نظرًا لصغر الحجم والحجم، لا توجد تقريبًا أي معايير حالية للوحة الدوائر المطبوعة لسوق إنترنت الأشياء القابل للارتداء المتنامي. قبل ظهور هذه المعايير، كان علينا الاعتماد على المعرفة وخبرة التصنيع التي تعلمناها في التطوير على مستوى مجلس الإدارة والتفكير في كيفية تطبيقها على التحديات الناشئة الفريدة. هناك ثلاثة مجالات تتطلب اهتمامنا الخاص. وهي: المواد السطحية للوحة الدائرة، وتصميم الترددات اللاسلكية/الميكروويف، وخطوط نقل الترددات اللاسلكية.

مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور

يتكون "ثنائي الفينيل متعدد الكلور" بشكل عام من شرائح، والتي قد تكون مصنوعة من الإيبوكسي المقوى بالألياف (FR4)، أو مواد بوليميد أو روجرز أو مواد صفيحية أخرى. تسمى المادة العازلة بين الطبقات المختلفة بالتحضير المسبق.

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

إذا كانت تطبيقات ثنائي الفينيل متعدد الكلور القابلة للارتداء تتطلب مواد عالية السرعة وعالية التردد، فقد لا يكون FR4 هو الخيار الأفضل. ثابت العزل الكهربائي (Dk) لـ FR4 هو 4.5، وثابت العزل الكهربائي لمواد سلسلة روجرز 4003 الأكثر تقدمًا هو 3.55، وثابت العزل الكهربائي لسلسلة الأخ روجرز 4350 هو 3.66.

"يشير ثابت العزل الكهربائي للصفائح إلى نسبة السعة أو الطاقة بين زوج من الموصلات بالقرب من الصفائح إلى السعة أو الطاقة بين زوج الموصلات في الفراغ. في الترددات العالية، من الأفضل أن يكون هناك خسارة صغيرة. ولذلك، فإن روجر 4350 مع ثابت العزل الكهربائي 3.66 هو أكثر ملاءمة لتطبيقات التردد العالي من FR4 مع ثابت العزل الكهربائي 4.5.

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 PCB مكونًا من 8 طبقات، فيجب أن يكون قادرًا على توفير طبقات أرضية وطاقة كافية وطبقة طبقة الأسلاك. وبهذه الطريقة، يمكن الحفاظ على تأثير التموج في الحديث المتبادل عند الحد الأدنى ويمكن تقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) بشكل كبير.

في مرحلة تصميم تخطيط لوحة الدائرة، تتمثل خطة التخطيط عمومًا في وضع طبقة أرضية كبيرة بالقرب من طبقة توزيع الطاقة. يمكن أن يشكل هذا تأثيرًا مموجًا منخفضًا جدًا، ويمكن أيضًا تقليل ضوضاء النظام إلى الصفر تقريبًا. هذا مهم بشكل خاص للنظام الفرعي للترددات الراديوية.

بالمقارنة مع مادة روجرز، فإن FR4 لديه عامل تبديد أعلى (Df)، خاصة عند التردد العالي. بالنسبة لشرائح FR4 ذات الأداء العالي، تبلغ قيمة Df حوالي 0.002، وهو أمر أفضل من FR4 العادي. ومع ذلك، فإن مكدس روجرز يبلغ 0.001 فقط أو أقل. عندما يتم استخدام مادة FR4 للتطبيقات عالية التردد، سيكون هناك فرق كبير في فقدان الإدراج. يتم تعريف خسارة الإدراج على أنها فقدان طاقة الإشارة من النقطة A إلى النقطة B عند استخدام FR4 أو Rogers أو مواد أخرى.

خلق المشاكل

يتطلب ثنائي الفينيل متعدد الكلور القابل للارتداء تحكمًا أكثر صرامة في المعاوقة. وهذا عامل مهم بالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء. يمكن لمطابقة المعاوقة أن تنتج نقلًا أنظف للإشارة. في وقت سابق، كان التسامح القياسي لآثار حمل الإشارة هو ±10%. من الواضح أن هذا المؤشر ليس جيدًا بما يكفي للدوائر عالية التردد وعالية السرعة اليوم. المتطلبات الحالية هي ±7%، وفي بعض الحالات حتى ±5% أو أقل. ستؤثر هذه المعلمة والمتغيرات الأخرى تأثيرًا خطيرًا على تصنيع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور القابلة للارتداء مع رقابة صارمة على المعاوقة بشكل خاص، مما يحد من عدد الشركات التي يمكنها تصنيعها.

