4350 di 66 è più adatto per applicazioni di frequenza superiore rispetto a FR4, che ha una costante dielettrica di 4,5. In circostanze normali, il numero di strati PCB per dispositivi indossabili intelligenti varia da 4 a 8 strati. Il principio della costruzione dello strato è che se si tratta di un PCB a 8 strati, dovrebbe essere in grado di fornire abbastanza strati di terra e potenza e sandwich lo strato di cablaggio nel mezzo. In questo modo, l'effetto di ondulazione nel crosstalk può essere ridotto al minimo e l'interferenza elettromagnetica può essere significativamente ridotta. Nella fase di progettazione del layout del circuito stampato, il piano di layout è generalmente quello di mettere un grande strato di terra vicino allo strato di distribuzione dell'energia. Questo può formare un effetto ripple molto basso e il rumore del sistema può anche essere ridotto a quasi zero. Ciò è particolarmente importante per il sottosistema radiofrequenza. Rispetto al materiale Rogers, FR4 ha un fattore di dissipazione più elevato (Df), soprattutto alle alte frequenze. Per i laminati FR4 ad alte prestazioni, il valore Df è di circa 0,002, che è un ordine di grandezza migliore del normale FR4. Tuttavia, lo stack di Rogers è solo 0,001 o più piccolo. Quando il materiale FR4 viene utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, ci sarà una differenza significativa nella perdita di inserzione. La perdita di inserimento è definita come la perdita di potenza del segnale dal punto A al punto B quando si utilizza FR4, Rogers o altri materiali.

I PCB indossabili intelligenti richiedono un controllo dell'impedenza più rigoroso. Questo è un fattore importante per i dispositivi indossabili intelligenti. La corrispondenza di impedenza può produrre la trasmissione del segnale più pulita. In precedenza, la tolleranza standard per le tracce di trasporto del segnale era ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità odierni. Il requisito attuale è ±7%, e in alcuni casi anche ±5% o meno. Questo parametro e altre variabili influenzeranno seriamente la produzione di questi PCB indossabili intelligenti con un controllo dell'impedenza particolarmente rigoroso, limitando così il numero di commercianti che possono produrli. La tolleranza costante dielettrica del laminato realizzato con materiali Rogers UHF è generalmente mantenuta ad ±2%, e alcuni prodotti possono persino raggiungere ±1%. Al contrario, la tolleranza costante dielettrica del laminato FR4 è alta fino al 10%. Questi due materiali possono essere trovati che la perdita di inserzione di Rogers è particolarmente bassa. Rispetto al materiale FR4 tradizionale, la perdita di trasmissione e la perdita di inserzione dello stack Rogers sono metà inferiori. Nella maggior parte dei casi, il costo è il più importante. Tuttavia, Rogers può fornire prestazioni laminate ad alta frequenza relativamente basse a perdita ad un prezzo accettabile. Per applicazioni commerciali, Rogers può essere trasformato in un PCB ibrido con FR4 a base epossidica, alcuni dei quali sono realizzati in materiale Rogers e altri strati sono realizzati in FR4. Quando si sceglie uno stack Rogers, la frequenza è la considerazione primaria. Quando la frequenza supera i 500 MHz, i progettisti di PCB tendono a scegliere i materiali Rogers, specialmente per i circuiti RF / microonde, perché questi materiali possono fornire prestazioni superiori quando le tracce di cui sopra sono rigorosamente controllate dall'impedenza. Rispetto al materiale FR4, il materiale Rogers può anche fornire una perdita dielettrica più bassa e la sua costante dielettrica è stabile in un'ampia gamma di frequenze. Inoltre, il materiale Rogers può fornire la prestazione ideale di perdita di inserzione bassa richiesta dal funzionamento ad alta frequenza. Il Coefficiente di Espansione Termica (CTE) dei materiali della serie Rogers 4000 ha un'eccellente stabilità dimensionale. Ciò significa che rispetto a FR4, quando il PCB subisce cicli di riflusso freddi, caldi e molto caldi, l'espansione termica e la contrazione del circuito possono essere mantenute ad un limite stabile con cicli di frequenza più elevata e temperature più elevate. Nel caso dell'impilamento misto, è facile utilizzare la tecnologia comune del processo di produzione per mescolare Rogers e FR4 ad alte prestazioni insieme, quindi è relativamente facile ottenere un alto rendimento di produzione. Lo stack Rogers non richiede un processo di preparazione speciale. Il normale FR4 non può ottenere prestazioni elettriche molto affidabili, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, come Tg più alto, ancora relativamente basso costo, e possono essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, dalla progettazione audio semplice alle applicazioni a microonde complesse.