サイズとサイズが小さいため、拡大するウェアラブルIoT市場に関する既存の印刷回路板標準はほとんどありません。これらの基準が発表される前に、ボードレベルの開発で学んだ知識と製造体験に頼って、それらを独自の新しい課題に適用する方法を考えなければなりませんでした。私たちの特別な注意を必要とする3つの領域があります。それらは、回路基板の表面材料、RF/マイクロ波設計、RF伝送ラインです。
PCB材料
「PCB」は一般に、繊維強化エポキシ（FR4）、ポリイミドまたはロジャース材料、またはその他のラミネート材料で作られているラミネートで構成されています。異なる層の間の絶縁材料は、プリプレグと呼ばれます。
ウェアラブルデバイスは高い信頼性を必要とするため、PCB設計者はFR4（最も費用対効果の高いPCB製造材料）またはより高度で高価な材料を使用する選択に直面すると、これが問題になります。
ウェアラブルPCBアプリケーションには、高速で高頻度の材料が必要な場合、FR4は最良の選択ではない場合があります。 FR4の誘電率（DK）は4.5、より高度なRogers 4003シリーズの素材の誘電率は3.55、兄弟シリーズRogers 4350の誘電率は3.66です。
「ラミネートの誘電率は、真空中の導体のペア間の容量またはエネルギーのラミネート近くの導体のペア間の容量またはエネルギーの比を指します。したがって、わずかな損失を持つことが最善です。
通常の状況では、ウェアラブルデバイスのPCB層の数は4〜8層の範囲です。層構造の原則は、8層のPCBである場合、十分な接地層と電力層を提供し、配線層をサンドイッチできるはずです。このようにして、クロストークのリップル効果を最小限に抑えることができ、電磁干渉（EMI）を大幅に減らすことができます。
回路基板のレイアウト設計段階では、レイアウト計画は通常、配電層の近くに大きな接地層を配置することです。これは非常に低いリップル効果を形成する可能性があり、システムノイズをほぼゼロに減らすこともできます。これは、無線周波数サブシステムにとって特に重要です。
ロジャースの材料と比較して、FR4は特に高頻度で、より高い散逸係数（DF）を持っています。高性能FR4ラミネートの場合、DF値は約0.002であり、これは通常のFR4よりも1桁優れています。ただし、Rogersのスタックはわずか0.001以下です。 FR4材料が高周波アプリケーションに使用される場合、挿入損失に大きな違いがあります。挿入損失は、FR4、ロジャース、またはその他の材料を使用する場合、ポイントAからポイントBへの信号の電力損失として定義されます。
問題を作成します
ウェアラブルPCBには、より厳格なインピーダンス制御が必要です。これは、ウェアラブルデバイスにとって重要な要素です。インピーダンスマッチングは、よりクリーンな信号伝送を生成できます。以前は、信号を運ぶ痕跡の標準的な許容範囲は±10％でした。このインジケータは、明らかに今日の高頻度および高速回路には十分ではありません。現在の要件は±7％で、場合によっては±5％以下です。このパラメーターとその他の変数は、特に厳格なインピーダンス制御を備えたこれらのウェアラブルPCBの製造に深刻な影響を与え、それによりそれらを製造できるビジネスの数を制限します。
Rogers UHF材料で作られたラミネートの誘電率耐性は、一般に±2％に維持されており、一部の製品は±1％に達することさえあります。対照的に、FR4ラミネートの誘電率耐性は10％にもなります。したがって、これらの2つの材料を比較すると、ロジャースの挿入損失が特に低いことがわかります。従来のFR4材料と比較して、ロジャーススタックのトランスミッション損失と挿入損失は半分低いです。
ほとんどの場合、コストが最も重要です。ただし、ロジャースは、許容可能な価格帯で比較的低い低下の高周波ラミネートパフォーマンスを提供できます。商用アプリケーションの場合、ロジャースはエポキシベースのFR4を備えたハイブリッドPCBにすることができ、その一部の層はロジャース素材を使用し、他の層はFR4を使用します。
Rogersスタックを選択するとき、周波数が主な考慮事項です。周波数が500MHzを超えると、PCB設計者は、特にRF/マイクロ波回路のためにRogersの材料を選択する傾向があります。これらの材料は、上部の痕跡がインピーダンスによって厳密に制御されるとより高いパフォーマンスを提供できるからです。
FR4材料と比較して、ロジャース材料は誘電損失を低下させることもでき、その誘電率は広い周波数範囲で安定しています。さらに、ロジャースの材料は、高周波動作に必要な理想的な低挿入損失パフォーマンスを提供できます。
