בשל הגודל והגודל הקטן, אין כמעט תקני מעגלים מודפסים קיימים עבור שוק ה-IoT הלביש ההולך וגדל. לפני יציאת הסטנדרטים הללו, היינו צריכים להסתמך על הידע והניסיון בייצור שנלמד בפיתוח ברמת הלוח ולחשוב כיצד ליישם אותם על אתגרים מתעוררים ייחודיים. ישנם שלושה תחומים הדורשים תשומת לב מיוחדת שלנו. הם: חומרי משטח מעגלים, עיצוב RF/מיקרוגל וקווי שידור RF.

חומר PCB

"PCB" מורכב בדרך כלל מרבדים, העשויים להיות עשויים מאפוקסי מחוזק בסיבים (FR4), פולימיד או חומרים של רוג'רס או חומרים לרבדים אחרים. חומר הבידוד בין השכבות השונות נקרא prepreg.

התקנים לבישים דורשים אמינות גבוהה, כך שכאשר מתכנני PCB יעמדו בפני הבחירה להשתמש ב-FR4 (החומר החסכוני ביותר לייצור PCB) או בחומרים מתקדמים ויקרים יותר, הדבר יהפוך לבעיה.

אם יישומי PCB לבישים דורשים חומרים מהירים ותדרים גבוהים, ייתכן ש-FR4 לא תהיה הבחירה הטובה ביותר. הקבוע הדיאלקטרי (Dk) של FR4 הוא 4.5, הקבוע הדיאלקטרי של החומר המתקדם יותר מסדרת Rogers 4003 הוא 3.55, והקבוע הדיאלקטרי של סדרת האחים Rogers 4350 הוא 3.66.

"הקבוע הדיאלקטרי של לרבד מתייחס ליחס בין הקיבול או האנרגיה בין זוג מוליכים ליד הלמינציה לבין הקיבול או האנרגיה בין זוג המוליכים בוואקום. בתדרים גבוהים, עדיף הפסד קטן. לכן, Roger 4350 עם קבוע דיאלקטרי של 3.66 מתאים יותר ליישומי תדר גבוה יותר מאשר FR4 עם קבוע דיאלקטרי של 4.5.

בנסיבות רגילות, מספר שכבות ה-PCB עבור מכשירים לבישים נע בין 4 ל-8 שכבות. העיקרון של בניית שכבות הוא שאם מדובר ב-PCB בן 8 שכבות, הוא אמור להיות מסוגל לספק מספיק שכבות אדמה וכוח ולכריך את שכבת החיווט. בדרך זו, ניתן לצמצם את אפקט האדווה בדיבור הצלב למינימום ולהפחית באופן משמעותי הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

בשלב תכנון פריסת המעגלים, תוכנית הפריסה היא בדרך כלל למקם שכבת קרקע גדולה קרוב לשכבת חלוקת החשמל. זה יכול ליצור אפקט אדווה נמוך מאוד, וניתן גם להפחית את רעש המערכת לכמעט אפס. זה חשוב במיוחד עבור תת-מערכת תדרי הרדיו.

בהשוואה לחומר של רוג'רס, ל-FR4 יש גורם פיזור גבוה יותר (Df), במיוחד בתדר גבוה. עבור למינציות FR4 עם ביצועים גבוהים יותר, ערך Df הוא בערך 0.002, שהוא בסדר גודל טוב יותר מ-FR4 רגיל. עם זאת, הערימה של רוג'רס היא רק 0.001 או פחות. כאשר נעשה שימוש בחומר FR4 עבור יישומים בתדר גבוה, יהיה הבדל משמעותי באובדן ההכנסה. אובדן הכנסה מוגדר כאיבוד הכוח של האות מנקודה A לנקודה B בעת שימוש ב-FR4, Rogers או חומרים אחרים.

ליצור בעיות

PCB לביש דורש בקרת עכבה קפדנית יותר. זהו גורם חשוב עבור מכשירים לבישים. התאמת עכבה יכולה לייצר שידור אות נקי יותר. קודם לכן, הסובלנות הסטנדרטית לעקבות נושאות אותות הייתה ±10%. מחוון זה כמובן אינו מספיק טוב עבור מעגלים בתדר גבוה ובמהירות גבוהה של ימינו. הדרישה הנוכחית היא ±7%, ובמקרים מסוימים אף ±5% או פחות. פרמטר זה ומשתנים אחרים ישפיעו ברצינות על ייצורם של רכיבי PCB לבישים אלה עם בקרת עכבה קפדנית במיוחד, ובכך יגבילו את מספר העסקים שיכולים לייצר אותם.

