Технология PCB - при проектировании устройства печатные платы необходимо учитывать три важных фактора!

Из-за небольших размеров и габаритов практически не существует готовых стандартов печатные платы для растущего рынка носимых устройств IoT. До появления этих стандартов инженерам заводов по производству печатных плат приходилось полагаться на знания и производственный опыт, полученные при разработке плат, и думать, как применить их для решения уникальных возникающих задач.

Есть три области, которые требуют нашего особого внимания. Это: материалы поверхности печатной платы, ВЧ/микроволновый дизайн и ВЧ линии передачи.

Материал печатные платы 

Печатные платы обычно состоят из слоев, которые могут быть изготовлены из армированной волокнами эпоксидной смолы (FR4), полиимида, материалов Rogers или других слоистых материалов. Изоляционный материал между различными слоями называется препрегом.

Носимые устройства требуют высокой надежности, поэтому, когда разработчики печатных плат оказываются перед выбором: использовать FR4 (самый экономичный материал для производства печатных плат) или более современные и дорогие материалы, это становится проблемой.

Если для носимых печатных плат требуются высокоскоростные и высокочастотные материалы, FR4 может оказаться не лучшим выбором. Диэлектрическая проницаемость (Dk) FR4 составляет 4,5, диэлектрическая проницаемость более современного материала серии Rogers 4003 - 3,55, а диэлектрическая проницаемость братской серии Rogers 4350 - 3,66.

Рисунок 1: Схема многослойной печатные платы 

На рисунке показаны материалы FR4 и Rogers 4350, а также толщина слоя

Диэлектрическая проницаемость ламината - это отношение емкости или энергии между парой проводников вблизи ламината к емкости или энергии между парой проводников в вакууме. На высоких частотах лучше всего иметь небольшие потери. Поэтому Roger 4350 с диэлектрической проницаемостью 3,66 больше подходит для высокочастотных приложений, чем FR4 с диэлектрической проницаемостью 4.5.

В обычных условиях количество слоев печатной платы для носимых устройств варьируется от 4 до 8 слоев. Принцип построения слоев заключается в том, что если это 8-слойная печатная плата, то она должна обеспечивать достаточное количество слоев заземления и питания, а также многослойную разводку. Таким образом, эффект пульсации перекрестных помех сводится к минимуму, а электромагнитные помехи (EMI) значительно снижаются.

На этапе проектирования разводки печатной платы, как правило, предусматривается размещение большого слоя заземления рядом со слоем распределения питания. Это может сформировать очень низкий эффект пульсаций, а шум системы также может быть сведен практически к нулю. Это особенно важно для радиочастотной подсистемы.

по сравнению с материалами Роджерса, FR4 имеет более высокий коэффициент потерь (ДФ), особенно при высоких частотах. для более высокой производительности FR4 слоистой пластины, Df значение около 0002, лучше, чем обычный FR4. Однако стек Роджерса был только 001 или ниже. когда материал FR4 используется для ВЧ - приложений, вставить потери будут существенно различаться. потери при вставке означают потерю мощности при использовании FR4, Rogers или других материалов, от точки A до точки B.

Проблема изготовления

для ношения PCB требуется более строгий контроль сопротивлений, что является важным фактором, позволяющим носить оборудование. совпадение импедансов может привести к более четкой передаче сигнала. ранее стандартный допуск на ношение следов сигнала составлял ± 10%. для современных высокочастотных и высокоскоростных схем этот показатель явно недостаточен. В настоящее время требования составляют ± 7%, а в некоторых случаях ± 5% или менее. Этот и другие переменные серьезно скажутся на импедансном контроле над производством, которое носит исключительно жесткий характер и которое ограничивает число предприятий, способных их производить.

Допуск на диэлектрическую проницаемость ламината из материалов Rogers UHF обычно поддерживается на уровне ±2%, а в некоторых продуктах может достигать ±1%. В отличие от этого, допуск на диэлектрическую проницаемость ламината FR4 достигает 10%. Поэтому, сравнив эти два материала, можно обнаружить, что вносимые потери Rogers особенно низки. По сравнению с традиционным материалом FR4, потери на передачу и вносимые потери в стеке Rogers в два раза ниже.

В большинстве случаев стоимость является наиболее важным фактором. Однако Rogers может обеспечить относительно низкие потери в высокочастотном ламинате по приемлемой цене. Для коммерческих применений Rogers может быть изготовлен в виде гибридной печатной платы с FR4 на эпоксидной основе, часть слоев которой изготовлена из материала Rogers, а другие слои - из FR4.

При выборе стека Rogers в первую очередь учитывается частота. Если частота превышает 500 МГц, разработчики печатных плат, как правило, выбирают материалы Rogers, особенно для ВЧ/микроволновых схем, поскольку эти материалы могут обеспечить более высокую производительность, когда верхние трассы строго контролируются по импедансу.

по сравнению с материалами FR4 материалы Роджерса могут также обеспечивать более низкие диэлектрические потери и их диэлектрические константы стабильны в широком диапазоне частот. Кроме того, материал Роджерса может обеспечить идеальные низкопробные характеристики износа при высокочастотных операциях.

