Công nghệ PCB - Ba yếu tố quan trọng phải được xem xét khi thiết kế PCB thiết bị đeo!

Do kích thước nhỏ, có rất ít tiêu chuẩn bảng mạch in sẵn có cho thị trường IoT ngày càng tăng. Trước khi các tiêu chuẩn này được đưa ra, các kỹ sư tại các nhà máy sản xuất bảng mạch phải dựa vào kiến thức và kinh nghiệm sản xuất đã học được trong quá trình phát triển bảng và suy nghĩ về cách áp dụng chúng cho những thách thức mới nổi độc đáo.

Có ba lĩnh vực cần chúng tôi đặc biệt chú ý. Đó là: vật liệu bề mặt bảng mạch, thiết kế RF/lò vi sóng và đường truyền RF.

Vật liệu PCB

PCB thường bao gồm các tấm laminate có thể được làm bằng nhựa epoxy gia cố sợi (FR4), vật liệu polyimide hoặc Rogers hoặc vật liệu laminate khác. Vật liệu cách nhiệt giữa các lớp khác nhau được gọi là preprepreg.

Thiết bị đeo đòi hỏi độ tin cậy cao, vì vậy nó sẽ trở thành một vấn đề khi các nhà thiết kế PCB phải đối mặt với sự lựa chọn sử dụng FR4 (vật liệu sản xuất PCB hiệu quả nhất) hoặc các vật liệu tiên tiến hơn, đắt tiền hơn.

Nếu các ứng dụng PCB đeo được yêu cầu vật liệu tần số cao, tốc độ cao, FR4 có thể không phải là lựa chọn tốt nhất. Hằng số điện môi (Dk) cho FR4 là 4,5, 3,55 cho các vật liệu tiên tiến hơn Rogers 4003 series và 3,66 cho Brother Series Rogers 4350.

Hình 1: Sơ đồ xếp chồng lên nhau của bảng mạch nhiều lớp

Hình ảnh cho thấy vật liệu FR4 và Rogers 4350 và độ dày lõi

Hằng số điện môi của laminate đề cập đến điện dung hoặc tỷ lệ năng lượng giữa một cặp dây dẫn gần laminate và điện dung hoặc năng lượng giữa cặp dây dẫn đó trong chân không. Ở tần số cao, tốt nhất là có một tổn thất nhỏ. Do đó, Roger 4350 với hằng số điện môi 3,66 phù hợp hơn cho các ứng dụng tần số cao hơn so với FR4 với hằng số điện môi 4,5.

Trong điều kiện bình thường, số lượng lớp PCB của thiết bị đeo được dao động từ 4 đến 8 lớp. Nguyên tắc của cấu trúc phân tầng là nếu đó là một PCB 8 lớp, nó sẽ có thể cung cấp đủ tầng và lớp điện và kẹp lớp dây ở giữa. Bằng cách này, hiệu ứng gợn trong nhiễu xuyên âm có thể được giữ ở mức tối thiểu và nhiễu điện từ (EMI) có thể được giảm đáng kể.

Trong giai đoạn thiết kế bố trí bảng mạch, sơ đồ bố trí thường là đặt một tầng lớn gần tầng phân phối. Điều này có thể tạo ra hiệu ứng gợn rất thấp và tiếng ồn hệ thống cũng có thể được giảm xuống gần như bằng không. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các hệ thống con RF.

FR4 có hệ số tiêu tán cao hơn (Df) so với vật liệu Rogers, đặc biệt là ở tần số cao. Đối với các tấm laminate FR4 hiệu suất cao hơn, giá trị Df là khoảng 0,002, tốt hơn một bậc so với FR4 thông thường. Tuy nhiên, Rogers chỉ có 0,001 hoặc thấp hơn. Khi vật liệu FR4 được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao, tổn thất chèn sẽ khác nhau đáng kể. Mất chèn được định nghĩa là mất điện của tín hiệu từ điểm A đến điểm B khi sử dụng FR4, Rogers hoặc các vật liệu khác.