הסובלנות הקבועה הדיאלקטרית של הלמינציה העשויה מחומרי UHF של Rogers נשמרת בדרך כלל על ±2%, ומוצרים מסוימים יכולים להגיע אפילו ל-±1%. לעומת זאת, הסובלנות הקבועה הדיאלקטרית של לרבד FR4 היא עד 10%. לכן, השווה את שני החומרים הללו ניתן למצוא שאובדן ההחדרה של רוג'רס נמוך במיוחד. בהשוואה לחומרי FR4 מסורתיים, אובדן השידור ואובדן ההחדרה של ערימת הרוג'רס נמוכים בחצי.

ברוב המקרים, העלות היא החשובה ביותר. עם זאת, רוג'רס יכול לספק ביצועי למינציה בתדר גבוה בהפסד נמוך יחסית בנקודת מחיר מקובלת. עבור יישומים מסחריים, ניתן להפוך את Rogers ל-PCB היברידי עם FR4 מבוסס אפוקסי, שחלק מהשכבות שלו משתמשות בחומר של Rogers, ושכבות אחרות משתמשות ב-FR4.

בעת בחירת ערימת Rogers, התדירות היא השיקול העיקרי. כאשר התדר עולה על 500MHz, מתכנני PCB נוטים לבחור בחומרי Rogers, במיוחד עבור מעגלי RF/מיקרוגל, מכיוון שחומרים אלו יכולים לספק ביצועים גבוהים יותר כאשר העקבות העליונות נשלטות בקפדנות על ידי עכבה.

בהשוואה לחומר FR4, חומר רוג'רס יכול גם לספק אובדן דיאלקטרי נמוך יותר, וקבוע הדיאלקטרי שלו יציב בטווח תדרים רחב. בנוסף, חומר רוג'רס יכול לספק את ביצועי הפסדי ההחדרה הנמוכים האידיאליים הנדרשים על ידי פעולה בתדר גבוה.

למקדם ההתפשטות התרמית (CTE) של חומרים מסדרת Rogers 4000 יש יציבות מימדית מעולה. משמעות הדבר היא שבהשוואה ל-FR4, כאשר ה-PCB עובר מחזורי הלחמה מזרימה קרה, חמה וחמה מאוד, ניתן לשמור על ההתרחבות התרמית וההתכווצות של לוח המעגלים בגבול יציב במחזורי תדר גבוה יותר וטמפרטורה גבוהה יותר.

במקרה של ערימה מעורבת, קל להשתמש בטכנולוגיית תהליך ייצור נפוצה כדי לערבב יחד את Rogers ו-FR4 בעל ביצועים גבוהים, כך שקל יחסית להשיג תפוקת ייצור גבוהה. ערימת רוג'רס אינה דורשת תהליך הכנה מיוחד.

FR4 נפוץ אינו יכול להשיג ביצועים חשמליים אמינים במיוחד, אך לחומרי FR4 בעלי ביצועים גבוהים יש מאפייני אמינות טובים, כגון Tg גבוה יותר, עדיין עלות נמוכה יחסית, וניתן להשתמש בהם במגוון רחב של יישומים, מעיצוב שמע פשוט ועד יישומי מיקרוגל מורכבים .

שיקולי עיצוב RF/מיקרוגל

טכנולוגיה ניידת ובלוטות' סללו את הדרך ליישומי RF/מיקרוגל במכשירים לבישים. טווח התדרים של היום הופך ליותר ויותר דינמי. לפני מספר שנים, תדר גבוה מאוד (VHF) הוגדר כ-2GHz~3GHz. אבל כעת אנו יכולים לראות יישומי תדר אולטרה-גבוה (UHF) הנעים בין 10GHz ל-25GHz.

