નાના કદ અને કદને લીધે, વિકસતા પહેરવા યોગ્ય IoT બજાર માટે લગભગ કોઈ વર્તમાન પ્રિન્ટેડ સર્કિટ બોર્ડ ધોરણો નથી. આ ધોરણો બહાર આવે તે પહેલાં, અમારે બોર્ડ-સ્તરના વિકાસમાં શીખેલા જ્ઞાન અને ઉત્પાદન અનુભવ પર આધાર રાખવો પડતો હતો અને તેને અનન્ય ઊભરતાં પડકારો માટે કેવી રીતે લાગુ કરી શકાય તે વિશે વિચારવું પડતું હતું. ત્યાં ત્રણ ક્ષેત્રો છે જેના પર આપણું વિશેષ ધ્યાન જરૂરી છે. તે છે: સર્કિટ બોર્ડ સપાટી સામગ્રી, RF/માઈક્રોવેવ ડિઝાઇન અને RF ટ્રાન્સમિશન લાઇન.

પીસીબી સામગ્રી

"PCB" સામાન્ય રીતે લેમિનેટનો સમાવેશ કરે છે, જે ફાઇબર-રિઇનફોર્સ્ડ ઇપોક્સી (FR4), પોલિમાઇડ અથવા રોજર્સ મટિરિયલ અથવા અન્ય લેમિનેટ સામગ્રીથી બનેલું હોઈ શકે છે. વિવિધ સ્તરો વચ્ચેના ઇન્સ્યુલેટીંગ સામગ્રીને પ્રીપ્રેગ કહેવામાં આવે છે.

પહેરી શકાય તેવા ઉપકરણોને ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતાની જરૂર હોય છે, તેથી જ્યારે PCB ડિઝાઇનરોને FR4 (સૌથી વધુ ખર્ચ-અસરકારક PCB ઉત્પાદન સામગ્રી) અથવા વધુ અદ્યતન અને વધુ ખર્ચાળ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવાની પસંદગીનો સામનો કરવો પડે છે, ત્યારે આ સમસ્યા બની જશે.

જો પહેરી શકાય તેવી PCB એપ્લિકેશનને હાઇ-સ્પીડ, ઉચ્ચ-આવર્તન સામગ્રીની જરૂર હોય, તો FR4 શ્રેષ્ઠ પસંદગી ન હોઈ શકે. FR4 નું ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ (Dk) 4.5 છે, વધુ અદ્યતન રોજર્સ 4003 સિરિઝ મટિરિયલનું ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ 3.55 છે અને ભાઇ સિરીઝ રોજર્સ 4350નું ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ 3.66 છે.

“લેમિનેટનો ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ એ લેમિનેટની નજીકના વાહકની જોડી વચ્ચેના કેપેસીટન્સ અથવા વેક્યૂમમાં વાહકની જોડી વચ્ચેની ઉર્જા અથવા કેપેસીટન્સનો ગુણોત્તર દર્શાવે છે. ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સીઝ પર, નાનું નુકસાન કરવું શ્રેષ્ઠ છે. તેથી, 3.66 ના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક સાથે રોજર 4350 એ 4.5 ના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક સાથે FR4 કરતાં ઉચ્ચ આવર્તન એપ્લિકેશન માટે વધુ યોગ્ય છે.

સામાન્ય સંજોગોમાં, પહેરવા યોગ્ય ઉપકરણો માટે PCB સ્તરોની સંખ્યા 4 થી 8 સ્તરો સુધીની હોય છે. લેયર કન્સ્ટ્રક્શનનો સિદ્ધાંત એ છે કે જો તે 8-લેયર પીસીબી હોય, તો તે પર્યાપ્ત ગ્રાઉન્ડ અને પાવર લેયર પ્રદાન કરવા અને વાયરિંગ લેયરને સેન્ડવીચ કરવા સક્ષમ હોવા જોઈએ. આ રીતે, ક્રોસસ્ટૉકમાં લહેરિયાંની અસરને ન્યૂનતમ રાખી શકાય છે અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક હસ્તક્ષેપ (EMI) નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકાય છે.

