De basisprincipes van draagbare PCB-ontwerpen

Vanwege hun kleine formaat en afmetingen bestaan ​​er weinig printplaatstandaarden voor de groeiende draagbare Internet of Things-markt. Totdat ze verschijnen, zullen we moeten vertrouwen op wat we hebben geleerd over ontwikkeling op directieniveau en productie-ervaring en zorgvuldig overwegen hoe ze van toepassing zijn op de unieke uitdagingen die zich daar voordoen. Drie gebieden waar we bijzondere aandacht aan moeten besteden, zijn:plaatmateriaal, RF/magnetronontwerp en RF-transmissielijnen.

PCB-materialen
PCB-lagen zijn samengesteld uit laminaten, die kunnen worden gemaakt van FR4 (vezelversterkte epoxy), polyimide of Rogers-materialen of laminaten. Isolatie tussen verschillende lagen wordt pre-preg genoemd.

Wearables vereisen een hoge mate van betrouwbaarheid, wat een probleem wordt wanneer de PCB-ontwerper wordt geconfronteerd met de keuze om FR4 te gebruiken, het meest kosteneffectieve PCB-fabricagemateriaal, of een geavanceerder, duurder materiaal.

Als de draagbare PCB-toepassing snelle, hoogfrequente materialen vereist, is FR4 misschien niet het beste antwoord. FR4 heeft een diëlektrische constante (Dk) van 4,5, terwijl de meer geavanceerde materialen uit de Rogers 4003-serie een Dk van 3,55 hebben, terwijl de bijbehorende serie Rogers 4350 een Dk van 3,66 heeft.

De Dk van een laminaat verwijst naar de capaciteit of energie tussen een paar geleiders in de buurt van het laminaat in vergelijking met dat paar geleiders in een vacuüm. Bij hoge frequenties is het wenselijk om een ​​zeer klein verlies te hebben, dus een Dk van 3,66 in Rogers 4350 zou wenselijker zijn voor circuits met hogere frequenties dan FR4, die een Dk van 4,5 heeft.

Normaal gesproken varieert het aantal lagen van vier tot acht lagen voor draagbare apparaten. Laagstructurering is zodanig dat als het een achtlagige PCB is, deze voldoende grond en stroomvlak biedt om de routeringslagen te sandwichen. Zo wordt het rimpeleffect bij overspraak tot een minimum beperkt en wordt elektromagnetische interferentie of EMI aanzienlijk verminderd.

In de lay-outfase van het bord is het lay-outschema zodanig dat het grondvlak stevig is naast de stroomdistributielaag. Dit zorgt voor een laag rimpeleffect en systeemruis wordt tot vrijwel nul gereduceerd. Dit is vooral belangrijk voor RF-subsystemen.

FR4 heeft een hoge dissipatiefactor (Df) in vergelijking met Rogers' materiaal, vooral bij hoge frequenties. Df-waarden voor FR4-laminaten met hogere prestaties liggen in het bereik van 0,002, een orde van grootte beter dan gewone FR4. De laminaten van Rogers zijn echter 0,001 of minder. Er wordt dus een significant verschil in insertieverlies gecreëerd wanneer FR4-materiaal wordt blootgesteld aan hoge frequenties. Invoegverlies wordt gedefinieerd als een verlies van signaalvermogen bij transmissie van punt A naar B als gevolg van het gebruik van een laminaat zoals FR4, Rogers of andere materialen.

Fabricageproblemen
Wearables PCB's vereisen een veel strakkere impedantiecontrole, wat een essentieel element is voor een draagbaar apparaat, wat resulteert in een schonere signaalvoortplanting. Eerder was de standaardtolerantie +/- 10% voor signaaldragende sporen. Dat is niet goed genoeg voor de huidige hoogfrequente, snelle circuits. De eis is nu +/- 7% en in sommige gevallen +/- 5% of zelfs lager. Deze en andere variabelen hebben een negatieve invloed op de fabricage van die wearables-PCB's die een extreem strakke impedantiecontrole hebben, waardoor het aantal fabricagewinkels dat ze kan bouwen, wordt beperkt.

Laminaten van extreem hoogfrequent materiaal van Rogers worden op +/- 2% van de Dk-tolerantie gehouden. Sommige kunnen zelfs +/- 1% van de DK-tolerantie bevatten, vergeleken met 10% Dk-tolerantie in FR4-laminaten, waardoor het insertieverlies extreem laag is wanneer de twee materialen worden vergeleken. Dit zou de transmissie- en insertieverliezen in Rogers tot minder dan de helft beperken, vergeleken met een traditioneel FR4-materiaal.

In de meeste gevallen staat de kostprijs voorop. Rogers biedt echter een relatief laag verlies laminaat met hoogfrequente prestaties tegen een acceptabel prijspunt. Voor commerciële toepassingen kan het worden gebruikt in combinatie met FR4 op epoxybasis voor een hybride PCB, waarbij sommige lagen Rogers-materiaal zijn en andere FR4.

Bij het selecteren van Rogers-laminaten is frequentie de belangrijkste overweging. Aangezien de frequentie boven de 500 megahertz (MHz) komt, hebben PCB-ontwerpers de neiging om Rogers-materialen te verkiezen boven FR4, vooral voor RF-/microgolfcircuits, omdat deze materialen beter presteren wanneer sporen strak worden gecontroleerd door de impedantie.

Rogers-materialen bieden ook een laag diëlektrisch verlies in vergelijking met FR4 en bieden een Dk die stabiel is voor een breed scala aan frequenties. Bovendien bieden ze een laag invoegverlies, ideaal voor gebruik bij hoge frequenties.

De thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) voor Rogers 4000-serie heeft uitzonderlijke stabiliteit van afmetingen. Dit betekent dat wanneer de PCB een reflow-cyclus van koud, heet en zeer heet doorloopt, de uitzetting en samentrekking van de printplaat bij hogere frequenties en hogere temperatuurcycli tot een stabiele limiet worden gehouden in vergelijking met FR4.

In een hybride laminaatstapelsituatie kan Rogers gemakkelijk worden gemengd met een hoogwaardige FR4 met behulp van gebruikelijke fabricageverwerkingstechnieken, waardoor het relatief eenvoudig is om goede fabricageopbrengsten te behalen. Rogers' laminaten vereisen geen speciale voorbereiding.

FR4 doet het normaal gesproken niet zo goed als betrouwbare elektrische prestaties, maar hoogwaardig FR4-materiaal heeft goede betrouwbaarheidskenmerken, zoals een hogere Tg, nog steeds relatief lagere kosten, en het vermogen om te worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van eenvoudige audioontwerpen tot complexe microgolftoepassingen.

Volgende pagina>