نظرًا لصغر حجم وحجم ، لا توجد معايير لوحة الدوائر المطبوعة الموجودة لسوق إنترنت الأشياء المتزايد القابل للارتداء. قبل ظهور هذه المعايير ، اضطررنا إلى الاعتماد على تجربة المعرفة والتصنيع المستفادة في تطوير مستوى مجلس الإدارة والتفكير في كيفية تطبيقها على التحديات الناشئة الفريدة. هناك ثلاثة مجالات تتطلب اهتمامنا الخاص. هم: مواد سطح لوحة الدوائر ، وتصميم RF/Microwave وخطوط نقل RF.

مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يتكون "PCB" عمومًا من شرائح ، والتي قد تكون مصنوعة من إيبوكسي مقوى بالألياف (FR4) أو مواد البوليميد أو روجرز أو غيرها من المواد الصفائح. تسمى المادة العازلة بين الطبقات المختلفة مسبقًا.

تتطلب الأجهزة القابلة للارتداء موثوقية عالية ، لذلك عندما يواجه مصممو ثنائي الفينيل متعدد الكلور اختيار استخدام FR4 (مواد تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور الأكثر فعالية من حيث التكلفة) أو مواد أكثر تقدمًا وأكثر تكلفة ، سيصبح هذا مشكلة.

إذا كانت تطبيقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن ارتداؤها تتطلب مواد عالية السرعة وعالية التردد ، فقد لا يكون FR4 هو الخيار الأفضل. الثابت العازلة (DK) لـ FR4 هو 4.5 ، وهو الثابت العازلة لمواد سلسلة Rogers 4003 الأكثر تقدماً هو 3.55 ، والثابت العازلة لسلسلة Brother Rogers 4350 هو 3.66.

"يشير الثابت العازلة للصفح إلى نسبة السعة أو الطاقة بين زوج من الموصلات بالقرب من الصفح إلى السعة أو الطاقة بين زوج الموصلات في الفراغ. في الترددات العالية ، يكون من الأفضل أن يكون هناك خسارة صغيرة من FR4.

في ظل الظروف العادية ، يتراوح عدد طبقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور للأجهزة القابلة للارتداء من 4 إلى 8 طبقات. مبدأ بناء الطبقة هو أنه إذا كان ثنائي الفينيل متعدد الكلور من 8 طبقات ، فيجب أن يكون قادرًا على توفير ما يكفي من الطبقات الأرضية والطاقة وطبقة الأسلاك. وبهذه الطريقة ، يمكن الاحتفاظ بتأثير التموج في الحديث المتبادل إلى الحد الأدنى ويمكن تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بشكل كبير.

في مرحلة تصميم تصميم لوحة الدوائر ، تكون خطة التصميم عمومًا وضع طبقة أرضية كبيرة بالقرب من طبقة توزيع الطاقة. يمكن أن يشكل هذا تأثير تموج منخفض للغاية ، ويمكن أيضًا تقليل ضوضاء النظام إلى الصفر تقريبًا. هذا مهم بشكل خاص للنظام الفرعي لتردد الراديو.

بالمقارنة مع مادة روجرز ، فإن FR4 لديه عامل تبديد أعلى (DF) ، وخاصة في التردد العالي. بالنسبة إلى Lawinates ذات الأداء العالي ، تبلغ قيمة DF حوالي 0.002 ، وهو أمر يحجم أفضل من FR4 العادي. ومع ذلك ، فإن كومة روجرز هي 0.001 فقط أو أقل. عند استخدام مادة FR4 لتطبيقات التردد العالية ، سيكون هناك اختلاف كبير في فقدان الإدراج. يتم تعريف فقدان الإدراج على أنه فقدان الطاقة للإشارة من النقطة A إلى النقطة B عند استخدام FR4 أو Rogers أو مواد أخرى.

خلق مشاكل

يتطلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن ارتداؤه التحكم في مقاومة أكثر صرامة. هذا عامل مهم للأجهزة القابلة للارتداء. يمكن لمطابقة المقاومة أن تنتج انتقال إشارة أنظف. في وقت سابق ، كان التسامح المعياري لآثار حمل الإشارة ± 10 ٪. من الواضح أن هذا المؤشر ليس جيدًا بما يكفي لدوائر اليوم عالية التردد والدوائر عالية السرعة. الشرط الحالي هو ± 7 ٪ ، وفي بعض الحالات ± 5 ٪ أو أقل. ستؤثر هذه المعلمة والمتغيرات الأخرى بشكل خطير على تصنيع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التي يمكن ارتداؤها مع التحكم الصارم بشكل خاص للمقاومة ، وبالتالي الحد من عدد الشركات التي يمكنها تصنيعها.