સર્કિટ બોર્ડ લેઆઉટ ડિઝાઇન સ્ટેજમાં, લેઆઉટ પ્લાન સામાન્ય રીતે પાવર ડિસ્ટ્રિબ્યુશન લેયરની નજીક એક વિશાળ ગ્રાઉન્ડ લેયર મૂકવાનો હોય છે. આ ખૂબ જ ઓછી લહેર અસર બનાવી શકે છે, અને સિસ્ટમનો અવાજ પણ લગભગ શૂન્ય સુધી ઘટાડી શકાય છે. આ ખાસ કરીને રેડિયો ફ્રીક્વન્સી સબસિસ્ટમ માટે મહત્વપૂર્ણ છે.

રોજર્સ મટિરિયલની સરખામણીમાં, FR4માં ઉચ્ચ ડિસિપેશન ફેક્ટર (Df) છે, ખાસ કરીને ઉચ્ચ આવર્તન પર. ઉચ્ચ પ્રદર્શન FR4 લેમિનેટ માટે, Df મૂલ્ય લગભગ 0.002 છે, જે સામાન્ય FR4 કરતાં વધુ સારી તીવ્રતાનો ક્રમ છે. જો કે, રોજર્સનો સ્ટેક માત્ર 0.001 અથવા તેનાથી ઓછો છે. જ્યારે ઉચ્ચ આવર્તન કાર્યક્રમો માટે FR4 સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, ત્યારે નિવેશ નુકશાનમાં નોંધપાત્ર તફાવત હશે. નિવેશ નુકશાન એ FR4, રોજર્સ અથવા અન્ય સામગ્રીનો ઉપયોગ કરતી વખતે બિંદુ A થી બિંદુ B સુધીના સિગ્નલના પાવર નુકશાન તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે.

સમસ્યાઓ બનાવો

પહેરવા યોગ્ય PCB ને સખત અવબાધ નિયંત્રણની જરૂર છે. પહેરવા યોગ્ય ઉપકરણો માટે આ એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે. ઇમ્પિડન્સ મેચિંગ ક્લીનર સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન પેદા કરી શકે છે. અગાઉ, સિગ્નલ વહન ટ્રેસ માટે પ્રમાણભૂત સહિષ્ણુતા ±10% હતી. આ સૂચક દેખીતી રીતે આજના ઉચ્ચ-આવર્તન અને હાઇ-સ્પીડ સર્કિટ માટે પૂરતું સારું નથી. વર્તમાન જરૂરિયાત ±7% છે, અને કેટલાક કિસ્સાઓમાં પણ ±5% અથવા તેનાથી ઓછી. આ પરિમાણ અને અન્ય ચલો ખાસ કરીને કડક અવબાધ નિયંત્રણ સાથે આ પહેરી શકાય તેવા PCBs ના ઉત્પાદન પર ગંભીર અસર કરશે, જેનાથી તેમને ઉત્પાદન કરી શકે તેવા વ્યવસાયોની સંખ્યા મર્યાદિત થશે.

રોજર્સ UHF સામગ્રીમાંથી બનેલા લેમિનેટની ડાઇલેક્ટ્રિક સતત સહનશીલતા સામાન્ય રીતે ±2% પર જાળવવામાં આવે છે, અને કેટલાક ઉત્પાદનો ±1% સુધી પણ પહોંચી શકે છે. તેનાથી વિપરીત, FR4 લેમિનેટની ડાઇલેક્ટ્રિક સતત સહનશીલતા 10% જેટલી ઊંચી છે. તેથી, સરખામણી કરો આ બે સામગ્રીઓ શોધી શકાય છે કે રોજર્સનું નિવેશ નુકશાન ખાસ કરીને ઓછું છે. પરંપરાગત FR4 સામગ્રીની તુલનામાં, રોજર્સ સ્ટેકનું ટ્રાન્સમિશન નુકશાન અને નિવેશ નુકશાન અડધાથી ઓછું છે.