يتم الحفاظ على التحمل الثابت للعزل الكهربائي للصفائح المصنوعة من مواد Rogers UHF بشكل عام عند ±2%، ويمكن أن تصل بعض المنتجات إلى ±1%. في المقابل، فإن التسامح الثابت للعازل الكهربائي لصفائح FR4 يصل إلى 10%. لذلك، بمقارنة هاتين المادتين يمكن العثور على أن خسارة إدخال روجرز منخفضة بشكل خاص. بالمقارنة مع مواد FR4 التقليدية، فإن فقدان النقل وفقدان الإدخال في مكدس روجرز أقل بمقدار النصف.

في معظم الحالات، التكلفة هي الأهم. ومع ذلك، يمكن لروجرز توفير أداء صفح عالي التردد منخفض الخسارة نسبيًا عند نقطة سعر مقبولة. بالنسبة للتطبيقات التجارية، يمكن تحويل روجرز إلى ثنائي الفينيل متعدد الكلور هجين مع FR4 القائم على الإيبوكسي، حيث تستخدم بعض طبقاته مادة روجرز، وتستخدم طبقات أخرى FR4.

عند اختيار مكدس روجرز، فإن التردد هو الاعتبار الأساسي. عندما يتجاوز التردد 500 ميجا هرتز، يميل مصممو PCB إلى اختيار مواد روجرز، خاصة لدوائر الترددات اللاسلكية/الميكروويف، لأن هذه المواد يمكن أن توفر أداءً أعلى عندما يتم التحكم بشكل صارم في الآثار العلوية بواسطة المعاوقة.

بالمقارنة مع مادة FR4، يمكن أن توفر مادة روجرز أيضًا خسارة عازلة أقل، ويكون ثابت العزل الكهربائي مستقرًا في نطاق تردد واسع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن توفر مادة روجرز الأداء المثالي لفقد الإدخال المنخفض الذي يتطلبه التشغيل عالي التردد.

يتمتع معامل التمدد الحراري (CTE) لمواد سلسلة Rogers 4000 بثبات ممتاز للأبعاد. وهذا يعني أنه بالمقارنة مع FR4، عندما يخضع PCB لدورات لحام بإعادة التدفق الباردة والساخنة والساخنة جدًا، يمكن الحفاظ على التمدد الحراري والانكماش للوحة الدائرة عند حد ثابت في ظل دورات تردد أعلى ودرجات حرارة أعلى.

في حالة التراص المختلط، من السهل استخدام تقنية عملية التصنيع الشائعة لخلط Rogers وFR4 عالي الأداء معًا، لذلك من السهل نسبيًا تحقيق عائد تصنيع مرتفع. لا يتطلب مكدس روجرز عملية إعداد خاصة.

لا يمكن لـ FR4 الشائع تحقيق أداء كهربائي موثوق للغاية، ولكن مواد FR4 عالية الأداء تتمتع بخصائص موثوقية جيدة، مثل ارتفاع Tg، وهي لا تزال منخفضة التكلفة نسبيًا، ويمكن استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من التصميم الصوتي البسيط وحتى تطبيقات الميكروويف المعقدة. .

اعتبارات تصميم الترددات اللاسلكية/الميكروويف

لقد مهدت التكنولوجيا المحمولة والبلوتوث الطريق لتطبيقات الترددات اللاسلكية/الميكروويف في الأجهزة القابلة للارتداء. أصبح نطاق التردد اليوم أكثر ديناميكية. قبل بضع سنوات، تم تعريف التردد العالي جدًا (VHF) على أنه 2 جيجا هرتز ~ 3 جيجا هرتز. ولكن يمكننا الآن رؤية تطبيقات الترددات الفائقة (UHF) التي تتراوح من 10 جيجا هرتز إلى 25 جيجا هرتز.

لذلك، بالنسبة لثنائي الفينيل متعدد الكلور القابل للارتداء، يتطلب جزء التردد اللاسلكي مزيدًا من الاهتمام بقضايا الأسلاك، ويجب فصل الإشارات بشكل منفصل، ويجب إبعاد الآثار التي تولد إشارات عالية التردد عن الأرض. وتشمل الاعتبارات الأخرى: توفير مرشح تجاوز، ومكثفات فصل كافية، والتأريض، وتصميم خط النقل وخط العودة ليكونا متساويين تقريبًا.