לכן, עבור ה-PCB הלביש, חלק ה-RF דורש תשומת לב רבה יותר לבעיות החיווט, ויש להפריד את האותות בנפרד, ויש להרחיק את העקבות המייצרות אותות בתדר גבוה מהאדמה. שיקולים נוספים כוללים: אספקת מסנן מעקף, קבלי ניתוק נאותים, הארקה ותכנון קו ההולכה וקו ההחזרה להיות כמעט שווים.

מסנן מעקף יכול לדכא את אפקט האדווה של תוכן רעש והצלבה. יש למקם את קבלי הניתוק קרוב יותר לפיני המכשיר הנושאים אותות מתח.

קווי תמסורת ומעגלי אותות במהירות גבוהה דורשים להניח שכבת קרקע בין אותות שכבת הכוח כדי להחליק את הריצוד שנוצר על ידי אותות רעש. במהירויות אות גבוהות יותר, אי התאמה של עכבה קטנה תגרום לשידור וקליטה לא מאוזנים של אותות, וכתוצאה מכך לעיוות. לכן, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לבעיית התאמת העכבה הקשורה לאות תדר הרדיו, מכיוון שלאות תדר הרדיו יש מהירות גבוהה וסובלנות מיוחדת.

קווי שידור RF דורשים עכבה מבוקרת על מנת להעביר אותות RF ממצע IC ספציפי ל-PCB. קווי תמסורת אלה יכולים להיות מיושמים על השכבה החיצונית, השכבה העליונה והשכבה התחתונה, או שניתן לעצב אותם בשכבה האמצעית.

השיטות המשמשות במהלך פריסת תכנון RF של PCB הן קו מיקרו-סטריפ, קו רצועה צפה, מוליך גל קו מישורי או הארקה. קו המיקרו-סטריפ מורכב מאורך קבוע של מתכת או עקבות וכל מישור ההארקה או חלק ממישור ההארקה ישירות מתחתיו. העכבה האופיינית במבנה קו המיקרו-סטריפ הכללי נע בין 50Ω ל-75Ω.

רצועה צפה היא שיטה נוספת לחיווט ודיכוי רעשים. קו זה מורכב מחיווט ברוחב קבוע על השכבה הפנימית ומישור הארקה גדול מעל ומתחת למוליך המרכזי. מישור ההארקה דחוס בין מישור הכוח, כך שהוא יכול לספק אפקט הארקה יעיל מאוד. זוהי השיטה המועדפת לחיווט אות RF PCB לביש.

מוליך גל קו פלנרי יכול לספק בידוד טוב יותר ליד מעגל ה-RF והמעגל שצריך לנתב קרוב יותר. מדיום זה מורכב ממוליך מרכזי וממישורי הארקה משני הצדדים או מתחתיו. הדרך הטובה ביותר לשדר אותות בתדר רדיו היא להשעות קווי רצועה או מוליכי גל דו-מישוריים. שתי השיטות הללו יכולות לספק בידוד טוב יותר בין האות לעקבות RF.

מומלץ להשתמש במה שנקרא "דרך גדר" משני צידי מוליך הגל הקומפלארי. שיטה זו יכולה לספק שורה של דרך הארקה על כל מישור הארקה מתכתי של המוליך המרכזי. לעקיבה הראשית העוברת באמצע יש גדרות בכל צד, ובכך מספקת קיצור דרך לזרם ההחזרה לקרקע מתחת. שיטה זו יכולה להפחית את רמת הרעש הקשורה לאפקט האדווה הגבוה של אות ה-RF. הקבוע הדיאלקטרי של 4.5 נשאר זהה לחומר ה-FR4 של ה-prepreg, בעוד שהקבוע הדיאלקטרי של ה-prepreg - מ-microstrip, stripline או offset stripline - הוא בערך 3.8 עד 3.9.

בהתקנים מסוימים המשתמשים במישור הארקה, ניתן להשתמש בחיבורים עיוורים כדי לשפר את ביצועי הניתוק של קבל הכוח ולספק נתיב shunt מהמכשיר לקרקע. נתיב ה-shunt לקרקע יכול לקצר את אורך ה-via. זה יכול להשיג שתי מטרות: אתה לא רק יוצר shunt או קרקע, אלא גם מפחית את מרחק השידור של מכשירים עם שטחים קטנים, שהוא גורם חשוב בתכנון RF.