Pienen koon ja koon vuoksi kasvaville puettavien IoT-markkinoiden piirilevystandardeja ei juuri ole olemassa. Ennen kuin nämä standardit ilmestyivät, meidän piti luottaa korttitason kehityksessä opittuihin tietoihin ja valmistuskokemukseen ja miettiä, kuinka soveltaa niitä ainutlaatuisiin nouseviin haasteisiin. On kolme aluetta, jotka vaativat erityistä huomiotamme. Ne ovat: piirilevyn pintamateriaalit, RF/mikroaaltosuunnittelu ja RF-siirtolinjat.

PCB materiaali

"PCB" koostuu yleensä laminaateista, jotka voidaan valmistaa kuituvahvistetusta epoksista (FR4), polyimidi- tai Rogers-materiaaleista tai muista laminaattimateriaaleista. Eri kerrosten välistä eristävää materiaalia kutsutaan prepregiksi.

puettavat laitteet vaativat suurta luotettavuutta, joten kun piirilevysuunnittelijat joutuvat valitsemaan FR4:n (kustannustehokkain piirilevyjen valmistusmateriaali) tai kehittyneempiä ja kalliimpia materiaaleja, tästä tulee ongelma.

Jos puettavat piirilevysovellukset vaativat nopeita ja korkeataajuisia materiaaleja, FR4 ei ehkä ole paras valinta. FR4:n dielektrisyysvakio (Dk) on 4,5, kehittyneen Rogers 4003 -sarjan materiaalin dielektrisyysvakio on 3,55 ja velisarjan Rogers 4350:n dielektrisyysvakio on 3,66.

"Laminaatin dielektrisyysvakiolla tarkoitetaan laminaatin lähellä olevan johdinparin välisen kapasitanssin tai energian suhdetta kapasitanssiin tai energiaan johdinparin välillä tyhjiössä. Korkeilla taajuuksilla on parasta saada pieni häviö. Siksi Roger 4350, jonka dielektrisyysvakio on 3,66, sopii paremmin korkeataajuisiin sovelluksiin kuin FR4, jonka dielektrisyysvakio on 4,5.

Normaalioloissa puettavien laitteiden PCB-kerrosten lukumäärä vaihtelee 4-8 kerroksesta. Kerrosrakenteen periaate on, että jos se on 8-kerroksinen piirilevy, sen pitäisi pystyä tarjoamaan riittävästi maa- ja tehokerroksia ja tiivistämään johdotuskerros. Tällä tavalla ylikuulumisen aaltoilu voidaan pitää minimissä ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) voidaan vähentää merkittävästi.

Piirilevyasettelun suunnitteluvaiheessa layoutsuunnitelma on yleensä sijoittaa suuri maakerros lähelle virranjakelukerrosta. Tämä voi muodostaa erittäin alhaisen aaltoiluefektin, ja myös järjestelmän melu voidaan vähentää lähes nollaan. Tämä on erityisen tärkeää radiotaajuusalijärjestelmän kannalta.

Rogersin materiaaliin verrattuna FR4:llä on korkeampi hajoamiskerroin (Df), erityisesti korkealla taajuudella. Suorituskykyisemmillä FR4-laminaateilla Df-arvo on noin 0,002, mikä on suuruusluokkaa parempi kuin tavallisen FR4:n. Rogersin stäkki on kuitenkin vain 0,001 tai vähemmän. Kun FR4-materiaalia käytetään suurtaajuussovelluksiin, välityshäviössä on merkittävä ero. Insertion loss määritellään signaalin tehohäviöksi pisteestä A pisteeseen B käytettäessä FR4:ää, Rogersia tai muita materiaaleja.

luoda ongelmia

Käytettävä piirilevy vaatii tiukempaa impedanssin hallintaa. Tämä on tärkeä tekijä puettavissa laitteissa. Impedanssisovitus voi tuottaa puhtaamman signaalinsiirron. Aikaisemmin signaalinsiirtojälkien standarditoleranssi oli ±10 %. Tämä ilmaisin ei selvästikään ole tarpeeksi hyvä nykypäivän suurtaajuisille ja suurnopeuksille piireille. Nykyinen vaatimus on ±7 % ja joissakin tapauksissa jopa ±5 % tai vähemmän. Tämä parametri ja muut muuttujat vaikuttavat vakavasti näiden puettavien PCB-levyjen valmistukseen erityisen tiukan impedanssin valvonnan kanssa, mikä rajoittaa niitä valmistavien yritysten määrää.