Коэффициент теплового расширения (CTE) материалов Rogers серии 4000 обладает превосходной стабильностью размеров. Это означает, что по сравнению с FR4, когда печатная плата подвергается циклам холодной, горячей и очень горячей доводки, тепловое расширение и сжатие печатной платы может поддерживаться на стабильном уровне при более частых и более высоких температурных циклах.

В случае смешанных штабелей легко смешивать Роджерса с высокопроизводительным FR4 с использованием обычных производственных технологий, и поэтому относительно легко добиться более высоких темпов производства. стек Роджерса не требует особого процесса подготовки к проходу.

Обычный FR4 не может обеспечить очень надежные электрические характеристики, но высокопроизводительные материалы FR4 обладают хорошими характеристиками надежности, такими как более высокая Tg, при этом имеют относительно низкую стоимость и могут использоваться в широком спектре приложений, от простых аудиоконструкций до сложных микроволновых приложений.

радиочастота / микроволны

Соображения по дизайну

портативные технологии и технологии "Bluetooth" открывают путь для применения радиочастот / микроволн в портативных устройствах. сегодня диапазон частот становится все более динамичным. несколько лет назад ОВЧ (VHF) были определены как 2GHz ~ 3GHz. Но теперь мы видим применение ультравысоких частот (УВЧ) от 10 ГГц до 25 ГГц.

Поэтому в печатных платах для носимых устройств радиочастотная часть требует большего внимания к вопросам разводки, сигналы должны быть разделены отдельно, а трассы, генерирующие высокочастотные сигналы, должны быть удалены от земли. Другие соображения включают: обеспечение шунтирующего фильтра, адекватных развязывающих конденсаторов, заземления и проектирование линии передачи и обратной линии, чтобы они были почти одинаковыми.

боковые фильтры могут подавлять уровень шумов и эффект волны. конденсатор развязки должен быть расположен ближе к выводам устройства, передающего сигнал мощности.

Высокоскоростные линии передачи и сигнальные шлейфы требуют размещения слоя заземления между сигналами силового уровня для сглаживания джиттера, создаваемого шумовыми сигналами. При высоких скоростях передачи сигнала небольшие несоответствия импеданса приводят к дисбалансу при передаче и приеме сигналов, что приводит к искажениям. Поэтому необходимо уделять особое внимание проблеме согласования импеданса, связанной с радиочастотным сигналом, поскольку радиочастотный сигнал имеет высокую скорость и особый допуск.

радиочастотная линия передачи требует управления сопротивлением для передачи радиочастотных сигналов с определенной базы IC на PCB. Эти линии могут быть установлены в наружном, Верхнем и нижнем слоях или спроектированы в промежуточном слое. 

При разводке радиочастотного дизайна печатной платы используются такие методы, как микрополосковые линии, плавающие полосковые линии, копланарные волноводы или заземление. Микрополосковая линия состоит из металла или трассы фиксированной длины и всей плоскости заземления или части плоскости заземления непосредственно под ней. Характеристический импеданс в общей структуре микрополосковой линии составляет от 50Ω до 75Ω.

Рисунок 2: плоскостной волновод может быть установлен в линиях радиочастот, необходимо проводить проводки

обеспечить лучшую изоляцию вблизи очень близких линий

Подвесной стриплайн - еще один метод разводки и подавления шумов. Эта линия состоит из проводов фиксированной ширины на внутреннем слое и большой плоскости заземления над и под центральным проводником. Плоскость заземления находится между плоскостями питания, поэтому она может обеспечить очень эффективный эффект заземления. Это предпочтительный метод для проводки радиочастотных сигналов в носимых печатных платах.

Копланарные волноводы могут обеспечить лучшую изоляцию между ВЧ-линиями и линиями, которые необходимо проложить ближе. Эта среда состоит из центрального проводника и заземляющих плоскостей по обе стороны или под ним. Лучший способ передачи радиочастотных сигналов - это подвесные полосковые линии или копланарные волноводы. Эти два метода обеспечивают лучшую изоляцию между сигнальными и радиочастотными трассами.

рекомендуется использовать так называемые "перегородки через отверстие" по обеим сторонам плоского волновода. Этот метод может обеспечить ряд заземленных отверстий на плоскости заземления каждого металла центрального проводника. по обе стороны главной линии, проходящей посередине, имеется ограждение, которое обеспечивает кратчайший путь для обратного потока в землю. Этот метод может снизить уровень шума, связанного с эффектом высокослоистых волн радиосигналов. 4.5 диэлектрические константы остаются такими же, как и в материалах FR4, предварительно пропитанных, а диэлектрические константы предварительно пропитанных материалов (микрополосные, полосовые или отклоняемые полосы) составляют примерно 3.8 - 3.9.

Рисунок 3: рекомендуется установить диафрагмовое ограждение по обе стороны плоского волновода

В некоторых устройствах, использующих плоскость земли, глухие проходы могут использоваться для улучшения характеристик развязки конденсатора источника питания и обеспечения шунтирующего пути от устройства к земле. Шунтирующий путь к земле может сократить длину виа, что позволяет достичь двух целей: вы не только создаете шунт или землю, но и уменьшаете расстояние передачи данных устройств с малой площадью, что является важным фактором при проектировании ВЧ.