Zaradi majhnosti in velikosti skoraj ni obstoječih standardov za tiskana vezja za rastoči trg nosljive interneta stvari. Preden so bili ti standardi objavljeni, smo se morali zanašati na znanje in proizvodne izkušnje, pridobljene pri razvoju na ravni plošč, in razmišljati o tem, kako jih uporabiti za edinstvene nastajajoče izzive. Obstajajo tri področja, ki zahtevajo našo posebno pozornost. To so: materiali površin tiskanih vezij, zasnova RF/mikrovalov in RF prenosni vodi.

Material tiskanega vezja

»PCB« je običajno sestavljen iz laminatov, ki so lahko izdelani iz epoksidne smole, ojačane z vlakni (FR4), poliimida ali Rogersovih materialov ali drugih laminatnih materialov. Izolacijski material med različnimi plastmi se imenuje prepreg.

Nosljive naprave zahtevajo visoko zanesljivost, zato bo to postalo problem, ko se bodo oblikovalci tiskanih vezij soočili z izbiro uporabe FR4 (stroškovno najučinkovitejšega materiala za izdelavo tiskanih vezij) ali naprednejših in dražjih materialov.

Če nosljive aplikacije s tiskanimi vezji zahtevajo visokohitrostne in visokofrekvenčne materiale, FR4 morda ni najboljša izbira. Dielektrična konstanta (Dk) FR4 je 4,5, dielektrična konstanta naprednejšega materiala serije Rogers 4003 je 3,55, dielektrična konstanta bratske serije Rogers 4350 pa 3,66.

„Dielektrična konstanta laminata se nanaša na razmerje med kapacitivnostjo ali energijo med parom prevodnikov v bližini laminata in kapacitivnostjo ali energijo med parom prevodnikov v vakuumu. Pri visokih frekvencah je najbolje imeti majhno izgubo. Zato je Roger 4350 z dielektrično konstanto 3,66 primernejši za aplikacije z višjimi frekvencami kot FR4 z dielektrično konstanto 4,5.“

V normalnih okoliščinah se število plasti tiskanega vezja za nosljive naprave giblje od 4 do 8 plasti. Načelo konstrukcije plasti je, da če gre za 8-plastno tiskano vezje, mora biti sposobno zagotoviti dovolj ozemljitvenih in napajalnih plasti ter prekriti plast ožičenja. Na ta način je mogoče čim bolj zmanjšati valovanje pri presluhu in znatno zmanjšati elektromagnetne motnje (EMI).

V fazi načrtovanja postavitve tiskanega vezja je načrt postavitve običajno tak, da se velika ozemljitvena plast namesti blizu plasti za distribucijo energije. To lahko ustvari zelo nizek valovni učinek in zmanjša sistemski šum na skoraj nič. To je še posebej pomembno za radiofrekvenčni podsistem.

V primerjavi z Rogersovim materialom ima FR4 višji faktor disipacije (Df), zlasti pri visokih frekvencah. Pri visokozmogljivih FR4 laminatih je vrednost Df približno 0,002, kar je za velikostni red boljše kot pri običajnem FR4. Vendar pa je pri Rogersovem materialu ta vrednost le 0,001 ali manj. Pri uporabi materiala FR4 za visokofrekvenčne aplikacije bo prišlo do znatne razlike v vstavljeni izgubi. Vstavljena izguba je opredeljena kot izguba moči signala od točke A do točke B pri uporabi FR4, Rogersovih ali drugih materialov.

ustvarjati težave

Nosljive tiskane vezij (PCB) zahtevajo strožji nadzor impedance. To je pomemben dejavnik za nosljive naprave. Usklajevanje impedance lahko zagotovi čistejši prenos signala. Prej je bila standardna toleranca za sledi prenosa signala ±10 %. Ta kazalnik očitno ni dovolj dober za današnja visokofrekvenčna in visokohitrostna vezja. Trenutna zahteva je ±7 %, v nekaterih primerih pa celo ±5 % ali manj. Ta parameter in druge spremenljivke bodo resno vplivale na proizvodnjo teh nosljivih tiskanih vezij s še posebej strogim nadzorom impedance, s čimer bodo omejile število podjetij, ki jih lahko proizvajajo.

