בשל הגודל והגודל הקטן, אין כמעט תקני לוח מעגלים מודפסים קיימים לשוק ה- IoT לביש הולך וגדל. לפני שיצאו סטנדרטים אלה, היינו צריכים לסמוך על חוויית הידע והייצור שנלמדו בפיתוח ברמת הלוח ולחשוב כיצד ליישם אותם על אתגרים ייחודיים מתעוררים. ישנם שלושה תחומים הדורשים את תשומת הלב המיוחדת שלנו. הם: חומרי שטח של לוח מעגל, עיצוב RF/מיקרוגל וקווי העברת RF.

חומר PCB

"PCB" מורכב בדרך כלל מלמינאטים, העשויים להיות עשויים אפוקסי מחוזק סיבים (FR4), חומרים פולימיד או רוג'רס או חומרי למינציה אחרים. חומר הבידוד בין השכבות השונות נקרא prepreg.

מכשירים לבישים דורשים אמינות גבוהה, כך שכאשר מעצבי PCB מתמודדים עם הבחירה בשימוש ב- FR4 (חומר הייצור החסכוני ביותר של PCB) או חומרים מתקדמים ויקרים יותר, זה יהפוך לבעיה.

אם יישומי PCB לבישים דורשים חומרים במהירות גבוהה, בתדר גבוה, FR4 עשוי לא להיות הבחירה הטובה ביותר. הקבוע הדיאלקטרי (DK) של FR4 הוא 4.5, הקבוע הדיאלקטרי של חומר הסדרת Rogers 4003 המתקדם יותר הוא 3.55, והקבוע הדיאלקטרי של סדרת האח רוג'רס 4350 הוא 3.66.

"הקבוע הדיאלקטרי של למינציה מתייחס ליחס של הקיבול או האנרגיה בין זוג מוליכים הסמוכים למינציה לקיבול או לאנרגיה בין זוג המוליכים בוואקום. בתדרים גבוהים, עדיף כי יש לו אובדן קטן יותר.

בנסיבות רגילות, מספר שכבות ה- PCB למכשירים 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 קרקע וכוח ולכריך את שכבת החיווט. בדרך זו ניתן לשמור את אפקט האדווה במפגש עם הפרעה מינימלית ואלקטרומגנטית (EMI) ניתן להפחית באופן משמעותי.

בשלב תכנון פריסת לוח המעגל, תוכנית הפריסה היא בדרך כלל למקם שכבת קרקע גדולה קרוב לשכבת חלוקת הכוח. זה יכול ליצור אפקט אדווה נמוך מאוד, וניתן גם להפחית את רעש המערכת כמעט לאפס. זה חשוב במיוחד למערכת המשנה לתדר הרדיו.

בהשוואה לחומר של רוג'רס, ל- FR4 יש גורם פיזור גבוה יותר (DF), במיוחד בתדירות גבוהה. עבור ביצועים גבוהים יותר למינציה של FR4, ערך ה- DF הוא בערך 0.002, שהוא סדר גודל טוב יותר מ- FR4 רגיל. עם זאת, ערימת רוג'רס היא רק 0.001 ומטה. כאשר משתמשים בחומר FR4 ליישומים בתדירות גבוהה, יהיה הבדל משמעותי באובדן ההכנסה. אובדן הכניסה מוגדר כאובדן הכוח של האות מנקודה A לנקודה B בעת השימוש ב- FR4, רוג'רס או חומרים אחרים.

ליצור בעיות

PCB לביש דורש בקרת עכבה מחמירה. זהו גורם חשוב למכשירים לבישים. התאמת עכבה יכולה לייצר העברת אות מנקה יותר. מוקדם יותר, הסובלנות הסטנדרטית לעקבות נשיאת אות הייתה ± 10%. מחוון זה כמובן לא מספיק טוב למעגלים בתדר גבוה וימינו במהירות גבוהה. הדרישה הנוכחית היא ± 7%, ובמקרים מסוימים אפילו ± 5% או פחות. פרמטר זה ומשתנים אחרים ישפיעו ברצינות על ייצור PCBs לבישים אלה עם בקרת עכבה קפדנית במיוחד, ובכך יגביל את מספר העסקים שיכולים לייצר אותם.