મોટાભાગના કિસ્સાઓમાં, કિંમત સૌથી મહત્વપૂર્ણ છે. જો કે, રોજર્સ સ્વીકાર્ય ભાવ બિંદુએ પ્રમાણમાં ઓછા-નુકસાન ઉચ્ચ-આવર્તન લેમિનેટ કામગીરી પ્રદાન કરી શકે છે. વ્યાપારી કાર્યક્રમો માટે, રોજર્સને ઇપોક્સી-આધારિત FR4 સાથે હાઇબ્રિડ PCB બનાવી શકાય છે, જેમાંના કેટલાક સ્તરો રોજર્સ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે, અને અન્ય સ્તરો FR4નો ઉપયોગ કરે છે.

રોજર્સ સ્ટેક પસંદ કરતી વખતે, આવર્તન એ પ્રાથમિક વિચારણા છે. જ્યારે આવર્તન 500MHz કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે PCB ડિઝાઇનરો રોજર્સ સામગ્રી પસંદ કરવાનું વલણ ધરાવે છે, ખાસ કરીને RF/માઈક્રોવેવ સર્કિટ માટે, કારણ કે જ્યારે ઉપલા નિશાનો અવબાધ દ્વારા સખત રીતે નિયંત્રિત હોય ત્યારે આ સામગ્રીઓ ઉચ્ચ પ્રદર્શન પ્રદાન કરી શકે છે.

FR4 સામગ્રીની તુલનામાં, રોજર્સ સામગ્રી ઓછી ડાઇલેક્ટ્રિક નુકશાન પણ પ્રદાન કરી શકે છે, અને તેનો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક વિશાળ આવર્તન શ્રેણીમાં સ્થિર છે. વધુમાં, રોજર્સ સામગ્રી ઉચ્ચ આવર્તન કામગીરી દ્વારા જરૂરી આદર્શ નીચી નિવેશ નુકશાન કામગીરી પ્રદાન કરી શકે છે.

રોજર્સ 4000 શ્રેણીની સામગ્રીના થર્મલ વિસ્તરણના ગુણાંક (CTE)માં ઉત્તમ પરિમાણીય સ્થિરતા છે. આનો અર્થ એ છે કે FR4 ની સરખામણીમાં, જ્યારે PCB ઠંડા, ગરમ અને ખૂબ જ ગરમ રિફ્લો સોલ્ડરિંગ ચક્રમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે સર્કિટ બોર્ડનું થર્મલ વિસ્તરણ અને સંકોચન ઉચ્ચ આવર્તન અને ઉચ્ચ તાપમાન ચક્ર હેઠળ સ્થિર મર્યાદામાં જાળવી શકાય છે.

મિશ્ર સ્ટેકીંગના કિસ્સામાં, રોજર્સ અને ઉચ્ચ-પ્રદર્શન FR4 ને એકસાથે મિશ્રિત કરવા માટે સામાન્ય ઉત્પાદન પ્રક્રિયા તકનીકનો ઉપયોગ કરવો સરળ છે, તેથી ઉચ્ચ ઉત્પાદન ઉપજ હાંસલ કરવી પ્રમાણમાં સરળ છે. રોજર્સ સ્ટેકને તૈયારી પ્રક્રિયા દ્વારા વિશેષની જરૂર નથી.

સામાન્ય FR4 ખૂબ જ વિશ્વસનીય વિદ્યુત કામગીરી હાંસલ કરી શકતું નથી, પરંતુ ઉચ્ચ-પ્રદર્શન FR4 સામગ્રીમાં સારી વિશ્વસનીયતા લાક્ષણિકતાઓ હોય છે, જેમ કે ઉચ્ચ Tg, હજુ પણ પ્રમાણમાં ઓછી કિંમત, અને સરળ ઑડિઓ ડિઝાઇનથી જટિલ માઇક્રોવેવ એપ્લિકેશન્સ સુધીની વિશાળ શ્રેણીમાં ઉપયોગ કરી શકાય છે. .

