資料介紹
由于體積和尺寸都很小,對(duì)日益增長(zhǎng)的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)有現(xiàn)成的印刷電路板標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)面世之前,我們不得不依靠在板級(jí)開(kāi)發(fā)中所學(xué)的知識(shí)和制造經(jīng)驗(yàn),并思考如何將它們應(yīng)用于獨(dú)特的新興挑戰(zhàn)。有三個(gè)領(lǐng)域需要我們特別加以關(guān)注,它們是:電路板表面材料,射頻/微波設(shè)計(jì)和射頻傳輸線。
PCB材料
PCB一般由疊層組成,這些疊層可能用纖維增強(qiáng)型環(huán)氧樹(shù)脂(FR4)、聚酰亞胺或羅杰斯(Rogers)材料或其它層壓材料制造。不同層之間的絕緣材料被稱為半固化片。
可穿戴設(shè)備要求很高的可靠性,因此當(dāng)PCB設(shè)計(jì)師面臨著使用FR4(具有最高性價(jià)比的PCB制造材料)或更先進(jìn)更昂貴材料的選擇時(shí),這將成為一個(gè)問(wèn)題。
如果可穿戴PCB應(yīng)用要求高速、高頻材料,F(xiàn)R4可能不是最佳選擇。FR4的介電常數(shù)(Dk)是4.5,更先進(jìn)的Rogers 4003系列材料的介電常數(shù)是3.55,而兄弟系列Rogers 4350的介電常數(shù)是3.66。

圖1:多層電路板的疊層圖,圖中展示了FR4材料和Rogers 4350以及核心層厚度。
一個(gè)疊層的介電常數(shù)指的是疊層附近一對(duì)導(dǎo)體之間的電容或能量與真空中這對(duì)導(dǎo)體之間電容或能量的比值。在高頻時(shí),最好是有很小的損耗,因此,介電系數(shù)為3. 66的Roger 4350比介電常數(shù)是4.5的FR4更適合更高頻率的應(yīng)用。
正常情況下,可穿戴設(shè)備用的PCB層數(shù)從4層到8層。層的構(gòu)建原則是,如果是8層PCB,它應(yīng)能提供足夠的地層和電源層并將布線層夾在中間。這樣,串?dāng)_中的紋波效應(yīng)就能保持最小,并能顯著減少電磁干擾(EMI)。
在電路板版圖設(shè)計(jì)階段,版圖安排方案一般是將大塊地層緊靠電源分配層。這樣可以形成很低的紋波效應(yīng),系統(tǒng)噪聲也能被減小到幾乎為零。這對(duì)射頻子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要。
與Rogers材料相比,F(xiàn)R4具有較高的耗散因數(shù)(Df),特別是在高頻的時(shí)候。對(duì)于更高性能的FR4疊層來(lái)說(shuō),Df值在0.002左右,比普通FR4要好一個(gè)數(shù)量級(jí)。不過(guò)Rogers的疊層只有0.001或更小。當(dāng)將FR4材料用于高頻應(yīng)用時(shí),就會(huì)在插損方面產(chǎn)生明顯的差異。插損被定義為在使用FR4、Rogers或其它材料時(shí)信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)的功率損失。
制造問(wèn)題
可穿戴PCB要求更加嚴(yán)格的阻抗控制,對(duì)可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)這是一個(gè)重要的因素,阻抗匹配可以產(chǎn)生更加干凈的信號(hào)傳輸。在較早前,信號(hào)承載走線的標(biāo)準(zhǔn)公差是±10%。這個(gè)指標(biāo)對(duì)今天的高頻高速電路來(lái)顯然不夠好。現(xiàn)在的要求是±7%,在有些情況下甚至達(dá)±5%或更小。這個(gè)參數(shù)以及其它變量會(huì)嚴(yán)重影響這些阻抗控制特別嚴(yán)格的可穿戴PCB的制造,進(jìn)而限制了能夠制造它們的商家數(shù)量。
采用Rogers特高頻材料做的疊層的介電常數(shù)公差一般保持在±2%,有些產(chǎn)品甚至可以達(dá)到±1%,相比之下FR4疊層的介電常數(shù)公差高達(dá)10%,因此,比較這兩種材料可以發(fā)現(xiàn)Rogers的插損特別低。與傳統(tǒng)的FR4材料相比,Rogers疊層的傳輸損耗和插損要低一半。
在大多數(shù)情況下,成本最重要。然而,Rogers能以可接受的價(jià)位提供相對(duì)低損耗的高頻疊層性能。對(duì)商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),Rogers可以和基于環(huán)氧樹(shù)脂的FR4一起做成混合PCB,其中一些層采用Rogers材料,其它層采用FR4。
在選擇Rogers疊層時(shí),頻率是首要考慮因素。當(dāng)頻率超過(guò)500MHz時(shí),PCB設(shè)計(jì)師傾向于選擇Rogers材料,特別是對(duì)射頻/微波電路來(lái)說(shuō),因?yàn)樯厦娴淖呔€受到嚴(yán)格的阻抗控制時(shí),這些材料可以提供更高的性能。
與FR4材料相比,Rogers材料還能提供更低的介電損耗,其介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都很穩(wěn)定。另外,Rogers材料可以提供高頻工作要求的理想低插損性能。