يتم الحفاظ على التسامح المستمر العازلة للصفح المصنوع من مواد Rogers UHF بنسبة ± 2 ٪ ، ويمكن أن تصل بعض المنتجات إلى ± 1 ٪. في المقابل ، فإن التسامح المستمر العازلة للصفح FR4 يصل إلى 10 ٪. لذلك ، يمكن العثور على هاتين المادتين أن فقدان إدخال روجرز منخفض بشكل خاص. بالمقارنة مع مواد FR4 التقليدية ، فإن فقدان الإرسال وفقدان الإدراج في مكدس Rogers أقل.

في معظم الحالات ، التكلفة هي الأكثر أهمية. ومع ذلك ، يمكن أن يوفر روجرز أداء صفيحة منخفضة التردد منخفضة نسبيًا عند نقطة سعر مقبولة. بالنسبة للتطبيقات التجارية ، يمكن تحويل روجرز إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور المختلط مع FR4 المستند إلى الايبوكسي ، وبعض الطبقات التي تستخدم مواد روجرز ، وطبقات أخرى تستخدم FR4.

عند اختيار مكدس روجرز ، يكون التردد هو الاعتبار الأساسي. عندما يتجاوز التردد 500 ميجا هرتز ، يميل مصممو ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى اختيار مواد روجرز ، خاصة بالنسبة لدوائر RF/Microwave ، لأن هذه المواد يمكن أن توفر أداءً أعلى عندما يتم التحكم في الآثار العلوية بشكل صارم عن طريق المعاوقة.

بالمقارنة مع مادة FR4 ، يمكن أن توفر مادة روجرز أيضًا فقدان عازلة أقل ، كما أن ثابتها العازلة مستقر في نطاق تردد واسع. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لمواد روجرز أن توفر أداء فقدان الإدراج المنخفض المثالي الذي تتطلبه تشغيل التردد العالي.

معامل التمدد الحراري (CTE) لمواد سلسلة Rogers 4000 له استقرار ممتاز الأبعاد. هذا يعني أنه بالمقارنة مع FR4 ، عندما يخضع ثنائي الفينيل متعدد الكلور لدورات لحام البرد والساخنة والساخنة للغاية ، يمكن الحفاظ على التمدد الحراري وتقلص لوحة الدائرة في حد ثابت تحت تردد أعلى ودرجات حرارة أعلى.

في حالة التراص المختلط ، من السهل استخدام تقنية عملية التصنيع المشتركة لخلط Rogers و FR4 عالي الأداء معًا ، لذلك من السهل نسبيًا تحقيق عائد تصنيع عالي. لا يتطلب مكدس Rogers مجموعة خاصة عن طريق التحضير.

لا يمكن لـ FR4 الشائع تحقيق أداء كهربائي موثوق به للغاية ، ولكن المواد FR4 عالية الأداء لها خصائص موثوقية جيدة ، مثل TG أعلى ، لا تزال منخفضة التكلفة نسبيًا ، ويمكن استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من تصميم الصوت البسيط إلى تطبيقات الميكروويف المعقدة.

اعتبارات تصميم RF/Microwave

لقد مهدت التكنولوجيا المحمولة والبلوتوث الطريق لتطبيقات RF/Microwave في الأجهزة القابلة للارتداء. أصبح نطاق تردد اليوم أكثر فأكثر ديناميكية. قبل بضع سنوات ، تم تعريف التردد العالي جدًا (VHF) على أنه 2 جيجا هرتز ~ 3Ghz. ولكن الآن يمكننا أن نرى تطبيقات التردد العالي (UHF) تتراوح من 10 جيجا هرتز إلى 25 جيجا هرتز.

لذلك ، بالنسبة إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن ارتداؤه ، يتطلب جزء RF المزيد من الاهتمام لمشكلات الأسلاك ، ويجب فصل الإشارات بشكل منفصل ، ويجب إبقاء الآثار التي تولد إشارات عالية التردد بعيدًا عن الأرض. تشمل الاعتبارات الأخرى ما يلي: توفير مرشح الالتفاف ، ومكثفات الفصل الكافي ، والتأريض ، وتصميم خط النقل وخط الإرجاع ليكون متساوًا تقريبًا.

