Miksi RF- ja mikroaaltopiirilevyjen suunnittelu on niin vaikeaa?

Yksinkertaisin selitys on, että RF- ja mikroaaltopiirilevyt on suunniteltu toimimaan korkeilla taajuuksilla, joten suunnitteluprosessi on hieman monimutkaisempi. Sen lisäksi, että ne ovat herkempiä signaalikohinalle, ne vaativat johtavaa materiaalia ja niissä on teräviä kulmia.

RF- ja mikroaaltopiirit on suunniteltu toimimaan korkeataajuisten signaalien kanssa.

RF- ja mikroaaltopiirilevyt ovat erikoislevyjä, jotka on suunniteltu toimimaan korkeataajuisten signaalien kanssa. Nämä levyt valmistetaan usein matalan CTE:n materiaaleista, mikä tekee niistä vakaampia korkeissa lämpötiloissa. Ne mahdollistavat myös useiden kerrosten helpon kohdistamisen. Lisäksi niissä on monikerroksinen piirilevyjen pinoamisrakenne, joka auttaa alentamaan kokoonpanokustannuksia ja maksimoimaan suorituskyvyn. Korkeataajuussignaalit ovat hyvin herkkiä kohinalle, ja suunnittelijoiden on varmistettava, että piirilevyt kestävät tätä kohinaa.

Korkean permittiivisyyden omaava substraatti on olennainen RF PCB:lle. Suhteellinen permittiivisyys on dielektrisyysvakion ja tyhjiöpermittiivisyyden suhde. Tämä ominaisuus on tärkeä, koska se minimoi piirilevyllä tarvittavan tilan määrän. Lisäksi substraattimateriaalien on oltava vakaita sekä korkeissa että matalissa lämpötiloissa, ja niiden on kestettävä kosteutta.

Ne ovat herkempiä signaalikohinalle

Korkeataajuussignaalien kohina on yleinen ongelma RF- ja mikroaaltopiirilevyillä, ja suunnittelijoiden on oltava erityisen varovaisia sen vaikutusten vähentämiseksi. RF- ja mikroaaltosignaaleilla on paljon pienempi toleranssi signaalikohinaa kohtaan kuin nopeilla digitaalisilla signaaleilla, ja ne on muotoiltava siten, että sen vaikutukset minimoidaan. Jotta signaalikohinan reitti olisi katkeamaton, piirilevyllä on käytettävä maatasoa.

Signaalikohinalla voi olla useita kielteisiä vaikutuksia radio- ja mikroaaltopiireihin. Ensinnäkin RF- ja mikroaaltosignaalit ovat herkempiä signaalikohinalle, koska ne kulkevat pienimmän vastuksen reittiä pitkin. Signaalit, joilla on korkeammat taajuudet, kulkevat yleensä matalan induktanssin polkuja, mikä voi aiheuttaa signaalikohinaa ja soimista. Siksi on tärkeää varmistaa jatkuva maataso ohjaimesta vastaanottimeen.

Ne vaativat johtavaa materiaalia lämmön haihduttamiseksi.

Kun RF- tai mikroaaltopiirilevyyn syötetään virtaa, johtavan materiaalin on johdettava syntyvä lämpö pois. Tämä tapahtuu noudattamalla yleistä lämpövirtamallia, jossa lämpö virtaa lähteestä matalamman lämpötilan alueelle. RF-sovelluksissa käytetään tyypillisesti kuparin kaltaista johtavaa materiaalia, koska se pystyy johtamaan lämpöä häviöttömästi.

Piirilevyn substraatin dielektrisyysvakio (Dk) määrittää, kuinka hyvin se johtaa lämpöä. Johtavasta materiaalista valmistetuilla piirilevyillä on alhaisempi Dk-arvo kuin inertistä materiaalista valmistetuilla. Korkeat Dk-arvot johtavat pienempiin piirilevyihin.

Ne edellyttävät useita suunnittelusääntöjä

RF- ja mikroaaltopiirilevyillä on useita suunnittelusääntöjä, joita on noudatettava optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Esimerkiksi RF/mikroaaltopiirilevyn asettelussa on otettava huomioon johtimien välisen impedanssin sovittamisen tarve, mikä on kriittistä RF:n kanssa toimiessa. Lisäksi piirin asettelussa on minimoitava ristikkäisviestinnän riski, joka on energian vaihtoa johtimien välillä.

Toinen tärkeä sääntö RF/mikroaaltopiirilevyä suunniteltaessa on, että alustamateriaalin on voitava absorboida alhainen kosteus. Tämä auttaa vähentämään piirilevyn tarvitsemaa tilaa. Toinen substraattimateriaaleihin liittyvä näkökohta on suhteellinen permittiivisyys, joka on dielektrisyysvakion ja tyhjiöpermittiviteetin suhde. Ihannetapauksessa RF/mikroaaltolevyjen piirilevymateriaalien suhteellisen permittiivisyyden pitäisi olla riittävän korkea, jotta nopeat yhteydet ovat mahdollisia ilman, että linjan leveys ja impedanssitoleranssit kärsivät. Tämä edellyttää alustavien parametrien ja materiaalien huolellista analysointia, joka olisi määritettävä piirilevyn kaavion avulla.

