Основные принципы проектирования носимых печатных плат

Из-за их небольшого размера и габаритов существует несколько стандартов на печатные платы для растущего рынка носимых устройств Интернета вещей. Пока они не появятся, нам придется полагаться на то, что мы узнали об опыте разработки и производства на уровне совета директоров, и тщательно продумывать, как они применимы к возникающим там уникальным задачам. Нам следует уделять особенно пристальное внимание трем областям:материалы поверхности платы, конструкция ВЧ / СВЧ-диапазона и линии передачи ВЧ.

Материалы для печатных плат
Слои печатной платы состоят из ламинатов, которые могут быть изготовлены из FR4 (армированная волокном эпоксидная смола), полиимида, материалов или ламинатов Rogers. Изоляция между разными слоями называется пре-прег.

Носимые устройства требуют высокой степени надежности, что становится проблемой, когда разработчик печатных плат сталкивается с выбором использования FR4, который является наиболее экономичным материалом для изготовления печатных плат, или более совершенного и более дорогого материала.

Если для носимых печатных плат требуются высокоскоростные и высокочастотные материалы, FR4 может быть не лучшим решением. FR4 имеет диэлектрическую проницаемость (Dk) 4,5, тогда как более продвинутые материалы серии Rogers 4003 имеют Dk 3,55, а его сопутствующая серия Rogers 4350 имеет Dk 3,66.

Dk ламината относится к емкости или энергии между парой проводников в непосредственной близости от ламината по сравнению с этой парой проводников в вакууме. На высоких частотах желательно иметь очень небольшие потери, поэтому Dk в Rogers 4350 будет более желательным для высокочастотных цепей по сравнению с FR4, у которого Dk составляет 4,5

Обычно количество слоев для носимых устройств варьируется от четырех до восьми. Слои структурированы так, что, если это восьмислойная печатная плата, она обеспечивает достаточно земли и плоскости питания для размещения слоев разводки. Таким образом, эффект пульсации при перекрестных помехах сводится к минимуму, а электромагнитные помехи или EMI значительно снижаются.

На этапе компоновки платы график компоновки таков, что заземляющая поверхность сплошная рядом со слоем распределения питания. Это создает низкий эффект пульсации, а шум системы снижается практически до нуля. Это особенно важно для подсистем RF.

FR4 имеет высокий коэффициент рассеяния (Df) по сравнению с материалом Rogers, особенно на высоких частотах. Значения Df для более эффективных ламинатов FR4 находятся в диапазоне 0,002, что на порядок лучше, чем у обычных FR4. Однако ламинаты Rogers имеют толщину 0,001 или меньше. Таким образом, возникает значительная разница во вносимых потерях, когда материал FR4 подвергается воздействию высоких частот. Вносимые потери определяются как потеря мощности сигнала при передаче из точки A в B в результате использования ламината, такого как FR4, Rogers или других материалов.

Проблемы изготовления
Печатные платы носимых устройств требуют более жесткого контроля импеданса, который является важным элементом носимых устройств, что приводит к более четкому распространению сигнала. Ранее стандартный допуск составлял +/- 10% для дорожек, несущих сигнал. Этого недостаточно для сегодняшней высокочастотной высокоскоростной схемы. Теперь требование составляет +/- 7%, а в некоторых случаях +/- 5% или даже ниже. Эта и другие переменные негативно влияют на производство тех носимых печатных плат, которые имеют чрезвычайно жесткий контроль импеданса, тем самым ограничивая количество производственных цехов, способных их построить.

Ламинат из чрезвычайно высокочастотного материала Rogers выдерживает +/- 2% допуска Dk. Некоторые из них могут даже выдерживать +/- 1% допуска DK по сравнению с допуском 10% Dk в ламинатах FR4, поэтому вносимые потери чрезвычайно низки при сравнении двух материалов. Это ограничит потери передачи и вносимые потери в Rogers менее чем наполовину по сравнению с традиционным материалом FR4.

В большинстве случаев стоимость имеет первостепенное значение. Однако Rogers предлагает ламинат с относительно низкими потерями и высокими частотами по приемлемой цене. Для коммерческих приложений его можно использовать вместе с FR4 на эпоксидной основе для гибридной печатной платы, при этом одни слои являются материалом Роджерса, а другие - FR4.

При выборе ламината Rogers частота является главным соображением. По мере увеличения частоты выше 500 мегагерц (МГц) разработчики печатных плат склонны отдавать предпочтение материалам Rogers, а не FR4, особенно для ВЧ / микроволновых схем, потому что эти материалы работают лучше, когда дорожки жестко контролируются импедансом.

Материалы Rogers также обладают низкими диэлектрическими потерями по сравнению с FR4 и обеспечивают стабильную величину Dk в широком диапазоне частот. Кроме того, они предлагают низкие вносимые потери, идеально подходящие для работы на высоких частотах.

Коэффициент теплового расширения (CTE) для Rogers серии 4000 отличается исключительной стабильностью размеров. Это означает, что когда печатная плата проходит цикл оплавления из холодного, горячего и очень горячего состояния, расширение и сжатие печатной платы сохраняются на стабильном пределе при более высоких частотах и ​​более высоких температурных циклах по сравнению с FR4.

В случае штабелирования гибридного ламината Rogers можно легко смешать с высокоэффективным FR4 с использованием обычных производственных технологий, что позволяет относительно легко получить хорошие производственные показатели. Ламинат Rogers не требует специальной подготовки.

FR4 обычно не обеспечивает надежных электрических характеристик, но высокопроизводительный материал FR4 действительно имеет хорошие характеристики надежности, такие как более высокая Tg, все еще относительно низкая стоимость и его способность использоваться в широком спектре приложений от простых аудио проекты для сложных микроволновых приложений.

Следующая страница>