छोटे साइज और आकार के कारण, बढ़ते पहनने योग्य IoT बाजार के लिए लगभग कोई मौजूदा मुद्रित सर्किट बोर्ड मानक नहीं हैं। इन मानकों के सामने आने से पहले, हमें बोर्ड-स्तरीय विकास में सीखे गए ज्ञान और विनिर्माण अनुभव पर भरोसा करना था और यह सोचना था कि उन्हें अद्वितीय उभरती चुनौतियों पर कैसे लागू किया जाए। ऐसे तीन क्षेत्र हैं जिन पर हमें विशेष ध्यान देने की आवश्यकता है। वे हैं: सर्किट बोर्ड सतह सामग्री, आरएफ/माइक्रोवेव डिजाइन और आरएफ ट्रांसमिशन लाइनें।

पीसीबी सामग्री

"पीसीबी" में आम तौर पर लैमिनेट्स होते हैं, जो फाइबर-प्रबलित एपॉक्सी (एफआर4), पॉलीमाइड या रोजर्स सामग्री या अन्य लेमिनेट सामग्री से बने हो सकते हैं। विभिन्न परतों के बीच की इन्सुलेशन सामग्री को प्रीप्रेग कहा जाता है।

पहनने योग्य उपकरणों को उच्च विश्वसनीयता की आवश्यकता होती है, इसलिए जब पीसीबी डिजाइनरों को FR4 (सबसे अधिक लागत प्रभावी पीसीबी निर्माण सामग्री) या अधिक उन्नत और अधिक महंगी सामग्री का उपयोग करने के विकल्प का सामना करना पड़ता है, तो यह एक समस्या बन जाएगी।

यदि पहनने योग्य पीसीबी अनुप्रयोगों को उच्च गति, उच्च आवृत्ति सामग्री की आवश्यकता होती है, तो FR4 सबसे अच्छा विकल्प नहीं हो सकता है। FR4 का ढांकता हुआ स्थिरांक (Dk) 4.5 है, अधिक उन्नत रोजर्स 4003 श्रृंखला सामग्री का ढांकता हुआ स्थिरांक 3.55 है, और भाई श्रृंखला रोजर्स 4350 का ढांकता हुआ स्थिरांक 3.66 है।

“लैमिनेट का ढांकता हुआ स्थिरांक, लैमिनेट के पास कंडक्टरों की एक जोड़ी के बीच की धारिता या ऊर्जा और निर्वात में कंडक्टरों की जोड़ी के बीच की धारिता या ऊर्जा के अनुपात को संदर्भित करता है। उच्च आवृत्तियों पर, छोटा नुकसान होना सबसे अच्छा है। इसलिए, 3.66 के ढांकता हुआ स्थिरांक के साथ रोजर 4350, 4.5 के ढांकता हुआ स्थिरांक वाले FR4 की तुलना में उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त है।

सामान्य परिस्थितियों में, पहनने योग्य उपकरणों के लिए पीसीबी परतों की संख्या 4 से 8 परतों तक होती है। परत निर्माण का सिद्धांत यह है कि यदि यह 8-परत पीसीबी है, तो यह पर्याप्त जमीन और बिजली परतें प्रदान करने और वायरिंग परत को सैंडविच करने में सक्षम होना चाहिए। इस तरह, क्रॉसस्टॉक में तरंग प्रभाव को न्यूनतम रखा जा सकता है और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) को काफी कम किया जा सकता है।

सर्किट बोर्ड लेआउट डिजाइन चरण में, लेआउट योजना आम तौर पर बिजली वितरण परत के करीब एक बड़ी जमीन परत रखने के लिए होती है। इससे बहुत कम तरंग प्रभाव बन सकता है, और सिस्टम शोर को भी लगभग शून्य तक कम किया जा सकता है। यह रेडियो फ़्रीक्वेंसी सबसिस्टम के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