Vấn đề sản xuất

PCB đeo được yêu cầu kiểm soát trở kháng chặt chẽ hơn, đây là một yếu tố quan trọng đối với thiết bị đeo được. Kết hợp trở kháng có thể tạo ra truyền tín hiệu sạch hơn. Trước đó, dung sai chuẩn của dấu vết truyền tín hiệu là ± 10%. Chỉ số này rõ ràng là không đủ tốt cho các mạch tần số cao và tốc độ cao ngày nay. Yêu cầu hiện tại là ± 7%, và trong một số trường hợp thậm chí ± 5% hoặc thấp hơn. Thông số này và các biến khác sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sản xuất PCB đeo được với các điều khiển trở kháng cực kỳ nghiêm ngặt, do đó hạn chế số lượng doanh nghiệp có thể sản xuất các PCB này.

Dung sai hằng số điện môi của laminate làm bằng vật liệu Rogers UHF thường được giữ ở ± 2%, và một số sản phẩm thậm chí có thể đạt đến ± 1%. Ngược lại, FR4 laminate có dung sai hằng số điện môi lên tới 10%. Vì vậy, so sánh hai vật liệu này cho thấy Rogers có tổn thất chèn đặc biệt thấp. So với vật liệu FR4 truyền thống, Rogers Stacking đã giảm một nửa tổn thất truyền tải và mất chèn.

Trong hầu hết các trường hợp, chi phí là quan trọng nhất. Tuy nhiên, Rogers có thể cung cấp hiệu suất laminate tần số cao với tổn thất tương đối thấp ở mức giá chấp nhận được. Đối với các ứng dụng thương mại, Rogers có thể được tạo thành PCB hỗn hợp với FR4 epoxy, một số lớp được làm từ vật liệu Rogers và những người khác được làm từ FR4.

Tần suất là cân nhắc hàng đầu khi chọn một ngăn xếp Rogers. Các nhà thiết kế PCB có xu hướng chọn vật liệu Rogers khi tần số vượt quá 500 MHz, đặc biệt là đối với mạch RF/vi sóng, vì chúng có thể cung cấp hiệu suất cao hơn khi dấu vết trên được kiểm soát chặt chẽ bởi trở kháng.

Vật liệu Rogers cũng có thể cung cấp tổn thất điện môi thấp hơn so với vật liệu FR4 và hằng số điện môi của nó ổn định trên dải tần số rộng hơn. Ngoài ra, vật liệu Rogers có thể cung cấp hiệu suất mất chèn thấp lý tưởng cần thiết cho hoạt động tần số cao.

Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu Rogers 4000 Series có độ ổn định kích thước tốt. Điều này có nghĩa là khi PCB trải qua một chu kỳ hồi lưu lạnh, nóng và rất nóng so với FR4, sự giãn nở nhiệt và co lại của bảng mạch có thể được duy trì ở giới hạn ổn định trong chu kỳ tần số cao hơn và nhiệt độ cao hơn.

Trong trường hợp trộn ngăn xếp, thật dễ dàng để trộn Rogers và FR4 hiệu suất cao với nhau bằng cách sử dụng các kỹ thuật quy trình sản xuất phổ biến, do đó tương đối dễ dàng để đạt được tỷ lệ sản xuất cao. Rogers heap không yêu cầu quá trình chuẩn bị đặc biệt.

FR4 thông thường không đạt được hiệu suất điện rất đáng tin cậy, nhưng vật liệu FR4 hiệu suất cao có đặc tính độ tin cậy tốt, chẳng hạn như Tg cao hơn, vẫn có chi phí tương đối thấp và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ thiết kế âm thanh đơn giản đến các ứng dụng vi sóng phức tạp.

RF/Lò vi sóng

Cân nhắc thiết kế

Công nghệ di động và Bluetooth mở đường cho các ứng dụng tần số vô tuyến/vi sóng trong thiết bị đeo. Tần số ngày nay đang trở nên năng động hơn. Vài năm trước, tần số rất cao (VHF) được định nghĩa là 2GHz~3GHz. Nhưng bây giờ chúng ta có thể thấy các ứng dụng tần số cực cao (UHF) từ 10GHz đến 25GHz.

Do đó, đối với PCB đeo được, phần RF cần chú ý nhiều hơn đến các vấn đề về hệ thống dây, tín hiệu nên được tách ra và dấu vết tạo ra tín hiệu tần số cao nên tránh xa mặt đất. Các cân nhắc khác bao gồm: cung cấp bộ lọc bỏ qua, đủ tụ điện tách rời, nối đất và thiết kế đường truyền và đường hồi lưu gần như bằng nhau.