આરએફ/માઇક્રોવેવ ડિઝાઇન વિચારણાઓ

પોર્ટેબલ ટેક્નોલોજી અને બ્લૂટૂથે પહેરી શકાય તેવા ઉપકરણોમાં RF/માઈક્રોવેવ એપ્લિકેશન્સ માટે માર્ગ મોકળો કર્યો છે. આજની આવર્તન શ્રેણી વધુ ને વધુ ગતિશીલ બની રહી છે. થોડા વર્ષો પહેલા, ખૂબ ઊંચી આવર્તન (VHF) ને 2GHz~3GHz તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવી હતી. પરંતુ હવે આપણે 10GHz થી 25GHz સુધીની અલ્ટ્રા-હાઈ ફ્રીક્વન્સી (UHF) એપ્લિકેશન જોઈ શકીએ છીએ.

તેથી, પહેરી શકાય તેવા PCB માટે, RF ભાગને વાયરિંગના મુદ્દાઓ પર વધુ ધ્યાન આપવાની જરૂર છે, અને સિગ્નલોને અલગથી અલગ કરવા જોઈએ, અને ઉચ્ચ-આવર્તન સિગ્નલો ઉત્પન્ન કરતા નિશાનોને જમીનથી દૂર રાખવા જોઈએ. અન્ય વિચારણાઓમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે: બાયપાસ ફિલ્ટર, પર્યાપ્ત ડીકપલિંગ કેપેસિટર, ગ્રાઉન્ડિંગ અને ટ્રાન્સમિશન લાઇન અને રીટર્ન લાઇનને લગભગ સમાન બનાવવા માટે ડિઝાઇન કરવી.

બાયપાસ ફિલ્ટર અવાજની સામગ્રી અને ક્રોસસ્ટૉકની લહેર અસરને દબાવી શકે છે. ડીકપલિંગ કેપેસિટરને પાવર સિગ્નલ વહન કરતા ઉપકરણ પિનની નજીક મૂકવાની જરૂર છે.

હાઇ-સ્પીડ ટ્રાન્સમિશન લાઇન અને સિગ્નલ સર્કિટને અવાજ સિગ્નલો દ્વારા પેદા થતા જિટરને સરળ બનાવવા માટે પાવર લેયર સિગ્નલો વચ્ચે ગ્રાઉન્ડ લેયર મૂકવું જરૂરી છે. ઉચ્ચ સિગ્નલ ઝડપે, નાના અવબાધ અસંતુલિત પ્રસારણ અને સિગ્નલોના સ્વાગતનું કારણ બનશે, પરિણામે વિકૃતિ થશે. તેથી, રેડિયો ફ્રિકવન્સી સિગ્નલને લગતી અવરોધ મેચિંગ સમસ્યા પર વિશેષ ધ્યાન આપવું જોઈએ, કારણ કે રેડિયો ફ્રિકવન્સી સિગ્નલની ઝડપ ઊંચી હોય છે અને ખાસ સહનશીલતા હોય છે.

ચોક્કસ IC સબસ્ટ્રેટમાંથી PCBમાં RF સિગ્નલ ટ્રાન્સમિટ કરવા માટે RF ટ્રાન્સમિશન લાઇનને નિયંત્રિત અવબાધની જરૂર પડે છે. આ ટ્રાન્સમિશન લાઈનો બાહ્ય સ્તર, ઉપરના સ્તર અને નીચેના સ્તર પર લાગુ કરી શકાય છે અથવા મધ્ય સ્તરમાં ડિઝાઇન કરી શકાય છે.

PCB RF ડિઝાઇન લેઆઉટ દરમિયાન ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિઓ માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇન, ફ્લોટિંગ સ્ટ્રીપ લાઇન, કોપ્લાનર વેવગાઇડ અથવા ગ્રાઉન્ડિંગ છે. માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇનમાં ધાતુની નિશ્ચિત લંબાઈ અથવા નિશાનો અને સમગ્ર ગ્રાઉન્ડ પ્લેન અથવા તેની સીધી નીચે ગ્રાઉન્ડ પ્લેનનો ભાગ હોય છે. સામાન્ય માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇન સ્ટ્રક્ચરમાં લાક્ષણિક અવબાધ 50Ω થી 75Ω સુધીની છે.