Rogers 4000シリーズ材料の熱膨張係数（CTE）は、優れた寸法安定性を持っています。これは、PCBが冷たい、熱い、非常に高温のリフローはんだサイクルを受けるFR4と比較して、回路基板の熱膨張と収縮を、より高い周波数およびより高い温度サイクルで安定した制限で維持できることを意味します。
混合スタッキングの場合、一般的な製造プロセステクノロジーを使用してRogersと高性能FR4を混ぜることができます。したがって、高い製造利回りを達成するのは比較的簡単です。ロジャーススタックは、準備プロセスを介して特別なものを必要としません。
一般的なFR4は非常に信頼性の高い電気性能を達成することはできませんが、高性能のFR4材料は、より高いTG、依然として比較的低コストなどの優れた信頼性特性を持ち、単純なオーディオデザインから複雑な電子レンジアプリケーションまで、幅広いアプリケーションで使用できます。
RF/マイクロ波設計上の考慮事項
ポータブルテクノロジーとBluetoothは、ウェアラブルデバイスでのRF/マイクロ波アプリケーションの道を開いています。今日の周波数範囲はますます動的になりつつあります。数年前、非常に高頻度（VHF）が2GHz〜3GHzとして定義されていました。しかし、現在、10GHzから25GHzの範囲の超高周波数（UHF）アプリケーションを見ることができます。
したがって、ウェアラブルPCBの場合、RF部品は配線の問題にもっと注意を払う必要があり、信号を個別に分離する必要があり、高周波信号を生成するトレースは地面から遠ざけておく必要があります。その他の考慮事項には、バイパスフィルターの提供、適切な分離コンデンサ、接地、および送信ラインとリターンラインの設計がほぼ同じになります。
バイパスフィルターは、ノイズ含有量とクロストークの波紋効果を抑制することができます。デカップリングコンデンサは、電力信号を運ぶデバイスピンの近くに配置する必要があります。
高速伝送ラインと信号回路では、ノイズ信号によって生成されるジッターを滑らかにするために、電力層信号の間に接地層を配置する必要があります。より高い信号速度では、小さなインピーダンスの不一致が不均衡な伝送と信号の受信を引き起こし、歪みを引き起こします。したがって、無線周波数信号は高速で特別な耐性があるため、無線周波数信号に関連するインピーダンスマッチング問題に特別な注意を払う必要があります。
RF伝送ラインには、特定のIC基板からPCBにRF信号を送信するために、制御されたインピーダンスが必要です。これらの伝送ラインは、外側の層、上層、下層に実装することも、中間層で設計することもできます。
PCB RF設計レイアウトで使用される方法は、マイクロストリップライン、フローティングストリップライン、コプラナー導波路または接地です。マイクロストリップラインは、固定された長さの金属または痕跡と、その真下の接地面の一部または一部の一部で構成されています。一般的なマイクロストリップライン構造の特徴的なインピーダンスは、50Ωから75Ωの範囲です。
フローティングストリップラインは、配線とノイズ抑制のもう1つの方法です。このラインは、内側の層の固定幅配線と、中央導体の上下の大きな接地面で構成されています。接地面はパワープレーンの間に挟まれているため、非常に効果的な接地効果を提供できます。これは、ウェアラブルPCB RF信号配線に適した方法です。
Coplanar導波路は、RF回路と、より近くにルーティングする必要がある回路の近くでより良い分離を提供できます。この媒体は、いずれかの側または下の中央の導体と地上飛行機で構成されています。無線周波数信号を送信する最良の方法は、ストリップラインまたはコプラナー導波路を停止することです。これらの2つの方法は、信号とRFトレースの間のより良い分離を提供できます。
コプラナー導波路の両側にいわゆる「フェンス」を使用することをお勧めします。この方法では、中央導体の各金属グラウンドプレーンにグランドバイアの列を提供できます。中央で走るメイントレースには両側にフェンスがあるため、下の地面への戻り電流のショートカットが提供されます。この方法は、RF信号の高いリップル効果に関連するノイズレベルを低下させることができます。 4.5の誘電率は、PrepregのFR4材料と同じままですが、PrepREGの誘電率（マイクロストリップ、ストリップライン、またはオフセットストリップライン）は約3.8〜3.9です。
グランドプレーンを使用する一部のデバイスでは、ブラインドVIAを使用して、電力コンデンサのデカップリング性能を改善し、デバイスから地面へのシャントパスを提供できます。地面へのシャントパスは、VIAの長さを短くすることができます。これは2つの目的を達成できます。シャントまたはグラウンドを作成するだけでなく、重要なRF設計要因である小さな領域を持つデバイスの送信距離を削減します。