Bộ lọc bỏ qua có thể ức chế hàm lượng tiếng ồn và hiệu ứng gợn của nhiễu xuyên âm. Một tụ điện tách rời cần được đặt gần hơn với chân của thiết bị mang tín hiệu điện.

Các đường truyền tốc độ cao và vòng lặp tín hiệu yêu cầu đặt các tầng nối giữa các tín hiệu lớp năng lượng để làm mịn rung do tín hiệu nhiễu tạo ra. Ở tốc độ tín hiệu cao hơn, sự không phù hợp trở kháng nhỏ hơn sẽ dẫn đến sự mất cân bằng trong việc truyền và nhận tín hiệu, dẫn đến biến dạng. Do đó, phải đặc biệt chú ý đến các vấn đề kết hợp trở kháng liên quan đến tín hiệu tần số vô tuyến, vì tín hiệu tần số vô tuyến có tốc độ cao và dung sai đặc biệt.

Các đường truyền RF cần phải kiểm soát trở kháng để truyền tín hiệu RF từ một chất nền IC cụ thể đến PCB. Các đường truyền này có thể được thực hiện ở các lớp bên ngoài, trên cùng và dưới cùng, hoặc chúng có thể được thiết kế ở các lớp trung gian.

Các phương pháp được sử dụng trong quá trình bố trí thiết kế RF PCB là dây microband, dây ruy băng nổi, ống dẫn sóng chung hoặc nối đất. Các sợi microband bao gồm một chiều dài cố định của kim loại hoặc dấu vết và toàn bộ mặt phẳng mặt đất hoặc một phần ngay bên dưới chúng. Phạm vi trở kháng đặc trưng trong cấu trúc microband chung là 50 đến 75.

Hình 2: Các ống dẫn sóng chung có thể được định tuyến trên đường RF và cần phải được định tuyến

Cung cấp sự cô lập tốt hơn gần các đường rất gần

Treo dây ruy băng là một cách khác để định tuyến và giảm tiếng ồn. Đường này bao gồm một hệ thống dây có chiều rộng cố định ở các lớp bên trong và một mặt phẳng nối đất lớn ở trên và dưới dây dẫn trung tâm. Các mặt phẳng mặt đất được kẹp giữa các mặt phẳng cung cấp năng lượng, vì vậy nó có thể cung cấp hiệu ứng mặt đất rất hiệu quả. Đây là phương pháp ưa thích để định tuyến tín hiệu RF PCB có thể đeo được.

Các ống dẫn sóng chung có thể cung cấp sự cách ly tốt hơn giữa các đường RF và các đường yêu cầu định tuyến gần nhau hơn. Phương tiện này bao gồm dây dẫn trung tâm và mặt phẳng nối đất ở hai bên hoặc bên dưới. Cách tốt nhất để truyền tín hiệu RF là treo các đường ruy băng hoặc ống dẫn sóng chung. Cả hai phương pháp có thể cung cấp cách ly tốt hơn giữa dấu vết tín hiệu và RF.

Nên sử dụng cái gọi là "overgrid" ở cả hai bên của ống dẫn sóng chung. Phương pháp này có thể cung cấp một hàng các lỗ nối đất trên mỗi mặt phẳng nối đất kim loại của dây dẫn trung tâm. Dấu vết chính ở giữa có hàng rào ở mỗi bên, do đó cung cấp một lối tắt đến mặt đất vuông góc để dòng điện trở lại. Phương pháp này có thể làm giảm mức độ nhiễu liên quan đến hiệu ứng gợn cao của tín hiệu RF. Hằng số điện môi của 4,5 được duy trì giống như vật liệu FR4 của phôi pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-band có hệ số điện môi khoảng 3,8 đến 3,9.

Hình 3: Nên lắp đặt hàng rào xuyên lỗ ở cả hai bên của ống dẫn sóng chung.

Trong một số thiết bị sử dụng mặt phẳng nối đất, việc vượt qua mù có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tách rời của tụ điện nguồn và cung cấp đường dẫn phân luồng từ thiết bị đến mặt đất. Con đường phân chia đến mặt đất có thể rút ngắn chiều dài của lỗ, điều này có thể đạt được hai mục đích: không chỉ tạo ra sự phân chia hoặc nối đất, mà còn giảm khoảng cách truyền cho các thiết bị diện tích nhỏ, một yếu tố thiết kế RF quan trọng.