Rogers UHF -materiaaleista valmistetun laminaatin dielektrisyysvakion toleranssi säilyy yleensä ±2 %:ssa, ja jotkut tuotteet voivat olla jopa ±1 %. Sitä vastoin FR4-laminaatin dielektrisyysvakion toleranssi on jopa 10 %. Siksi vertaa Nämä kaksi materiaalia voidaan havaita, että Rogersin lisäyshäviö on erityisen pieni. Perinteisiin FR4-materiaaleihin verrattuna Rogers-pinon lähetys- ja lisäyshäviö on puolet pienempi.

Useimmissa tapauksissa hinta on tärkein. Rogers voi kuitenkin tarjota suhteellisen vähähäviöisen korkeataajuisen laminaatin suorituskyvyn hyväksyttävällä hinnalla. Kaupallisiin sovelluksiin Rogersista voidaan tehdä hybridi PCB epoksipohjaisella FR4:llä, jonka jotkin kerrokset käyttävät Rogers-materiaalia ja toiset FR4:ää.

Rogers-pinoa valittaessa taajuus on ensisijainen näkökohta. Kun taajuus ylittää 500 MHz, piirilevysuunnittelijat yleensä valitsevat Rogers-materiaaleja, erityisesti RF/mikroaaltopiireihin, koska nämä materiaalit voivat tarjota paremman suorituskyvyn, kun ylempiä jälkiä ohjataan tiukasti impedanssilla.

FR4-materiaaliin verrattuna Rogers-materiaali voi myös tarjota pienemmän dielektrisen häviön, ja sen dielektrisyysvakio on vakaa laajalla taajuusalueella. Lisäksi Rogers-materiaali voi tarjota ihanteellisen alhaisen lisäyshäviön suorituskyvyn, jota suurtaajuustoiminto vaatii.

Rogers 4000 -sarjan materiaalien lämpölaajenemiskertoimella (CTE) on erinomainen mittapysyvyys. Tämä tarkoittaa, että FR4:ään verrattuna piirilevyn lämpölaajeneminen ja supistuminen voidaan pitää vakaassa rajassa korkeammilla taajuuksilla ja korkeammilla lämpötilasykleillä, kun piirilevylle suoritetaan kylmä, kuuma ja erittäin kuuma uudelleenvirtausjuottojakso.

Sekapinoamisen tapauksessa on helppo käyttää yleistä valmistusprosessitekniikkaa Rogersin ja korkean suorituskyvyn FR4:n sekoittamiseen yhteen, joten korkean valmistustuotannon saavuttaminen on suhteellisen helppoa. Rogers-pino ei vaadi erityistä valmisteluprosessia.

Tavallinen FR4 ei voi saavuttaa kovin luotettavaa sähköistä suorituskykyä, mutta korkean suorituskyvyn FR4-materiaaleilla on hyvät luotettavuusominaisuudet, kuten korkeampi Tg, silti suhteellisen alhaiset kustannukset, ja niitä voidaan käyttää monissa sovelluksissa yksinkertaisesta äänisuunnittelusta monimutkaisiin mikroaaltouunisovelluksiin. .

RF/mikroaaltouunin suunnittelunäkökohdat

Kannettava tekniikka ja Bluetooth ovat tasoittaneet tietä RF/mikroaaltokäyttöisille puettaville laitteille. Tämän päivän taajuusalue muuttuu yhä dynaamisemmaksi. Muutama vuosi sitten erittäin korkea taajuus (VHF) määriteltiin 2GHz ~ 3GHz. Mutta nyt voimme nähdä ultrakorkeataajuisia (UHF) sovelluksia 10 GHz:stä 25 GHz:iin.