يمكن للمرشح الالتفافي قمع تأثير تموج محتوى الضوضاء والعولمة. يجب وضع المكثفات فك الارتباط بالقرب من دبابيس الجهاز التي تحمل إشارات الطاقة.

تتطلب خطوط النقل عالية السرعة ودوائر الإشارة وضع طبقة أرضية بين إشارات طبقة الطاقة لتنعيم الارتعاش الناتج عن إشارات الضوضاء. في سرعات إشارة أعلى ، فإن عدم تطابق المعاوقة الصغيرة سوف يتسبب في انتقال غير متوازن واستقبال الإشارات ، مما يؤدي إلى تشويه. لذلك ، يجب إيلاء اهتمام خاص لمشكلة مطابقة المعاوقة المتعلقة بإشارة تردد الراديو ، لأن إشارة تردد الراديو لها سرعة عالية وتسامح خاص.

تتطلب خطوط نقل RF مقاومة محكومة من أجل نقل إشارات RF من ركيزة IC محددة إلى PCB. يمكن تنفيذ خطوط النقل هذه على الطبقة الخارجية ، والطبقة العليا ، والطبقة السفلية ، أو يمكن تصميمها في الطبقة الوسطى.

الأساليب المستخدمة أثناء تخطيط تصميم PCB RF هي خط microstrip ، خط الشريط العائم ، الدليل الموجي coplanar أو التأريض. يتكون خط microstrip من طول ثابت من المعدن أو الآثار والمستوى الأرضي بأكمله أو جزء من المستوى الأرضي أسفله مباشرة. تتراوح المعاوقة المميزة في بنية خط microstrip العامة من 50Ω إلى 75Ω.

Stripline العائم هو وسيلة أخرى للأسلاك وقمع الضوضاء. يتكون هذا الخط من الأسلاك ذات العرض الثابت على الطبقة الداخلية وطائرة أرضية كبيرة أعلى وأسفل الموصل المركزي. يتم تحطيم الطائرة الأرضية بين طائرة الطاقة ، بحيث يمكن أن توفر تأثيرًا فعالًا للغاية للتأريض. هذه هي الطريقة المفضلة لأسلاك إشارة PCB RF يمكن ارتداؤها.

يمكن أن يوفر الدليل الموجي Coplanar عزلًا أفضل بالقرب من دائرة RF والدائرة التي تحتاج إلى توجيه أقرب. تتكون هذه الوسيلة من موصل مركزي وطائرات أرضية على جانبي أو أقل. أفضل طريقة لنقل إشارات تردد الراديو هي تعليق خطوط الشريط أو أدلة الموجات Coplanar. يمكن أن توفر هاتان الطريقتان عزلًا أفضل بين آثار الإشارة و RF.

يوصى باستخدام ما يسمى "Via Fence" على جانبي الدليل الموجي Coplanar. يمكن أن توفر هذه الطريقة صفًا من VIAs الأرضي على كل طائرة أرضية معدنية من موصل الأوسط. يحتوي التتبع الرئيسي الذي يعمل في الوسط على أسوار على كل جانب ، وبالتالي توفير اختصار للعودة الحالية إلى الأرض أدناه. يمكن أن تقلل هذه الطريقة من مستوى الضوضاء المرتبط بتأثير تموج عالي لإشارة RF. لا يزال الثابت العازلة لـ 4.5 هو نفسه مادة FR4 الخاصة بـ prepreg ، في حين أن ثابت العزل الكهربائي للسباحة microstrip أو Stripline أو الإزاحة - يتراوح من 3.8 إلى 3.9.

في بعض الأجهزة التي تستخدم طائرة أرضية ، يمكن استخدام VIAs الأعمى لتحسين أداء فصل المكثف لمكثف الطاقة وتوفير مسار تحويلة من الجهاز إلى الأرض. يمكن أن يقصر مسار التحويل إلى الأرض طول VIA. يمكن أن يحقق هذا غرضين: لا تنشئ فقط تحويلة أو أرضية ، ولكن أيضًا تقلل من مسافة نقل الأجهزة ذات المساحات الصغيرة ، وهو عامل تصميم RF مهم.