Guia básico de designs de PCB vestíveis

Por causa de seu pequeno tamanho e dimensões, existem poucos padrões de placa de circuito impresso para o crescente mercado da Internet das Coisas para vestir. Até que surjam, teremos que depender do que aprendemos sobre o desenvolvimento no nível do conselho e experiência de fabricação e considerar cuidadosamente como eles se aplicam aos desafios únicos que surgem lá. Três áreas às quais devemos prestar atenção especial são:materiais de superfície da placa, projeto de RF / micro-ondas e linhas de transmissão de RF.

Materiais de PCB As camadas de PCB são compostas de laminados, que podem ser feitos de FR4 (epóxi reforçado com fibra), poliimida ou materiais ou laminados de Rogers. O isolamento entre as diferentes camadas é chamado de pré-impregnado.

Os vestíveis exigem um alto grau de confiabilidade, o que se torna um problema quando o projetista do PCB é confrontado com a escolha de usar o FR4, que é o material de fabricação de PCB mais econômico ou um material mais avançado e mais caro.

Se a aplicação de PCB vestível requer materiais de alta velocidade e alta frequência, o FR4 pode não ser a melhor resposta. FR4 tem uma constante dielétrica (Dk) de 4,5, enquanto os materiais mais avançados da série Rogers 4003 têm um Dk de 3,55, enquanto sua série complementar Rogers 4350 tem um Dk de 3,66.

Uma pilha de uma placa multicamadas mostrando o material FR4 e Rogers 4350 junto com a espessura dos núcleos.



O Dk de um laminado se refere à capacitância ou energia entre um par de condutores na vizinhança do laminado em comparação com aquele par de condutores no vácuo. Em altas frequências, é desejável ter uma perda muito pequena, portanto, um Dk de 3,66 em Rogers 4350 seria mais desejável para circuitos de alta frequência em relação a FR4, que tem um Dk de 4,5

Normalmente, a contagem de camadas varia de quatro a oito camadas para dispositivos vestíveis. A estruturação de camadas é tal que, se for uma PCB de oito camadas, fornece aterramento e plano de energia suficientes para ensanduçar as camadas de roteamento. Assim, o efeito cascata na diafonia é mantido em um mínimo e a interferência eletromagnética ou EMI é significativamente reduzida.

No estágio de layout da placa, a programação do layout é tal que o plano do solo é sólido próximo à camada de distribuição de energia. Isso cria um efeito de ondulação baixo e o ruído do sistema é reduzido a praticamente zero. Isso é especialmente importante para subsistemas de RF.

FR4 tem um alto fator de dissipação (Df) em comparação com o material de Rogers, especialmente em altas frequências. Os valores Df para laminados FR4 de alto desempenho estão na faixa de 0,002, uma ordem de magnitude melhor do que o FR4 normal. No entanto, os laminados de Rogers são 0,001 ou menos. Uma diferença significativa na perda de inserção é criada quando o material FR4 é submetido a altas frequências. A perda de inserção é definida como uma perda de potência do sinal na transmissão do ponto A para B resultante do uso de um laminado como FR4, Rogers ou outros materiais.

Problemas de fabricação
Os PCBs vestíveis exigem um controle de impedância muito mais rígido, que é um elemento essencial para um dispositivo vestível, resultando em uma propagação de sinal mais limpa. Anteriormente, a tolerância padrão era de +/- 10% para traços de transporte de sinal. Isso não é bom o suficiente para os circuitos de alta velocidade e alta frequência de hoje. O requisito agora é de +/- 7% e, em alguns casos, +/- 5% ou até menos. Esta e outras variáveis ​​afetam negativamente a fabricação de PCBs vestíveis que têm controle de impedância extremamente rígido, limitando assim o número de oficinas de fabricação capazes de construí-los.

Os laminados de um material de frequência extremamente alta de Rogers são mantidos em +/- 2% da tolerância Dk. Alguns podem até conter +/- 1% de tolerância DK, em comparação com 10% de tolerância Dk em laminados FR4, portanto, a perda de inserção é extremamente baixa quando os dois materiais são comparados. Isso limitaria as perdas de transmissão e inserção em Rogers para menos da metade, em comparação com um material FR4 tradicional.

Na maioria dos casos, o custo é fundamental. No entanto, Rogers oferece um laminado de perda relativa baixa com desempenho de alta frequência a um ponto de custo aceitável. Para aplicações comerciais, pode ser usado em conjunto com FR4 à base de epóxi para um PCB híbrido com algumas camadas sendo material de Rogers e outras FR4.

Ao selecionar os laminados de Rogers, a frequência é a principal consideração. À medida que a frequência aumenta além de 500 megahertz (MHz), os projetistas de PCB tendem a favorecer os materiais Rogers em vez do FR4, especialmente para circuitos de RF / micro-ondas, porque esses materiais funcionam melhor quando os traços são rigidamente controlados por impedância.

Os materiais Rogers também oferecem baixa perda dielétrica em comparação com o FR4 e fornecem um Dk que é estável para uma ampla faixa de frequências. Além disso, eles oferecem uma baixa perda de inserção ideal para operação em altas frequências.

O coeficiente de expansão térmica (CTE) para Rogers 4000 Series tem estabilidades de dimensão excepcionais. Isso significa que quando o PCB passa por um ciclo de refluxo de frio, quente e muito quente, a expansão e contração da placa de circuito são mantidas a um limite estável em frequências mais altas e ciclos de temperatura mais altos em comparação com FR4.

Em uma situação de empilhamento de laminado híbrido, Rogers pode ser facilmente misturado com um FR4 de alto desempenho usando técnicas de processamento de fabricação comuns, tornando relativamente fácil obter bons rendimentos de fabricação. Os laminados de Rogers não requerem preparação especializada.

O FR4 normalmente não se sai bem em termos de desempenho elétrico confiável, mas o material FR4 de alto desempenho tem boas características de confiabilidade, como maior Tg, custo ainda relativamente mais baixo e capacidade de ser usado em uma ampla variedade de aplicações, desde o simples designs de áudio para aplicações complexas de micro-ondas.

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