يمكن لمرشح التجاوز أن يمنع التأثير المضاعف لمحتوى الضوضاء والتداخل. يجب وضع مكثفات الفصل بالقرب من دبابيس الجهاز التي تحمل إشارات الطاقة.

تتطلب خطوط النقل عالية السرعة ودوائر الإشارة وضع طبقة أرضية بين إشارات طبقة الطاقة لتخفيف الارتعاش الناتج عن إشارات الضوضاء. عند سرعات الإشارة الأعلى، سيؤدي عدم تطابق المعاوقة الصغيرة إلى إرسال واستقبال غير متوازن للإشارات، مما يؤدي إلى تشويه. ولذلك، يجب إيلاء اهتمام خاص لمشكلة مطابقة المعاوقة المتعلقة بإشارة التردد الراديوي، لأن إشارة التردد اللاسلكي لها سرعة عالية وتسامح خاص.

تتطلب خطوط نقل التردد اللاسلكي ممانعة يمكن التحكم فيها من أجل نقل إشارات التردد اللاسلكي 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 ثنائي الفينيل متعدد الكلور RF هي خط الشريط الصغير أو خط الشريط العائم أو الدليل الموجي المستوي أو التأريض. يتكون خط الشريط الميكروي من طول ثابت من المعدن أو الآثار والمستوى الأرضي بأكمله أو جزء من المستوى الأرضي أسفله مباشرة. تتراوح المعاوقة المميزة في بنية خط الخطوط الدقيقة العامة من 50Ω إلى 75Ω.

يعد الخط الشريطي العائم طريقة أخرى لتوصيل الأسلاك وقمع الضوضاء. يتكون هذا الخط من أسلاك ذات عرض ثابت على الطبقة الداخلية ومستوى أرضي كبير أعلى وأسفل الموصل المركزي. يقع المستوى الأرضي بين مستوى الطاقة، لذلك يمكن أن يوفر تأثير تأريض فعال للغاية. هذه هي الطريقة المفضلة لأسلاك إشارة PCB RF القابلة للارتداء.

يمكن أن يوفر الدليل الموجي المستوي عزلًا أفضل بالقرب من دائرة التردد اللاسلكي والدائرة التي تحتاج إلى توجيه أقرب. يتكون هذا الوسط من موصل مركزي ومستويات أرضية على كلا الجانبين أو أسفله. أفضل طريقة لنقل إشارات الترددات الراديوية هي تعليق الخطوط الشريطية أو أدلة الموجات المستوية. يمكن أن توفر هاتان الطريقتان عزلًا أفضل بين الإشارة وتتبعات التردد اللاسلكي.

يوصى باستخدام ما يسمى "عبر السياج" على جانبي الدليل الموجي المستوي. يمكن أن توفر هذه الطريقة صفًا من المنافذ الأرضية على كل مستوى أرضي معدني للموصل المركزي. يحتوي المسار الرئيسي الذي يمتد في المنتصف على سياج على كل جانب، مما يوفر طريقًا مختصرًا لتيار العودة إلى الأرض بالأسفل. يمكن لهذه الطريقة تقليل مستوى الضوضاء المرتبط بتأثير التموج العالي لإشارة التردد اللاسلكي. يظل ثابت العزل الكهربائي البالغ 4.5 كما هو كما هو الحال في مادة FR4 الخاصة بطبقة التقوية المسبقة، في حين أن ثابت العزل الكهربائي الخاص بطبقة التقوية المسبقة - من الشريط الصغير أو الخط الشريطي أو خط الشريط الأوفست - يبلغ حوالي 3.8 إلى 3.9.

في بعض الأجهزة التي تستخدم مستوى أرضي، يمكن استخدام طرق عمياء لتحسين أداء فصل مكثف الطاقة وتوفير مسار تحويل من الجهاز إلى الأرض. يمكن أن يؤدي مسار التحويل إلى الأرض إلى تقصير طول الممر. يمكن أن يحقق هذا غرضين: لا يقتصر الأمر على إنشاء تحويلة أو أرض، بل أيضًا تقليل مسافة نقل الأجهزة ذات المساحات الصغيرة، وهو عامل مهم في تصميم التردد اللاسلكي.