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製造/封裝  

為穿戴式PCB設計選擇製造材料

上網時間: 2016年03月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:穿戴式PCB  介電常數  阻抗匹配  共面波導  FR4 

作者:Zulki Khan,NexLogic Technologies總裁兼創辦人

由於穿戴式物聯網(IoT)裝置的體積和尺寸都很小,對於這一日益成長的市場來說幾乎沒有現成的印刷電路板(PCB)標準。在相關標準面世之前,我們必須依靠在板級開發中所學到的知識和製造經驗,並思考如何將它們應用於獨特的新興挑戰。其中,有三個領域需要特別加以關注:電路板表面材料、射頻(RF)/微波設計,以及RF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型環氧樹脂(FR4)、聚醯亞胺、Roger提供先進線材或其它層壓材料製造。不同層之間的絕緣材料被稱為半固化片。

穿戴式裝置要求更高可靠性,因此當PCB設計師面臨著使用FR4(具有最高性價比的PCB製造材料)或更先進、更昂貴材料的選擇時,這會為其帶來兩難。

如果穿戴式PCB應用要求高速、高頻材料,FR4可能不是最佳選擇。FR4的介電常數(Dk)是4.5,更先進的Rogers 4003系列材料的介電常數是3.55,而其相同系列Rogers 4350的介電常數是3.66。


多層電路板的疊層圖,圖中展示FR4材料、Rogers 4350以及核心厚度

疊層的介電常數指的是疊層附近一組導體之間的電容或能量相對於該組導體在真空中的電容或能量之比。在高頻時,最好是有很小的損耗,因此,介電係數為3.66的Roger 4350比介電常數是4.5的FR4更適合更高頻率應用。

正常情況下,穿戴式裝置用的PCB層數從4層到8層都有。建構層的基本原則是:如果是8層PCB,應該能提供足夠的接地和電源層並將佈線層夾在中間。這樣,串擾中的紋波效應就能降至最低,並能顯著減少電磁干擾(EMI)。

在電路板佈局階段,佈局的排程一般是將接地層緊靠電源分配層安排。這樣可以形成很低的紋波效應,系統雜訊也能被減小到幾乎為零。這對RF子系統來說尤其重要。

與Rogers材料相比,FR4具有較高的耗散因數(Df),特別是在高頻的時候。對於更高性能的FR4疊層來說,Df值在0.002左右,比普通FR4要好一個數量級。不過Rogers的疊層只有0.001或更小的Df值。當將FR4材料用於高頻應用時,就會在插損方面產生明顯的差異。插損被定義為在使用FR4、Rogers或其它材料時訊號從A點傳輸到B點的功率損失。

製造問題

穿戴式PCB要求更加嚴格的阻抗控制,這對穿戴式裝置來說是一個重要的因素,可為其帶來更乾淨的訊號傳輸。在較早前,訊號承載走線的標準容差是±10%。這個指標對今天的高頻高速電路來顯然不夠好。現在的要求是±7%,在有些情況下甚至達到±5%或更小。這個參數以及其它變數會嚴重影響阻抗控制特別嚴格的穿戴式PCB製造,進而限制了能夠為其進行製造的商家數量。

採用Rogers極高頻材料的疊層一般保持在±2%的介電常數容差,有些產品甚至可以達到±1%,相形之下,FR4疊層的介電常數容差高達10%,因此,比較這兩種材料可以發現Rogers的插入損耗特別低。相較於傳統的FR4材料,Rogers疊層的傳輸損耗和插損更低一半。

在大多數情況下,成本最重要。然而,Rogers以可接受的價位提供較低損耗的高頻疊層性能。對於商業應用來說,Rogers可以和基於環氧樹脂的FR4一起做成混合PCB,其中一些層採用Rogers材料,其它層採用FR4。

在選擇Rogers疊層時,頻率是首要考慮因素。當頻率超過500MHz時,PCB設計師傾向於選擇Rogers材料,特別是對RF/微波電路來說,當其上的走線受到嚴格的阻抗控制時,這些材料可以提供更高的性能。

相較於FR4材料,Rogers材料還能提供更低的介電損耗,其介電常數在很寬的頻率範圍內都很穩定。此外,Rogers材料還可提供高頻作業所需的理想低插入損耗性能。

Rogers 4000系列材料的熱膨脹係數(CTE)具有優異的尺寸穩定性。這意味著與FR4相較,當PCB經歷冷、熱和非常熱的回流焊週期時,電路板的熱脹冷縮可以在更高頻率和更高溫度週期下保持穩定的限值。

在混合疊層情形下,可以使用通用製造製程技術輕鬆地混合使用Rogers和高性能FR4材料,因此也相對容易實現高的製造良率。Rogers疊層不需要專門為過孔預先準備。

一般的FR4無法實現非常可靠的電氣性能,但高性能FR4材料確實有良好的可靠特性(例如更高的Tg)、仍然相對較低的成本,並能用於種類廣泛的應用,從簡單的音訊設計到複雜的微波應用。

(下一頁繼續:RF/微波設計考慮)


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