Teknik PCB - Masalah bahan yang perlu dipertimbangkan bila merancang PCB yang boleh dipakai

Kerana saiz dan saiz kecil, hampir tiada piawai papan sirkuit cetak PCB terbuat sedia untuk pasar IoT yang boleh dikembangkan. Sebelum standar ini keluar, kita perlu bergantung pada pengetahuan dan pengalaman penghasilan yang dipelajari dalam pembangunan aras papan dan memikirkan bagaimana untuk melaksanakannya kepada cabaran yang muncul yang unik. Ada tiga kawasan yang memerlukan perhatian istimewa kita. Mereka adalah: bahan permukaan papan sirkuit, rancangan RF/microwave dan garis transmisi RF.

Bahan PCB

PCB biasanya terdiri dari laminat, yang mungkin dibuat dari epoksi berkuasa serat (FR4), poliimid, atau bahan Rogers atau bahan laminat lain. Bahan yang mengisolasi antara lapisan yang berbeza dipanggil prepreg.

Peranti yang boleh dipakai memerlukan kepercayaan tinggi, jadi apabila perancang PCB menghadapi pilihan menggunakan FR4 (bahan penghasilan PCB yang paling berkesan pada biaya) atau bahan yang lebih maju dan lebih mahal, ini akan menjadi masalah.

Jika aplikasi PCB boleh dipakai memerlukan kelajuan tinggi, bahan frekuensi tinggi, FR4 mungkin bukan pilihan terbaik. Konstant dielektrik FR4 ialah 4.5, konstant dielektrik bahan seri Rogers 4003 yang lebih maju ialah 3.55, dan konstant dielektrik seri abang Rogers 4350 ialah 3.66.

Figur 1: Menetak diagram papan sirkuit berbilang lapisan, menunjukkan bahan FR4 dan Rogers 4350 dan tebal lapisan inti

Konstant dielektrik laminat merujuk kepada nisbah kapasitasi atau tenaga diantara pasangan konduktor dekat laminat ke kapasitasi atau tenaga diantara pasangan konduktor dalam vakum. Pada frekuensi tinggi, lebih baik untuk mempunyai kehilangan kecil. Oleh itu, Roger 4350 dengan konstan dielektrik 3.66 lebih sesuai untuk aplikasi frekuensi lebih tinggi daripada FR4 dengan konstan dielektrik 4.5.

Dalam keadaan biasa, bilangan lapisan PCB untuk peranti yang boleh dipakai berlayar dari 4 hingga 8 lapisan. Prinsip pembangunan lapisan ialah jika ia adalah PCB 8 lapisan, ia patut mampu menyediakan lapisan tanah dan kuasa yang cukup dan sandwich lapisan kabel. Dengan cara ini, kesan garisan dalam percakapan salib boleh disimpan ke minimum dan gangguan elektromagnetik (EMI) boleh dikurangi secara signifikan.

Dalam tahap bentangan papan sirkuit, rancangan bentangan biasanya untuk meletakkan lapisan tanah besar dekat lapisan distribusi kuasa. Ini boleh membentuk kesan garisan yang sangat rendah, dan bunyi sistem juga boleh dikurangkan kepada hampir sifar. Ini sangat penting untuk subsistem frekuensi radio.

Compared with Rogers material, FR4 has a higher dissipation factor (Df), especially at high frequencies. For higher performance FR4 laminates, the Df value is around 0.002, which is an order of magnitude better than ordinary FR4. Namun, tumpukan Rogers hanya 0.001 atau kurang. Apabila bahan FR4 digunakan untuk aplikasi frekuensi tinggi, akan ada perbezaan yang signifikan dalam kehilangan penyisihan. Kehilangan masukan ditakrif sebagai kehilangan kuasa isyarat dari titik A ke titik B bila menggunakan FR4, Rogers atau bahan lain.