रोजर्स सामग्री की तुलना में, FR4 में उच्च अपव्यय कारक (Df) होता है, विशेषकर उच्च आवृत्ति पर। उच्च प्रदर्शन वाले FR4 लैमिनेट्स के लिए, Df मान लगभग 0.002 है, जो सामान्य FR4 से बेहतर परिमाण का एक क्रम है। हालाँकि, रोजर्स का स्टैक केवल 0.001 या उससे कम है। जब FR4 सामग्री का उपयोग उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है, तो सम्मिलन हानि में महत्वपूर्ण अंतर होगा। एफआर4, रोजर्स या अन्य सामग्रियों का उपयोग करते समय सम्मिलन हानि को बिंदु ए से बिंदु बी तक सिग्नल की शक्ति हानि के रूप में परिभाषित किया गया है।

समस्याएँ पैदा करना

पहनने योग्य पीसीबी को सख्त प्रतिबाधा नियंत्रण की आवश्यकता होती है। पहनने योग्य उपकरणों के लिए यह एक महत्वपूर्ण कारक है। प्रतिबाधा मिलान क्लीनर सिग्नल ट्रांसमिशन उत्पन्न कर सकता है। इससे पहले, सिग्नल ले जाने वाले निशानों के लिए मानक सहनशीलता ±10% थी। यह संकेतक स्पष्ट रूप से आज के उच्च-आवृत्ति और उच्च-गति सर्किट के लिए पर्याप्त नहीं है। वर्तमान आवश्यकता ±7% है, और कुछ मामलों में ±5% या उससे भी कम है। यह पैरामीटर और अन्य चर विशेष रूप से सख्त प्रतिबाधा नियंत्रण के साथ इन पहनने योग्य पीसीबी के निर्माण को गंभीरता से प्रभावित करेंगे, जिससे उन व्यवसायों की संख्या सीमित हो जाएगी जो उनका निर्माण कर सकते हैं।

रोजर्स यूएचएफ सामग्रियों से बने लेमिनेट की ढांकता हुआ निरंतर सहनशीलता आम तौर पर ±2% पर बनाए रखी जाती है, और कुछ उत्पाद ±1% तक भी पहुंच सकते हैं। इसके विपरीत, FR4 लेमिनेट की ढांकता हुआ स्थिरांक सहनशीलता 10% जितनी अधिक है। इसलिए, इन दो सामग्रियों की तुलना करके पाया जा सकता है कि रोजर्स का सम्मिलन नुकसान विशेष रूप से कम है। पारंपरिक FR4 सामग्रियों की तुलना में, रोजर्स स्टैक की ट्रांसमिशन हानि और प्रविष्टि हानि आधी कम है।

ज्यादातर मामलों में, लागत सबसे महत्वपूर्ण है. हालाँकि, रोजर्स स्वीकार्य मूल्य बिंदु पर अपेक्षाकृत कम-नुकसान वाली उच्च-आवृत्ति लेमिनेट प्रदर्शन प्रदान कर सकते हैं। व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए, रोजर्स को एपॉक्सी-आधारित FR4 के साथ एक हाइब्रिड पीसीबी में बनाया जा सकता है, जिनमें से कुछ परतें रोजर्स सामग्री का उपयोग करती हैं, और अन्य परतें FR4 का उपयोग करती हैं।

रोजर्स स्टैक चुनते समय, आवृत्ति प्राथमिक विचार है। जब आवृत्ति 500 ​​मेगाहर्ट्ज से अधिक हो जाती है, तो पीसीबी डिजाइनर विशेष रूप से आरएफ/माइक्रोवेव सर्किट के लिए रोजर्स सामग्रियों का चयन करते हैं, क्योंकि ये सामग्रियां उच्च प्रदर्शन प्रदान कर सकती हैं जब ऊपरी निशान सख्ती से प्रतिबाधा द्वारा नियंत्रित होते हैं।

FR4 सामग्री की तुलना में, रोजर्स सामग्री भी कम ढांकता हुआ नुकसान प्रदान कर सकती है, और इसका ढांकता हुआ स्थिरांक एक विस्तृत आवृत्ति रेंज में स्थिर है। इसके अलावा, रोजर्स सामग्री उच्च आवृत्ति संचालन के लिए आवश्यक आदर्श कम प्रविष्टि हानि प्रदर्शन प्रदान कर सकती है।

