Grundlagen für tragbare PCB-Designs

Aufgrund ihrer geringen Größe und Abmessungen gibt es nur wenige Leiterplattenstandards für den wachsenden Markt für tragbare Internet der Dinge. Bis sie auftauchen, müssen wir uns auf unsere Erfahrungen in der Entwicklung von Leiterplatten und in der Fertigung verlassen und sorgfältig prüfen, wie sie auf die dort entstehenden einzigartigen Herausforderungen anwendbar sind. Drei Bereiche, denen wir besondere Aufmerksamkeit schenken sollten, sind:Oberflächenmaterialien der Platine, HF-/Mikrowellen-Design und HF-Übertragungsleitungen.

PCB-Materialien
PCB-Schichten bestehen aus Laminaten, die aus FR4 (faserverstärktem Epoxid), Polyimid oder Rogers-Materialien oder Laminaten bestehen können. Die Isolierung zwischen verschiedenen Schichten wird als Prepreg bezeichnet.

Wearables erfordern ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, was zu einem Problem wird, wenn der PCB-Designer vor der Wahl steht, FR4, das kostengünstigste PCB-Herstellungsmaterial, oder ein fortschrittlicheres, teureres Material zu verwenden.

Wenn die Wearable-PCB-Anwendung Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzmaterialien erfordert, ist FR4 möglicherweise nicht die beste Antwort. FR4 hat eine Dielektrizitätskonstante (Dk) von 4,5, wohingegen die fortschrittlicheren Materialien der Rogers 4003-Serie einen Dk von 3,55 haben, während seine Begleitserie Rogers 4350 einen Dk von 3,66 hat.

Der Dk eines Laminats bezieht sich auf die Kapazität oder Energie zwischen einem Leiterpaar in der Nähe des Laminats im Vergleich zu diesem Leiterpaar im Vakuum. Bei hohen Frequenzen ist ein sehr kleiner Verlust wünschenswert, daher wäre ein Dk von 3,66 in Rogers 4350 für höherfrequente Schaltungen wünschenswerter als FR4, das einen Dk von 4,5 hat

Normalerweise variiert die Schichtanzahl bei tragbaren Geräten zwischen vier und acht Schichten. Die Schichtstrukturierung ist so, dass, wenn es sich um eine achtschichtige Leiterplatte handelt, genügend Masse und Stromebene bereitgestellt werden, um die Routing-Schichten einzuschließen. Dadurch wird der Welligkeitseffekt beim Übersprechen auf ein Minimum reduziert und elektromagnetische Störungen oder EMI werden deutlich reduziert.

In der Platinen-Layout-Phase ist der Layout-Plan so ausgelegt, dass die Masseplatte neben der Stromverteilungsschicht fest ist. Dadurch entsteht ein geringer Welligkeitseffekt und das Systemrauschen wird praktisch auf null reduziert. Dies ist besonders wichtig für HF-Subsysteme.

FR4 hat im Vergleich zu Rogers Material einen hohen Verlustfaktor (Df), insbesondere bei hohen Frequenzen. Df-Werte für FR4-Laminate mit höherer Leistung liegen im Bereich von 0,002, eine Größenordnung besser als bei normalem FR4. Die Laminate von Rogers sind jedoch 0,001 oder weniger. Dadurch entsteht ein bedeutender Unterschied in der Einfügedämpfung, wenn FR4-Material hohen Frequenzen ausgesetzt wird. Die Einfügungsdämpfung ist definiert als ein Verlust der Signalleistung bei der Übertragung von Punkt A nach B, der durch die Verwendung eines Laminats wie FR4, Rogers oder anderen Materialien entsteht.

Herstellungsprobleme
Wearables PCBs erfordern eine viel strengere Impedanzkontrolle, die ein wesentliches Element für ein Wearable-Gerät ist, was zu einer saubereren Signalausbreitung führt. Früher betrug die Standardtoleranz +/-10% für signalführende Spuren. Das ist für die heutigen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen nicht gut genug. Die Anforderung beträgt jetzt +/-7 % und in einigen Fällen +/-5 % oder sogar weniger. Diese und andere Variablen wirken sich negativ auf die Herstellung von Wearables-Leiterplatten aus, die eine extrem strenge Impedanzkontrolle haben, wodurch die Anzahl der Fertigungsbetriebe begrenzt wird, die sie herstellen können.

Laminate aus einem extrem hochfrequenten Material von Rogers werden auf +/-2% der Dk-Toleranz gehalten. Einige können sogar +/-1 % der DK-Toleranz halten, verglichen mit 10 % Dk-Toleranz bei FR4-Laminaten, daher ist die Einfügungsdämpfung beim Vergleich der beiden Materialien extrem niedrig. Dies würde die Übertragungs- und Einfügungsverluste bei Rogers im Vergleich zu einem herkömmlichen FR4-Material auf weniger als die Hälfte begrenzen.

In den meisten Fällen stehen die Kosten im Vordergrund. Rogers bietet jedoch ein relativ verlustarmes Laminat mit Hochfrequenzleistung zu einem akzeptablen Kostenpunkt. Für kommerzielle Anwendungen kann es in Verbindung mit epoxidbasiertem FR4 für eine Hybrid-Leiterplatte verwendet werden, wobei einige Schichten aus Rogers-Material und andere aus FR4 bestehen.

Bei der Auswahl der Laminate von Rogers steht die Häufigkeit im Vordergrund. Wenn die Frequenz über 500 Megahertz (MHz) ansteigt, neigen PCB-Designer dazu, Rogers-Materialien gegenüber FR4 zu bevorzugen, insbesondere für HF-/Mikrowellen-Schaltkreise, da diese Materialien besser funktionieren, wenn Leiterbahnen streng impedanzkontrolliert sind.

Rogers-Materialien bieten im Vergleich zu FR4 auch einen geringen dielektrischen Verlust und bieten einen Dk, der für einen breiten Frequenzbereich stabil ist. Außerdem bieten sie eine geringe Einfügedämpfung, ideal für den Hochfrequenzbetrieb.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der Rogers 4000-Serie weist außergewöhnliche Dimensionsstabilitäten auf. Dies bedeutet, dass, wenn die Leiterplatte einen Reflow-Zyklus von kalt, heiß und sehr heiß durchläuft, die Ausdehnung und Kontraktion der Leiterplatte bei höheren Frequenzen und höheren Temperaturzyklen im Vergleich zu FR4 auf einem stabilen Limit gehalten wird.

In einer Hybridlaminat-Stapelungssituation kann Rogers unter Verwendung üblicher Verarbeitungstechniken leicht mit einem Hochleistungs-FR4 gemischt werden, wodurch es relativ einfach ist, gute Herstellungsausbeuten zu erzielen. Die Laminate von Rogers erfordern keine spezielle Vorbereitung.

FR4 schneidet normalerweise nicht so gut ab, was die zuverlässige elektrische Leistung anbelangt, aber das Hochleistungs-FR4-Material hat gute Zuverlässigkeitseigenschaften, wie z Audiodesigns bis hin zu komplexen Mikrowellenanwendungen.

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