Masalah penghasilan

PCB yang boleh dipakai memerlukan kawalan pengendalian yang lebih ketat, yang merupakan faktor penting untuk peranti yang boleh dipakai. Perpadanan kemudahan boleh menghasilkan penghantaran isyarat yang lebih bersih. Sebelum ini, toleransi piawai untuk isyarat membawa jejak adalah ± 10%. Penunjuk ini jelas tidak cukup baik untuk sirkuit frekuensi tinggi dan kelajuan tinggi hari ini. Keperluan semasa adalah ±7%, dan dalam beberapa kes walaupun ±5% atau kurang. Parameter ini dan pembolehubah lain akan mempengaruhi secara berat penghasilan PCB yang boleh dipakai dengan kawalan pengendalian yang sangat ketat, dengan itu menghapuskan bilangan perniagaan yang boleh menghasilkannya.

Toleransi konstan dielektrik laminat yang dibuat dari bahan UHF Rogers secara umum dikekalkan pada ±2%, dan beberapa produk boleh mencapai ±1%. Sebaliknya, toleransi konstan dielektrik bagi laminat FR4 adalah sebanyak 10%. Oleh itu, bandingkan dua bahan ini boleh ditemukan bahawa kerugian penyisipan Rogers adalah terutama rendah. Berbanding dengan bahan FR4 tradisional, kehilangan transmisi dan kehilangan penyisihan tumpukan Rogers adalah setengah lebih rendah.

Dalam kebanyakan kes, biaya adalah yang paling penting. Bagaimanapun, Rogers boleh menyediakan prestasi laminat frekuensi tinggi kerugian relatif rendah pada titik harga yang diterima. Untuk aplikasi komersial, Rogers boleh dibuat menjadi PCB hibrid dengan FR4 berasaskan epoksi, sebahagian daripada yang dibuat dari bahan Rogers, dan lapisan lain dibuat dari FR4.

Apabila memilih stack Rogers, frekuensi adalah pertimbangan utama. Apabila frekuensi melebihi 500MHz, penjana PCB cenderung memilih bahan Rogers, terutama untuk sirkuit RF/microwave, kerana bahan-bahan ini boleh menyediakan prestasi yang lebih tinggi apabila jejak atas ketat dikawal oleh impedance.

Berbanding dengan bahan FR4, bahan Rogers juga boleh menyediakan kehilangan dielektrik yang lebih rendah, dan konstan dielektriknya stabil dalam julat frekuensi luas. Selain itu, bahan Rogers boleh menyediakan prestasi kehilangan penyisihan rendah ideal yang diperlukan oleh operasi frekuensi tinggi.

Coefficient of Thermal Expansion (CTE) of Rogers 4000 series materials has excellent dimensional stability. Ini bermakna bahawa dibandingkan dengan FR4, apabila PCB mengalami segi balik sejuk, panas dan sangat panas, pengembangan panas dan kontraksi papan sirkuit boleh disimpan pada had yang stabil di bawah frekuensi yang lebih tinggi dan segi suhu yang lebih tinggi.

Dalam kes penumpang campuran, ia mudah untuk menggunakan teknologi proses penghasilan umum untuk campuran Rogers dan FR4 prestasi tinggi bersama-sama, jadi ia relatif mudah untuk mencapai hasil penghasilan tinggi. Tumpuan Rogers tidak memerlukan proses persiapan istimewa.

FR4 biasa tidak dapat mencapai prestasi elektrik yang sangat dipercayai, tetapi bahan-bahan FR4 prestasi tinggi mempunyai ciri-ciri kepercayaan yang baik, seperti Tg yang lebih tinggi, masih relatif rendah kos, dan boleh digunakan dalam julat luas aplikasi, dari desain audio sederhana ke aplikasi microwave kompleks.

Pertimbangan rancangan RF/Microwave

Teknologi yang boleh dibawa dan Bluetooth telah membuka jalan untuk aplikasi RF/microwave dalam peranti yang boleh dibawa. Julat frekuensi hari ini semakin dinamik. Beberapa tahun yang lalu, frekuensi yang sangat tinggi (VHF) ditakrif sebagai 2GHz~3GHz. Tetapi sekarang kita boleh melihat aplikasi frekuensi ultra tinggi (UHF) yang berlainan dari 10GHz hingga 25GHz.

Oleh itu, bagi PCB yang boleh dipakai, bahagian frekuensi radio memerlukan lebih perhatian kepada isu kabel, dan isyarat patut dipisahkan secara terpisah, dan jejak yang menghasilkan isyarat frekuensi tinggi patut disimpan jauh dari tanah. Pertimbangan lain termasuk: menyediakan penapis bypass, kondensator penyahpautan yang sesuai, mendarat, dan merancang garis transmisi dan garis kembali hampir sama.

