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Guía básica de diseños de PCB portátiles

Debido a su pequeño tamaño y dimensiones, existen pocos estándares de placa de circuito impreso para el creciente mercado de la Internet de las cosas portátil. Hasta que surjan, tendremos que depender de lo que hemos aprendido sobre el desarrollo a nivel de placa y la experiencia de fabricación y considerar cuidadosamente cómo se aplican a los desafíos únicos que surgen allí. Tres áreas a las que deberíamos prestar especial atención son:materiales de la superficie de la placa, diseño de RF / microondas y líneas de transmisión de RF.

Materiales de PCB
Las capas de PCB están compuestas de laminados, que pueden estar hechos de FR4 (epoxi reforzado con fibra), poliimida o materiales o laminados Rogers. El aislamiento entre diferentes capas se denomina preimpregnado.

Los wearables exigen un alto grado de confiabilidad, lo que se convierte en un problema cuando el diseñador de PCB se enfrenta a la elección de utilizar FR4, que es el material de fabricación de PCB más rentable, o un material más avanzado y costoso.

Si la aplicación de PCB portátil requiere materiales de alta velocidad y alta frecuencia, es posible que FR4 no sea la mejor respuesta. FR4 tiene una constante dieléctrica (Dk) de 4.5, mientras que los materiales más avanzados de la serie Rogers 4003 tienen un Dk de 3.55, mientras que su serie complementaria Rogers 4350 tiene un Dk de 3.66.

Una pila de una placa multicapa que muestra tanto el material FR4 como el Rogers 4350 junto con el grosor de los núcleos.

El Dk de un laminado se refiere a la capacitancia o energía entre un par de conductores en las proximidades del laminado en comparación con ese par de conductores en el vacío. A altas frecuencias, es deseable tener una pérdida muy pequeña, por lo que un Dk de 3.66 en Rogers 4350 sería más deseable para circuitos de alta frecuencia en comparación con FR4, que tiene un Dk de 4.5

Normalmente, el recuento de capas varía de cuatro a ocho capas para dispositivos portátiles. La estructuración de capas es tal que si se trata de una PCB de ocho capas, proporciona suficiente tierra y plano de potencia para intercalar las capas de enrutamiento. Por lo tanto, el efecto dominó en la diafonía se mantiene al mínimo y la interferencia electromagnética o EMI se reduce significativamente.

En la etapa de diseño de la placa, el programa de diseño es tal que el plano de tierra es sólido al lado de la capa de distribución de energía. Esto crea un efecto dominó bajo y el ruido del sistema se reduce prácticamente a cero. Esto es especialmente importante para los subsistemas de RF.

FR4 tiene un alto factor de disipación (Df) en comparación con el material de Rogers, especialmente a altas frecuencias. Los valores de Df para los laminados FR4 de mayor rendimiento están en el rango de 0,002, un orden de magnitud mejor que el FR4 normal. Sin embargo, los laminados de Rogers tienen un valor de 0,001 o menos. Por lo tanto, se crea una diferencia significativa en la pérdida de inserción cuando el material FR4 se somete a altas frecuencias. La pérdida de inserción se define como una pérdida de potencia de la señal en la transmisión del punto A al B resultante del uso de un laminado como FR4, Rogers u otros materiales.

Problemas de fabricación
Los PCB portátiles requieren un control de impedancia mucho más estricto, que es un elemento esencial para un dispositivo portátil, lo que resulta en una propagación de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar era de +/- 10% para los rastros de transporte de señales. Eso no es lo suficientemente bueno para los circuitos de alta frecuencia y alta velocidad de hoy. El requisito ahora es de +/- 7% y, en algunos casos, +/- 5% o incluso menos. Esta y otras variables impactan negativamente en la fabricación de esos PCB portátiles que tienen un control de impedancia extremadamente estricto, lo que limita la cantidad de talleres de fabricación que pueden construirlos.

Los laminados de un material de frecuencia extremadamente alta de Rogers se mantienen en +/- 2% de tolerancia Dk. Algunos incluso pueden contener +/- 1% de tolerancia DK, en comparación con el 10% de tolerancia Dk en los laminados FR4, por lo que la pérdida de inserción es extremadamente baja cuando se comparan los dos materiales. Esto limitaría las pérdidas de transmisión e inserción en Rogers a menos de la mitad, en comparación con un material FR4 tradicional.

En la mayoría de los casos, el costo es primordial. Sin embargo, Rogers ofrece un laminado de pérdidas relativamente bajas con rendimiento de alta frecuencia a un costo aceptable. Para aplicaciones comerciales, se puede utilizar junto con FR4 a base de epoxi para una PCB híbrida con algunas capas de material de Rogers y otras FR4.

Al seleccionar los laminados de Rogers, la frecuencia es la principal consideración. A medida que la frecuencia aumenta más allá de 500 megahertz (MHz), los diseñadores de PCB tienden a preferir los materiales Rogers sobre FR4, especialmente para circuitos de RF / microondas porque estos materiales funcionan mejor cuando las trazas están estrictamente controladas por impedancia.

Los materiales de Rogers también ofrecen una pérdida dieléctrica baja en comparación con el FR4 y proporcionan un Dk estable para una amplia gama de frecuencias. Además, ofrecen una baja pérdida de inserción ideal para el funcionamiento de altas frecuencias.

El coeficiente de expansión térmica (CTE) de la serie Rogers 4000 tiene estabilidades de dimensión excepcionales. Esto significa que cuando la PCB pasa por un ciclo de reflujo de frío, caliente y muy caliente, la expansión y contracción de la placa de circuito se mantienen en un límite estable a frecuencias más altas y ciclos de temperatura más altos en comparación con FR4.

En una situación de apilamiento de laminado híbrido, Rogers se puede mezclar fácilmente con un FR4 de alto rendimiento utilizando técnicas de procesamiento de fabricación comunes, lo que hace que sea relativamente fácil obtener buenos rendimientos de fabricación. Los laminados de Rogers no requieren preparación especializada.

FR4 normalmente no funciona bien en cuanto a rendimiento eléctrico confiable, pero el material FR4 de alto rendimiento tiene buenas características de confiabilidad, como una Tg más alta, un costo aún relativamente más bajo y su capacidad para usarse en una amplia variedad de aplicaciones desde simples diseños de audio para aplicaciones complejas de microondas.

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