Toleranca dielektrične konstante laminata iz materialov Rogers UHF se običajno vzdržuje pri ±2 %, nekateri izdelki pa lahko dosežejo celo ±1 %. Nasprotno pa je toleranca dielektrične konstante laminata FR4 kar 10 %. Zato lahko pri primerjavi teh dveh materialov ugotovimo, da so vstavitvene izgube Rogersa še posebej nizke. V primerjavi s tradicionalnimi materiali FR4 so prenosne izgube in vstavitvene izgube Rogersovega sklada za polovico nižje.

V večini primerov so stroški najpomembnejši. Vendar pa lahko Rogers zagotovi relativno nizkofrekvenčno laminatno delovanje z nizkimi izgubami po sprejemljivi ceni. Za komercialne aplikacije je mogoče Rogers izdelati v hibridni tiskani vezju z FR4 na osnovi epoksi smole, pri čemer nekatere plasti uporabljajo material Rogers, druge pa FR4.

Pri izbiri Rogersovega sklada je frekvenca glavni dejavnik. Ko frekvenca preseže 500 MHz, oblikovalci tiskanih vezij običajno izberejo Rogersove materiale, zlasti za RF/mikrovalovna vezja, saj lahko ti materiali zagotovijo večjo zmogljivost, ko so zgornje sledi strogo nadzorovane z impedanco.

V primerjavi z materialom FR4 lahko material Rogers zagotavlja tudi manjše dielektrične izgube, njegova dielektrična konstanta pa je stabilna v širokem frekvenčnem območju. Poleg tega lahko material Rogers zagotovi idealno nizko vstavno izgubo, ki jo zahteva visokofrekvenčno delovanje.

Koeficient toplotnega raztezanja (CTE) materialov serije Rogers 4000 ima odlično dimenzijsko stabilnost. To pomeni, da se v primerjavi s FR4 pri hladnih, vročih in zelo vročih ciklih spajkanja s ponovnim plovcem toplotni raztezek in krčenje tiskanega vezja lahko ohranja na stabilni meji pri višjih frekvencah in višjih temperaturah.

V primeru mešanega zlaganja je enostavno uporabiti običajno tehnologijo proizvodnega procesa za mešanje Rogersovega in visokozmogljivega FR4, zato je relativno enostavno doseči visok proizvodni izkoristek. Rogersov sklad ne zahteva posebnega postopka priprave prehoda.

Običajni FR4 ne more doseči zelo zanesljivih električnih lastnosti, vendar imajo visokozmogljivi materiali FR4 dobre zanesljivostne lastnosti, kot je višja Tg, še vedno relativno nizki stroški in se lahko uporabljajo v širokem spektru aplikacij, od preproste avdio zasnove do kompleksnih mikrovalovnih aplikacij.

Premisleki glede načrtovanja RF/mikrovalov

Prenosna tehnologija in Bluetooth sta utrla pot za uporabo radiofrekvenčnih/mikrovalovnih naprav v nosljivih napravah. Današnje frekvenčno območje postaja vse bolj dinamično. Pred nekaj leti je bila zelo visoka frekvenca (VHF) opredeljena kot 2 GHz~3 GHz. Zdaj pa lahko vidimo uporabo ultra visokih frekvenc (UHF) v območju od 10 GHz do 25 GHz.

Zato je pri nosljivih tiskanih vezjih treba RF del bolj pozornosti nameniti ožičenju, signale pa je treba ločiti ločeno, sledi, ki ustvarjajo visokofrekvenčne signale, pa morajo biti ločene od tal. Drugi dejavniki vključujejo: zagotovitev obvodnega filtra, ustrezne ločilne kondenzatorje, ozemljitev in zasnovo prenosnega in povratnega voda tako, da sta skoraj enaka.