Rogers 4000系列材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。這意味著與FR4相比,當(dāng)PCB經(jīng)歷冷、熱和非常熱的回流焊循環(huán)時(shí),電路板的熱脹冷縮可以在更高頻率和更高溫度循環(huán)下保持在一個(gè)穩(wěn)定的限值。
PCB材料
PCB一般由疊層組成,這些疊層可能用纖維增強(qiáng)型環(huán)氧樹(shù)脂(FR4)、聚酰亞胺或羅杰斯(Rogers)材料或其它層壓材料制造。不同層之間的絕緣材料被稱為半固化片。
可穿戴設(shè)備要求很高的可靠性,因此當(dāng)PCB設(shè)計(jì)師面臨著使用FR4(具有最高性價(jià)比的PCB制造材料)或更先進(jìn)更昂貴材料的選擇時(shí),這將成為一個(gè)問(wèn)題。
如果可穿戴PCB應(yīng)用要求高速、高頻材料,F(xiàn)R4可能不是最佳選擇。FR4的介電常數(shù)(Dk)是4.5,更先進(jìn)的Rogers 4003系列材料的介電常數(shù)是3.55,而兄弟系列Rogers 4350的介電常數(shù)是3.66。

圖1:多層電路板的疊層圖,圖中展示了FR4材料和Rogers 4350以及核心層厚度。
一個(gè)疊層的介電常數(shù)指的是疊層附近一對(duì)導(dǎo)體之間的電容或能量與真空中這對(duì)導(dǎo)體之間電容或能量的比值。在高頻時(shí),最好是有很小的損耗,因此,介電系數(shù)為3. 66的Roger 4350比介電常數(shù)是4.5的FR4更適合更高頻率的應(yīng)用。
正常情況下,可穿戴設(shè)備用的PCB層數(shù)從4層到8層。層的構(gòu)建原則是,如果是8層PCB,它應(yīng)能提供足夠的地層和電源層并將布線層夾在中間。這樣,串?dāng)_中的紋波效應(yīng)就能保持最小,并能顯著減少電磁干擾(EMI)。
在電路板版圖設(shè)計(jì)階段,版圖安排方案一般是將大塊地層緊靠電源分配層。這樣可以形成很低的紋波效應(yīng),系統(tǒng)噪聲也能被減小到幾乎為零。這對(duì)射頻子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要。
與Rogers材料相比,F(xiàn)R4具有較高的耗散因數(shù)(Df),特別是在高頻的時(shí)候。對(duì)于更高性能的FR4疊層來(lái)說(shuō),Df值在0.002左右,比普通FR4要好一個(gè)數(shù)量級(jí)。不過(guò)Rogers的疊層只有0.001或更小。當(dāng)將FR4材料用于高頻應(yīng)用時(shí),就會(huì)在插損方面產(chǎn)生明顯的差異。插損被定義為在使用FR4、Rogers或其它材料時(shí)信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)的功率損失。
制造問(wèn)題
可穿戴PCB要求更加嚴(yán)格的阻抗控制,對(duì)可穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)這是一個(gè)重要的因素,阻抗匹配可以產(chǎn)生更加干凈的信號(hào)傳輸。在較早前,信號(hào)承載走線的標(biāo)準(zhǔn)公差是±10%。這個(gè)指標(biāo)對(duì)今天的高頻高速電路來(lái)顯然不夠好。現(xiàn)在的要求是±7%,在有些情況下甚至達(dá)±5%或更小。這個(gè)參數(shù)以及其它變量會(huì)嚴(yán)重影響這些阻抗控制特別嚴(yán)格的可穿戴PCB的制造,進(jìn)而限制了能夠制造它們的商家數(shù)量。
采用Rogers特高頻材料做的疊層的介電常數(shù)公差一般保持在±2%,有些產(chǎn)品甚至可以達(dá)到±1%,相比之下FR4疊層的介電常數(shù)公差高達(dá)10%,因此,比較這兩種材料可以發(fā)現(xiàn)Rogers的插損特別低。與傳統(tǒng)的FR4材料相比,Rogers疊層的傳輸損耗和插損要低一半。
在大多數(shù)情況下,成本最重要。然而,Rogers能以可接受的價(jià)位提供相對(duì)低損耗的高頻疊層性能。對(duì)商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),Rogers可以和基于環(huán)氧樹(shù)脂的FR4一起做成混合PCB,其中一些層采用Rogers材料,其它層采用FR4。
在選擇Rogers疊層時(shí),頻率是首要考慮因素。當(dāng)頻率超過(guò)500MHz時(shí),PCB設(shè)計(jì)師傾向于選擇Rogers材料,特別是對(duì)射頻/微波電路來(lái)說(shuō),因?yàn)樯厦娴淖呔€受到嚴(yán)格的阻抗控制時(shí),這些材料可以提供更高的性能。
與FR4材料相比,Rogers材料還能提供更低的介電損耗,其介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都很穩(wěn)定。另外,Rogers材料可以提供高頻工作要求的理想低插損性能。
Rogers 4000系列材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。這意味著與FR4相比,當(dāng)PCB經(jīng)歷冷、熱和非常熱的回流焊循環(huán)時(shí),電路板的熱脹冷縮可以在更高頻率和更高溫度循環(huán)下保持在一個(gè)穩(wěn)定的限值。
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