रोजर्स 4000 श्रृंखला सामग्रियों के थर्मल विस्तार (सीटीई) के गुणांक में उत्कृष्ट आयामी स्थिरता है। इसका मतलब यह है कि एफआर4 की तुलना में, जब पीसीबी ठंडे, गर्म और बहुत गर्म रिफ्लो सोल्डरिंग चक्र से गुजरता है, तो सर्किट बोर्ड के थर्मल विस्तार और संकुचन को उच्च आवृत्ति और उच्च तापमान चक्रों के तहत एक स्थिर सीमा पर बनाए रखा जा सकता है।

मिश्रित स्टैकिंग के मामले में, रोजर्स और उच्च-प्रदर्शन FR4 को एक साथ मिलाने के लिए सामान्य विनिर्माण प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का उपयोग करना आसान है, इसलिए उच्च विनिर्माण उपज प्राप्त करना अपेक्षाकृत आसान है। रोजर्स स्टैक को किसी विशेष तैयारी प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं होती है।

सामान्य FR4 बहुत विश्वसनीय विद्युत प्रदर्शन प्राप्त नहीं कर सकता है, लेकिन उच्च-प्रदर्शन FR4 सामग्रियों में अच्छी विश्वसनीयता विशेषताएँ होती हैं, जैसे उच्च Tg, फिर भी अपेक्षाकृत कम लागत, और सरल ऑडियो डिज़ाइन से लेकर जटिल माइक्रोवेव अनुप्रयोगों तक, अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोग किया जा सकता है। .

आरएफ/माइक्रोवेव डिज़ाइन संबंधी विचार

पोर्टेबल तकनीक और ब्लूटूथ ने पहनने योग्य उपकरणों में आरएफ/माइक्रोवेव अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त किया है। आज की आवृत्ति रेंज अधिक से अधिक गतिशील होती जा रही है। कुछ वर्ष पहले, अति उच्च आवृत्ति (VHF) को 2GHz~3GHz के रूप में परिभाषित किया गया था। लेकिन अब हम 10GHz से 25GHz तक की अल्ट्रा-हाई फ़्रीक्वेंसी (UHF) एप्लिकेशन देख सकते हैं।

इसलिए, पहनने योग्य पीसीबी के लिए, आरएफ भाग को वायरिंग मुद्दों पर अधिक ध्यान देने की आवश्यकता होती है, और सिग्नल को अलग से अलग किया जाना चाहिए, और उच्च आवृत्ति सिग्नल उत्पन्न करने वाले निशान को जमीन से दूर रखा जाना चाहिए। अन्य विचारों में शामिल हैं: बाईपास फ़िल्टर प्रदान करना, पर्याप्त डिकॉउलिंग कैपेसिटर, ग्राउंडिंग, और ट्रांसमिशन लाइन और रिटर्न लाइन को लगभग बराबर डिजाइन करना।

बाईपास फ़िल्टर शोर सामग्री और क्रॉसस्टॉक के तरंग प्रभाव को दबा सकता है। डिकॉउलिंग कैपेसिटर को पावर सिग्नल ले जाने वाले डिवाइस पिन के करीब रखने की आवश्यकता होती है।

हाई-स्पीड ट्रांसमिशन लाइनों और सिग्नल सर्किटों को शोर संकेतों द्वारा उत्पन्न घबराहट को सुचारू करने के लिए पावर लेयर सिग्नलों के बीच एक ग्राउंड लेयर लगाने की आवश्यकता होती है। उच्च सिग्नल गति पर, छोटे प्रतिबाधा बेमेल के कारण सिग्नल का संचरण और रिसेप्शन असंतुलित हो जाएगा, जिसके परिणामस्वरूप विकृति होगी। इसलिए, रेडियो फ़्रीक्वेंसी सिग्नल से संबंधित प्रतिबाधा मिलान समस्या पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए, क्योंकि रेडियो फ़्रीक्वेंसी सिग्नल में उच्च गति और एक विशेष सहनशीलता होती है।