Obvodni filter lahko zmanjša valovanje zaradi šuma in presluha. Ločilne kondenzatorje je treba namestiti bližje priključkom naprave, ki prenašajo napajalne signale.

Visokohitrostni daljnovodi in signalna vezja zahtevajo namestitev ozemljitvene plasti med signale močnostne plasti, da se zgladi tresenje, ki ga povzročajo šumni signali. Pri višjih hitrostih signala bodo majhna neusklajenost impedance povzročila neuravnotežen prenos in sprejem signalov, kar bo povzročilo popačenje. Zato je treba posebno pozornost nameniti problemu ujemanja impedance, povezanemu z radiofrekvenčnim signalom, saj ima radiofrekvenčni signal visoko hitrost in posebno toleranco.

RF-prenosni vodi zahtevajo nadzorovano impedanco za prenos RF-signalov iz določenega IC-podlage na tiskano vezje. Te prenosne vode je mogoče izvesti na zunanji plasti, zgornji plasti in spodnji plasti ali pa so zasnovane v srednji plasti.

Metode, ki se uporabljajo pri načrtovanju RF vezij, so mikrotrakasta linija, plavajoča tračna linija, koplanarni valovod ali ozemljitev. Mikrotrakasta linija je sestavljena iz fiksne dolžine kovine ali sledi in celotne ozemljitvene ravnine ali dela ozemljitvene ravnine neposredno pod njo. Karakteristična impedanca v splošni strukturi mikrotrakaste linije se giblje od 50 Ω do 75 Ω.

Plavajoča trakasta linija je še ena metoda ožičenja in dušenja šuma. Ta linija je sestavljena iz ožičenja fiksne širine na notranji plasti in velike ozemljitvene ravnine nad in pod osrednjim vodnikom. Ozemljitvena ravnina je vstavljena med napajalno ravnino, zato lahko zagotavlja zelo učinkovit ozemljitveni učinek. To je najprimernejša metoda za ožičenje RF signalov za nosljive tiskane vezja.

Koplanarni valovod lahko zagotovi boljšo izolacijo v bližini RF vezja in vezja, ki ga je treba usmeriti bližje. Ta medij je sestavljen iz osrednjega prevodnika in ozemljitvenih ravnin na obeh straneh ali spodaj. Najboljši način za prenos radiofrekvenčnih signalov je uporaba trakastih linij ali koplanarnih valovodov. Ti dve metodi lahko zagotovita boljšo izolacijo med signalom in RF sledmi.

Priporočljivo je, da se na obeh straneh koplanarnega valovoda uporabi tako imenovana »ograja za prehode«. Ta metoda lahko zagotovi vrsto ozemljitvenih prehodov na vsaki kovinski ozemljitveni ravnini osrednjega vodnika. Glavna sled, ki poteka po sredini, ima ograje na vsaki strani, kar zagotavlja bližnjico za povratni tok do spodaj navedene zemlje. Ta metoda lahko zmanjša raven šuma, povezano z visokim valovitim učinkom RF signala. Dielektrična konstanta 4,5 ostaja enaka kot pri materialu FR4 preprega, medtem ko je dielektrična konstanta preprega – od mikrotrakastega, trakastega ali ofsetnega trakastega voda – približno 3,8 do 3,9.

V nekaterih napravah, ki uporabljajo ozemljitveno ravnino, se lahko za izboljšanje ločilne zmogljivosti močnostnega kondenzatorja in zagotovitev premostitvene poti od naprave do ozemljitve uporabijo slepi prehodi. Premostitvena pot do ozemljitve lahko skrajša dolžino prehoda. S tem se dosežeta dva namena: ne le ustvari se premostitev ali ozemljitev, temveč se tudi zmanjša prenosna razdalja naprav z majhnimi površinami, kar je pomemben dejavnik pri načrtovanju radiofrekvenčnih naprav.