Les principes de base guident les conceptions de circuits imprimés portables

En raison de leur petite taille et de leurs dimensions, il existe peu de normes de circuits imprimés pour le marché croissant de l'Internet des objets portable. Jusqu'à ce qu'ils émergent, nous devrons dépendre de ce que nous avons appris sur le développement au niveau des cartes et l'expérience de fabrication et examiner attentivement comment ils s'appliquent aux défis uniques qui y émergent. Trois domaines auxquels nous devons porter une attention particulière sont les suivants :les matériaux de surface des cartes, la conception RF/micro-ondes et les lignes de transmission RF.

Matériaux PCB
Les couches de PCB sont composées de stratifiés, qui peuvent être constitués de FR4 (époxyde renforcé de fibres), de polyimide ou de matériaux ou stratifiés Rogers. L'isolation entre les différentes couches est appelée pré-imprégné.

Les wearables exigent un haut degré de fiabilité, ce qui devient un problème lorsque le concepteur de PCB est confronté au choix d'utiliser FR4, qui est le matériau de fabrication de PCB le plus rentable, ou un matériau plus avancé et plus cher.

Si l'application PCB portable nécessite des matériaux haute vitesse et haute fréquence, FR4 n'est peut-être pas la meilleure réponse. FR4 a une constante diélectrique (Dk) de 4,5, tandis que les matériaux plus avancés de la série Rogers 4003 ont un Dk de 3,55, tandis que sa série compagnon Rogers 4350 a un Dk de 3,66.

Un empilement d'un panneau multicouche montrant à la fois le matériau FR4 et Rogers 4350 ainsi que l'épaisseur des noyaux.

Le Dk d'un stratifié fait référence à la capacité ou à l'énergie entre une paire de conducteurs à proximité du stratifié par rapport à cette paire de conducteurs dans le vide. Aux hautes fréquences, il est souhaitable d'avoir une très faible perte, donc un Dk de 3,66 dans Rogers 4350 serait plus souhaitable pour les circuits à haute fréquence par rapport au FR4, qui a un Dk de 4,5

Normalement, le nombre de couches varie de quatre à huit couches pour les appareils portables. La structuration des couches est telle que s'il s'agit d'un PCB à huit couches, il fournit suffisamment de plan de masse et d'alimentation pour prendre en sandwich les couches de routage. Ainsi, l'effet d'entraînement de la diaphonie est réduit au minimum et les interférences électromagnétiques ou EMI sont considérablement réduites.

Au stade de la mise en page de la carte, le programme de mise en page est tel que le plan de masse est solide à côté de la couche de distribution d'énergie. Cela crée un faible effet d'entraînement et le bruit du système est pratiquement réduit à zéro. Ceci est particulièrement important pour les sous-systèmes RF.

FR4 a un facteur de dissipation (Df) élevé par rapport au matériel de Rogers, en particulier aux hautes fréquences. Les valeurs Df pour les stratifiés FR4 plus performants sont de l'ordre de 0,002, un ordre de grandeur meilleur que le FR4 ordinaire. Cependant, les stratifiés de Rogers sont de 0,001 ou moins. Une différence significative de perte d'insertion est ainsi créée lorsque le matériau FR4 est soumis à des fréquences élevées. La perte d'insertion est définie comme une perte de puissance du signal dans la transmission d'un point A à un point B résultant de l'utilisation d'un stratifié tel que FR4, Rogers ou d'autres matériaux.

Problèmes de fabrication
Les circuits imprimés portables nécessitent un contrôle d'impédance beaucoup plus strict, ce qui est un élément essentiel pour un dispositif portable, ce qui entraîne une propagation du signal plus propre. Auparavant, la tolérance standard était de +/-10 % pour les traces porteuses de signal. Ce n'est pas suffisant pour les circuits haute fréquence et haute vitesse d'aujourd'hui. L'exigence est maintenant de +/- 7 % et dans certains cas de +/- 5 % ou même moins. Ceci et d'autres variables ont un impact négatif sur la fabrication de ces PCB portables qui ont un contrôle d'impédance extrêmement strict, limitant ainsi le nombre d'ateliers de fabrication capables de les construire.

Les stratifiés d'un matériau à très haute fréquence de Rogers sont maintenus à +/- 2 % de la tolérance Dk. Certains peuvent même contenir +/-1 % de tolérance DK, par rapport à une tolérance de 10 % Dk dans les stratifiés FR4, la perte d'insertion est donc extrêmement faible lorsque les deux matériaux sont comparés. Cela limiterait les pertes de transmission et d'insertion dans Rogers à moins de la moitié, par rapport à un matériel FR4 traditionnel.

Dans la plupart des cas, le coût est primordial. Cependant, Rogers propose un stratifié à faible perte relative avec des performances à haute fréquence à un prix acceptable. Pour les applications commerciales, il peut être utilisé en conjonction avec le FR4 à base d'époxy pour un PCB hybride avec certaines couches en matériau de Rogers et d'autres en FR4.

Lors de la sélection des stratifiés de Rogers, la fréquence est la principale considération. À mesure que la fréquence augmente au-delà de 500 mégahertz (MHz), les concepteurs de circuits imprimés ont tendance à privilégier les matériaux Rogers par rapport au FR4, en particulier pour les circuits RF/micro-ondes, car ces matériaux fonctionnent mieux lorsque les traces sont étroitement contrôlées par l'impédance.

Les matériaux Rogers offrent également une faible perte diélectrique par rapport au FR4 et fournissent un Dk stable pour une large gamme de fréquences. De plus, ils offrent une faible perte d'insertion idéale pour un fonctionnement à hautes fréquences.

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) de la série Rogers 4000 a des stabilités dimensionnelles exceptionnelles. Cela signifie que lorsque le PCB passe par un cycle de refusion froid, chaud et très chaud, l'expansion et la contraction du circuit imprimé sont maintenues à une limite stable à des fréquences plus élevées et des cycles de température plus élevés par rapport à FR4.

Dans une situation d'empilement de stratifiés hybrides, Rogers peut facilement être mélangé avec un FR4 hautes performances à l'aide de techniques de traitement de fabrication courantes, ce qui permet d'obtenir relativement facilement de bons rendements de fabrication. Les stratifiés de Rogers ne nécessitent pas de préparation spécialisée.

FR4 ne fonctionne normalement pas bien en ce qui concerne des performances électriques fiables, mais le matériau FR4 hautes performances présente de bonnes caractéristiques de fiabilité, telles qu'une Tg plus élevée, un coût encore relativement inférieur et sa capacité à être utilisé dans une grande variété d'applications, du simple des conceptions audio aux applications micro-ondes complexes.

Page suivante>