ફ્લોટિંગ સ્ટ્રીપલાઇન એ વાયરિંગ અને અવાજને દબાવવાની બીજી પદ્ધતિ છે. આ લાઇનમાં આંતરિક સ્તર પર નિશ્ચિત-પહોળાઈના વાયરિંગ અને કેન્દ્ર કંડક્ટરની ઉપર અને નીચે એક વિશાળ ગ્રાઉન્ડ પ્લેનનો સમાવેશ થાય છે. ગ્રાઉન્ડ પ્લેન પાવર પ્લેન વચ્ચે સેન્ડવિચ કરેલું છે, તેથી તે ખૂબ જ અસરકારક ગ્રાઉન્ડિંગ અસર પ્રદાન કરી શકે છે. પહેરવા યોગ્ય PCB RF સિગ્નલ વાયરિંગ માટે આ પસંદગીની પદ્ધતિ છે.

કોપ્લાનર વેવગાઇડ RF સર્કિટ અને સર્કિટની નજીક વધુ સારી રીતે અલગતા પ્રદાન કરી શકે છે જેને નજીકથી રૂટ કરવાની જરૂર છે. આ માધ્યમમાં કેન્દ્રિય વાહક અને બંને બાજુ અથવા નીચે ગ્રાઉન્ડ પ્લેન્સનો સમાવેશ થાય છે. રેડિયો ફ્રિકવન્સી સિગ્નલોને પ્રસારિત કરવાની શ્રેષ્ઠ રીત એ છે કે સ્ટ્રીપ લાઇન અથવા કોપ્લાનર વેવગાઇડ્સને સસ્પેન્ડ કરવી. આ બે પદ્ધતિઓ સિગ્નલ અને RF ટ્રેસ વચ્ચે વધુ સારી રીતે અલગતા પ્રદાન કરી શકે છે.

કોપ્લાનર વેવગાઇડની બંને બાજુઓ પર કહેવાતા "વાડ દ્વારા" નો ઉપયોગ કરવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિ કેન્દ્ર કંડક્ટરના દરેક મેટલ ગ્રાઉન્ડ પ્લેન પર ગ્રાઉન્ડ વિઆસની પંક્તિ પ્રદાન કરી શકે છે. મધ્યમાં ચાલતા મુખ્ય ટ્રેસની દરેક બાજુએ વાડ હોય છે, આમ નીચે જમીન પર વળતા પ્રવાહ માટે શોર્ટકટ પૂરો પાડે છે. આ પદ્ધતિ RF સિગ્નલની ઉચ્ચ લહેર અસર સાથે સંકળાયેલ અવાજ સ્તરને ઘટાડી શકે છે. 4.5 નો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક પ્રીપ્રેગની FR4 સામગ્રી જેવો જ રહે છે, જ્યારે માઇક્રોસ્ટ્રીપ, સ્ટ્રીપલાઇન અથવા ઓફસેટ સ્ટ્રીપલાઇનમાંથી પ્રીપ્રેગનો ડાઇલેક્ટ્રિક કોન્સ્ટન્ટ લગભગ 3.8 થી 3.9 છે.

કેટલાક ઉપકરણો કે જે ગ્રાઉન્ડ પ્લેનનો ઉપયોગ કરે છે, પાવર કેપેસિટરના ડિકપલિંગ પ્રદર્શનને સુધારવા અને ઉપકરણથી જમીન પર શંટ પાથ પ્રદાન કરવા માટે બ્લાઇન્ડ વિઆસનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. જમીન પર શંટ પાથ વાયાની લંબાઈને ટૂંકી કરી શકે છે. આનાથી બે હેતુઓ હાંસલ થઈ શકે છે: તમે માત્ર શંટ અથવા ગ્રાઉન્ડ બનાવતા નથી, પરંતુ નાના વિસ્તારો સાથેના ઉપકરણોનું ટ્રાન્સમિશન અંતર પણ ઘટાડી શકો છો, જે એક મહત્વપૂર્ણ RF ડિઝાઇન પરિબળ છે.