Penapis bypass boleh menekan kandungan bunyi dan kesan ripple percakapan salib. Kondensator penutup perlu ditempatkan lebih dekat dengan pin peranti yang membawa isyarat kuasa.

Garis penghantaran kelajuan tinggi dan gelung isyarat memerlukan lapisan tanah untuk diletakkan diantara isyarat lapisan kuasa untuk meluncurkan kegelisahan yang dijana oleh isyarat bunyi. Pada kelajuan isyarat yang lebih tinggi, ketidakpadanan pengendalian kecil akan menyebabkan penghantaran dan penerimaan isyarat yang tidak seimbang, yang menyebabkan gangguan. Oleh itu, perhatian istimewa mesti diberikan kepada masalah yang sepadan impedance berkaitan dengan isyarat frekuensi radio, kerana isyarat frekuensi radio mempunyai kelajuan tinggi dan toleransi istimewa.

Garis penghantaran frekuensi radio memerlukan pengendalian kawalan untuk menghantar isyarat frekuensi radio dari substrat IC khusus ke PCB. Garis transmisi ini boleh dilaksanakan pada lapisan luar, lapisan atas, dan lapisan bawah, atau mereka boleh dirancang dalam lapisan tengah.

Kaedah yang digunakan semasa bentangan reka-reka RF PCB adalah garis garis microstrip, garis garis garis yang mengapung, panduan gelombang koplanar, atau grounding. Garis garis microstrip terdiri dari logam atau jejak panjang tetap, dan seluruh pesawat tanah atau sebahagian dari pesawat tanah langsung di bawahnya. Impedansi ciri-ciri dalam struktur garis microstrip umum berlainan dari 50Ω hingga 75Ω.

Figur 1: Menetak diagram papan sirkuit berbilang lapisan, menunjukkan bahan FR4 dan Rogers 4350 dan tebal lapisan inti

Garis garis garis ditangguh adalah kaedah lain untuk kabel dan menekan bunyi. Garis ini terdiri dari kawat lebar-tetap pada lapisan dalaman dan pesawat tanah besar di atas dan di bawah konduktor tengah. Pesawat tanah dihantar antara pesawat kuasa, sehingga ia boleh menyediakan kesan pendaratan yang sangat efektif. Ini adalah kaedah yang disukai untuk kabel isyarat frekuensi radio PCB yang boleh dipakai.

Pemandu gelombang Coplanar boleh menyediakan pengasingan yang lebih baik antara garis RF dan garis yang perlu dijalurkan lebih dekat. Medium ini terdiri dari konduktor pusat dan pesawat tanah di kedua-dua sisi atau di bawah. Cara terbaik untuk menghantar isyarat frekuensi radio adalah untuk menggantung garis garis garis atau gelombang koplanar. Dua kaedah ini boleh menyediakan pengasingan yang lebih baik antara isyarat dan jejak RF.

Ia dicadangkan untuk menggunakan yang disebut "melalui pagar" pada kedua-dua sisi panduan gelombang koplanar. Kaedah ini boleh menyediakan baris vias tanah pada setiap pesawat tanah logam konduktor tengah. Jejak utama yang berjalan di tengah mempunyai pagar di setiap sisi, sehingga menyediakan pintasan untuk kembali semasa ke tanah di bawah. Kaedah ini boleh mengurangkan aras bunyi yang berkaitan dengan kesan garis tinggi isyarat RF. Pemasting dielektrik 4.5 tetap sama dengan bahan FR4 bagi prepreg, sementara pemasting dielektrik bagi prepreg-dari microstrip, stripline, atau offset stripline-adalah kira-kira 3.8 hingga 3.9.

Dalam beberapa peranti yang menggunakan pesawat tanah, vias buta mungkin digunakan untuk meningkatkan prestasi pemisahan kondensator bekalan kuasa dan menyediakan laluan shunt dari peranti ke tanah. Laluan shunt ke tanah boleh pendek panjang laluan, yang boleh mencapai dua tujuan: anda tidak hanya mencipta shunt atau tanah, tetapi juga mengurangi jarak transmisi peranti dengan kawasan kecil, yang merupakan faktor reka RF yang penting.