Flex Board Designin ja jäykän PCB:n välinen ero

Jos olet kiinnostunut joustopiirilevyistä, saatat miettiä, mikä ero on joustopiirilevyn ja jäykän piirilevyn suunnittelun välillä. Vaikka molemmissa käytetään FR4:ää pääasiallisena eristysmateriaalina, joustolevyn ja jäykän levyn välillä on joitakin eroja. Ensimmäinen merkittävä ero on se, että joustolevy voidaan asentaa tai kiinnittää pintaan. Toinen suuri ero on se, että joustolevyyn voidaan lisätä suojakalvo. Viimeinen ero jäykän piirilevyn ja joustavan piirilevyn välillä on käytetyn eristysmateriaalin tyyppi.

FR4 on yleisin jäykkä eristysmateriaali joustopiireille.

Jäykät piirilevyt on valmistettu FR4-epoksilaminaatista. Tyypillisesti tämä materiaali on edullisin materiaali piirilevyjen valmistukseen. Tämä materiaali ei kuitenkaan sovellu yhtä hyvin sovelluksiin, joissa vaaditaan korkean lämpötilan suorituskykyä. Tämän torjumiseksi valmistajat käyttävät FR4-ytimen päällä korkean lämpötilan laminaatteja. Tämä vähentää kustannuksia, lisää kestävyyttä ja parantaa suorituskykyä.

Taipuisat piirilevyt on valmistettu joustavista materiaaleista, kuten polyesteri- tai polyimidikalvosta. Nämä materiaalit ovat edullisia, mutta ne eivät ole ihanteellisia suurtaajuuspiireille. Jäykät piirilevyt vaativat FR4-materiaalia toimiakseen tehokkaasti. Jäykkiä piirilevyjä käytetään myös lääketieteellisessä ja lääketeollisuudessa sekä erilaisissa laitteissa.

FR4-piirilevyjä valittaessa on monia näkökohtia, mutta tärkein on tuotteen laatu. Vaikka monet valmistajat valmistavat edullisia tuotteita, laadusta ei pidä tinkiä. Paksuus on tärkeää, kun määritetään levyn kerrosten määrä. Paksumpi levy kestää pidempään. Varmista myös, että impedanssin sovitus on oikea, mikä on olennaista kaikissa sähköpiireissä.

FR4:llä on erittäin korkea dielektrisyysvakio, minkä vuoksi se soveltuu erinomaisesti korkeisiin lämpötiloihin ja mekaanisiin olosuhteisiin. FR4:ää ei kuitenkaan suositella korkeataajuussovelluksiin. Näihin sovelluksiin korkeataajuuslaminaatit ovat parempi valinta.

Offset-johtimet flex board -suunnittelussa

Offset-johtimet ovat tärkeä osa joustopiirin suunnittelua. Vaikka ne ovat erinomainen valinta moniin sovelluksiin, ne voivat myös aiheuttaa ongelmia. Ne voivat vaurioitua kokoonpanon, käytön ja käsittelyn aikana. Tämän estämiseksi käytetty materiaali on tärkeää. Käytettäviä materiaaleja on monia erilaisia, ja valmistajien on päätettävä, mikä tyyppi palvelee parhaiten heidän tarpeitaan. Joitakin yleisiä joustopiireissä käytettäviä materiaaleja ovat kupari ja polyimidi.

Offset-johdot auttavat estämään liiallisen jännityksen keskittymisen uloimpiin johtimiin taivutuksen aikana. Kupariominaisuuksissa on oltava vähintään 0,025 tuuman välys ulkokerroksissa. Lisäksi on tärkeää tasapainottaa taivutuskerrosten paksuus. Lisäksi taivutuskerroksia voidaan käyttää pareittain. On myös tärkeää pitää joustoliima kaukana jäykästä alueesta. Lisäksi yhdensuuntaiset asettelut auttavat poistamaan mekaanista rasitusta.

Joustopiireissä on yleensä kahdenlaisia joustopiirejä: jäykkiä ja joustavia. Joustavia joustopiirejä kutsutaan usein joustolevymalleiksi. Tämäntyyppiset levyt on valmistettu useista kuparikerroksista, ja kutakin kerrosta voidaan taivuttaa eriasteisesti. Taivutussäde on tärkeä piirin muodon ja eheyden säilyttämiseksi.

Joustopiirit eroavat jäykistä piireistä, mutta monet prosessit ovat samat. Taipuisaa materiaalia, yleensä kuparipinnoitettua polyimidiä, porataan, pinnoitetaan, valokuvataan ja kehitetään. Sitten se paistetaan ylimääräisen kosteuden poistamiseksi. Lopuksi se peitetään peitekerroksella, joka estää levyä kuoriutumasta ja halkeilemasta.