आरएफ ट्रांसमिशन लाइनों को एक विशिष्ट आईसी सब्सट्रेट से पीसीबी तक आरएफ सिग्नल संचारित करने के लिए नियंत्रित प्रतिबाधा की आवश्यकता होती है। इन ट्रांसमिशन लाइनों को बाहरी परत, शीर्ष परत और निचली परत पर लागू किया जा सकता है, या मध्य परत में डिज़ाइन किया जा सकता है।

पीसीबी आरएफ डिज़ाइन लेआउट के दौरान उपयोग की जाने वाली विधियाँ माइक्रोस्ट्रिप लाइन, फ्लोटिंग स्ट्रिप लाइन, कॉपलनार वेवगाइड या ग्राउंडिंग हैं। माइक्रोस्ट्रिप लाइन में धातु या निशान की एक निश्चित लंबाई और संपूर्ण ग्राउंड प्लेन या ग्राउंड प्लेन का हिस्सा सीधे उसके नीचे होता है। सामान्य माइक्रोस्ट्रिप लाइन संरचना में विशेषता प्रतिबाधा 50Ω से 75Ω तक होती है।

फ्लोटिंग स्ट्रिपलाइन वायरिंग और शोर दमन का एक और तरीका है। इस लाइन में आंतरिक परत पर निश्चित-चौड़ाई वाली वायरिंग और केंद्र कंडक्टर के ऊपर और नीचे एक बड़ा ग्राउंड प्लेन होता है। ग्राउंड प्लेन को पावर प्लेन के बीच सैंडविच किया जाता है, इसलिए यह एक बहुत प्रभावी ग्राउंडिंग प्रभाव प्रदान कर सकता है। पहनने योग्य पीसीबी आरएफ सिग्नल वायरिंग के लिए यह पसंदीदा तरीका है।

कॉपलनार वेवगाइड आरएफ सर्किट और उस सर्किट के पास बेहतर अलगाव प्रदान कर सकता है जिसे करीब से रूट करने की आवश्यकता है। इस माध्यम में एक केंद्रीय कंडक्टर और दोनों तरफ या नीचे ग्राउंड प्लेन होते हैं। रेडियो फ़्रीक्वेंसी संकेतों को प्रसारित करने का सबसे अच्छा तरीका स्ट्रिप लाइनों या समतलीय वेवगाइड को निलंबित करना है। ये दो विधियां सिग्नल और आरएफ ट्रेस के बीच बेहतर अलगाव प्रदान कर सकती हैं।

कॉपलनार वेवगाइड के दोनों किनारों पर तथाकथित "बाड़ के माध्यम से" का उपयोग करने की अनुशंसा की जाती है। यह विधि केंद्र कंडक्टर के प्रत्येक धातु ग्राउंड प्लेन पर ग्राउंड वाया की एक पंक्ति प्रदान कर सकती है। बीच में चलने वाले मुख्य निशान के प्रत्येक तरफ बाड़ है, इस प्रकार यह नीचे की जमीन पर वापसी धारा के लिए एक शॉर्टकट प्रदान करता है। यह विधि आरएफ सिग्नल के उच्च तरंग प्रभाव से जुड़े शोर स्तर को कम कर सकती है। 4.5 का ढांकता हुआ स्थिरांक प्रीप्रेग की एफआर4 सामग्री के समान रहता है, जबकि प्रीप्रेग का ढांकता हुआ स्थिरांक - माइक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन या ऑफसेट स्ट्रिपलाइन से - लगभग 3.8 से 3.9 है।

कुछ उपकरणों में जो ग्राउंड प्लेन का उपयोग करते हैं, पावर कैपेसिटर के डिकॉउलिंग प्रदर्शन को बेहतर बनाने और डिवाइस से जमीन तक एक शंट पथ प्रदान करने के लिए ब्लाइंड विअस का उपयोग किया जा सकता है। जमीन तक जाने वाला शंट पथ रास्ते की लंबाई को छोटा कर सकता है। इससे दो उद्देश्य प्राप्त हो सकते हैं: आप न केवल एक शंट या ग्राउंड बनाते हैं, बल्कि छोटे क्षेत्रों वाले उपकरणों की ट्रांसमिशन दूरी को भी कम करते हैं, जो एक महत्वपूर्ण आरएफ डिज़ाइन कारक है।