הסובלנות הקבועה הדיאלקטרית של הרבד העשוי מחומרי UHF של Rogers נשמרת בדרך כלל על ± 2%, ומוצרים מסוימים יכולים אפילו להגיע ל ± 1%. לעומת זאת, הסובלנות הקבועה הדיאלקטרית של למינציה FR4 גבוהה ככל 10%. לפיכך, ניתן למצוא השוואה בין שני חומרים אלה כי אובדן ההכנסה של רוג'רס נמוך במיוחד. בהשוואה לחומרים FR4 מסורתיים, אובדן ההולכה ואובדן ההכנסה של ערימת רוג'רס נמוכים למחצה.

ברוב המקרים העלות היא החשובה ביותר. עם זאת, רוג'רס יכול לספק ביצועי למינציה בתדירות גבוהה יחסית בהפסד גבוה בנקודת מחיר מקובלת. עבור יישומים מסחריים, ניתן להפוך את רוג'רס למחשבי PCB היברידיים עם FR4 מבוסס אפוקסי, שחלק מהשכבות שלהן משתמשות בחומר רוג'רס, ושכבות אחרות משתמשות ב- FR4.

בבחירת ערימת רוג'רס, התדר הוא השיקול העיקרי. כאשר התדר עולה על 500 מגהרץ, מעצבי PCB נוטים לבחור בחומרים של רוג'רס, במיוחד עבור מעגלי RF/מיקרוגל, מכיוון שחומרים אלה יכולים לספק ביצועים גבוהים יותר כאשר העקבות העליונים נשלטים בקפדנות על ידי עכבה.

בהשוואה לחומר FR4, חומר רוג'רס יכול גם לספק אובדן דיאלקטרי נמוך יותר, והקבוע הדיאלקטרי שלו יציב בטווח תדרים רחב. בנוסף, חומר רוג'רס יכול לספק את ביצועי אובדן ההכנסה הנמוכים האידיאליים הנדרשים על ידי פעולה בתדירות גבוהה.

למקדם ההתרחבות התרמית (CTE) של חומרי Rogers 4000 סדרה יש יציבות ממדית מצוינת. משמעות הדבר היא כי בהשוואה ל- FR4, כאשר ה- PCB עובר מחזורי הלחמה קר, חם וחם מאוד, ניתן לשמור על התרחבות תרמית והתכווצות של לוח המעגל בגבול יציב בתדירות גבוהה יותר ומחזורי טמפרטורה גבוהים יותר.

במקרה של ערמה מעורבת, קל להשתמש בטכנולוגיית תהליכי ייצור נפוצה כדי לערבב רוג'רס וביצועים גבוהים FR4 יחד, כך שקל יחסית להשגת תפוקת ייצור גבוהה. ערימת רוג'רס אינה דורשת מיוחד בתהליך הכנה.

FR4 נפוץ אינו יכול להשיג ביצועים חשמליים אמינים מאוד, אך חומרי FR4 בעלי ביצועים גבוהים הם בעלי מאפייני אמינות טובים, כמו TG גבוה יותר, עדיין בעלות נמוכה יחסית, וניתן להשתמש בהם במגוון רחב של יישומים, החל מעיצוב שמע פשוט ועד יישומי מיקרוגל מורכבים.

שיקולי עיצוב RF/מיקרוגל

טכנולוגיה ניידת ו- Bluetooth סללו את הדרך ליישומי RF/מיקרוגל במכשירים לבישים. טווח התדרים של ימינו הופך ליותר ויותר דינאמי. לפני מספר שנים, תדר גבוה מאוד (VHF) הוגדר כ- 2GHz ~ 3GHz. אך כעת אנו יכולים לראות יישומי תדר גבוה במיוחד (UHF) שנעים בין 10GHz ל- 25GHz.