Siksi puettavan piirilevyn RF-osa vaatii enemmän huomiota johdotusongelmiin, ja signaalit tulisi erottaa erikseen ja korkeataajuisia signaaleja tuottavat jäljet ​​tulisi pitää poissa maasta. Muita huomioita ovat: ohitussuodatin, riittävät irrotuskondensaattorit, maadoitus ja siirtolinjan ja paluulinjan suunnittelu lähes samanlaisiksi.

Ohitussuodatin voi vaimentaa kohinasisällön ja ylikuulumisen aaltoiluvaikutusta. Irrotuskondensaattorit on sijoitettava lähemmäksi tehosignaaleja kuljettavia laitteen nastoja.

Nopeat siirtolinjat ja signaalipiirit vaativat maakerroksen asettamisen tehokerroksen signaalien väliin tasaamaan kohinasignaalien synnyttämää värinää. Suuremmilla signaalinopeuksilla pienet impedanssiepäsopimattomuudet aiheuttavat epätasapainoista signaalien lähetystä ja vastaanottoa, mikä johtaa vääristymiseen. Siksi radiotaajuussignaaliin liittyvään impedanssisovitusongelmaan on kiinnitettävä erityistä huomiota, koska radiotaajuussignaalilla on suuri nopeus ja erityinen toleranssi.

RF-siirtolinjat vaativat ohjatun impedanssin lähettääkseen RF-signaaleja tietystä IC-substraatista PCB:lle. Nämä voimajohdot voidaan toteuttaa ulompaan kerrokseen, yläkerrokseen ja alakerrokseen tai ne voidaan suunnitella keskikerrokseen.

Piirilevyn RF-suunnittelussa käytetyt menetelmät ovat mikroliuskajohto, kelluva liuskalinja, koplanaarinen aaltoputki tai maadoitus. Mikroliuskalinja koostuu kiinteän pituisesta metallista tai juovista ja koko maatasosta tai maatason osasta suoraan sen alapuolella. Yleisen mikroliuskajohtorakenteen ominaisimpedanssi vaihtelee välillä 50Ω - 75Ω.

Kelluva liuskajohto on toinen johdotus- ja melunvaimennusmenetelmä. Tämä linja koostuu kiinteän leveyden johdoista sisäkerroksessa ja suuresta maatasosta keskijohtimen ylä- ja alapuolella. Maataso on kerrostettu voimatason välissä, joten se voi tarjota erittäin tehokkaan maadoitusvaikutuksen. Tämä on suositeltava menetelmä puettavien PCB-RF-signaalien johdotukseen.

Koplanaarinen aaltoputki voi tarjota paremman eristyksen RF-piirin ja lähemmäksi reitittävän piirin lähellä. Tämä väliaine koostuu keskijohtimesta ja maatasoista kummallakin puolella tai alapuolella. Paras tapa lähettää radiotaajuisia signaaleja on ripustaa liuskajohdot tai koplanaariset aaltoputket. Nämä kaksi menetelmää voivat tarjota paremman eristyksen signaalin ja RF-jälkien välillä.

On suositeltavaa käyttää ns. "via-aitaa" samantasoisen aaltoputken molemmilla puolilla. Tämä menetelmä voi tarjota rivin maadoitusaukkoja jokaiselle keskijohtimen metallille maatasolle. Keskellä kulkevassa pääradassa on aidat molemmilla puolilla, mikä tarjoaa oikotien paluuvirran alapuolelle. Tämä menetelmä voi vähentää RF-signaalin korkeaan aaltoiluvaikutukseen liittyvää kohinatasoa. Dielektrisyysvakio 4,5 pysyy samana kuin prepregin FR4-materiaalin, kun taas prepregin dielektrisyysvakio - mikroliuskasta, liuskalinjasta tai offset-liuskajohdosta - on noin 3,8 - 3,9.

Joissakin maatasoa käyttävissä laitteissa voidaan käyttää sokeita läpivientejä tehokondensaattorin irrotussuorituskyvyn parantamiseksi ja shunttireitin muodostamiseksi laitteesta maahan. Shunttipolku maahan voi lyhentää läpiviennin pituutta. Tällä voidaan saavuttaa kaksi tarkoitusta: et vain luo shunttia tai maata, vaan myös pienennät pienipintaisten laitteiden lähetysetäisyyttä, mikä on tärkeä RF-suunnittelutekijä.