לפיכך, עבור ה- PCB לביש, חלק ה- RF דורש תשומת לב רבה יותר לבעיות החיווט, ויש להפריד בין האותות בנפרד, ולהרחיק את העקבות המייצרים אותות בתדר גבוה מהאדמה. שיקולים אחרים כוללים: מתן מסנן עוקף, קבלים ניתוק נאותים, הארקה ועיצוב קו ההולכה וקו החזרה להיות כמעט שווה.

מסנן עוקף יכול לדכא את אפקט האדווה של תוכן רעש ומפגש. יש למקם את קבלים ניתוקם קרוב יותר לסיכות המכשיר הנושאות אותות כוח.

קווי הילוכים במהירות גבוהה ומעגלי אות דורשים שמכבת קרקעית בין אותות שכבת הכוח כדי להחליק את הריצוד שנוצר על ידי אותות רעש. במהירויות איתות גבוהות יותר, אי התאמות עכבה קטנה יגרמו להעברה לא מאוזנת וקליטה של ​​אותות, וכתוצאה מכך עיוות. לפיכך, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לבעיית התאמת העכבה הקשורה לאות תדר הרדיו, מכיוון שלאות תדר הרדיו יש מהירות גבוהה וסובלנות מיוחדת.

קווי העברת RF דורשים עכבה מבוקרת על מנת להעביר אותות RF ממצע IC ספציפי ל- PCB. ניתן ליישם קווי שידור אלה בשכבה החיצונית, בשכבה העליונה והשכבה התחתונה, או שניתן לתכנן אותם בשכבה האמצעית.

השיטות המשמשות במהלך פריסת העיצוב של PCB RF הן קו מיקרו -סטריפ, קו רצועה צף, מוליך גל קופלאנרי או הארקה. קו המיקרו -סטריפ מורכב מאורך קבוע של מתכת או עקבות ומטוס הקרקע כולו או חלק ממטוס הקרקע היישר מתחתיו. העכבה האופיינית במבנה הקו הכללי של מיקרו -סטריפ נעה בין 50Ω ל- 75Ω.

קו רצועה צף הוא שיטה נוספת לחיווט ודיכוי רעש. קו זה מורכב מחיווט רוחב קבוע בשכבה הפנימית ומישור קרקע גדול מעל ומתחת למוליך המרכזי. מטוס הקרקע דבק בין מטוס הכוח, כך שהוא יכול לספק אפקט הארקה יעיל מאוד. זוהי השיטה המועדפת על חיווט אות RF PCB לביש.

Coplanar Waveguide יכול לספק בידוד טוב יותר בסמוך למעגל ה- RF והמעגל שצריך לנתב קרוב יותר. מדיום זה מורכב ממוליך מרכזי ומטוסים קרקעיים משני צדיו או מתחת. הדרך הטובה ביותר להעביר אותות תדר רדיו היא להשעות קווי רצועות או מדריכי גל קופלאנריים. שתי שיטות אלה יכולות לספק בידוד טוב יותר בין עקבות האות ל- RF.

מומלץ להשתמש במה שמכונה "דרך גדר" משני צידי מדריך הגל הקופלאנרי. שיטה זו יכולה לספק שורה של vias קרקע על כל מטוס קרקע מתכתית של המוליך המרכזי. לעקבות העיקריים הפועלים באמצע גדרות מכל צד, ובכך מספק קיצור דרך לזרם החזרה לקרקע שמתחת. 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, ואילו הקבוע הדיאלקטרי של ה- PrepReg - ממיקרו -סטריפ, קו חשפנות או קו רצועה - הוא בערך 3.8 עד 3.9.

במכשירים מסוימים המשתמשים במישור קרקע, ניתן להשתמש ב- VIA עיוורים כדי לשפר את ביצועי הפירוק של קבל הכוח ולספק נתיב שאנט מהמכשיר לקרקע. שביל הסאנט לקרקע יכול לקצר את אורך ה- VIA. זה יכול להשיג שתי מטרות: אתה לא רק יוצר שאנט או קרקע, אלא גם להפחית את מרחק ההולכה של מכשירים עם אזורים קטנים, שהוא גורם עיצוב חשוב של RF.