サイズとサイズが小さいため、成長するウェアラブルIoT市場向けの既存のプリント基板規格はほとんど存在しません。これらの規格が発表される前は、取締役会レベルの開発で学んだ知識と製造経験に頼って、新たに発生した特有の課題にそれらを適用する方法を考える必要がありました。特に注意が必要な領域が 3 つあります。それは、回路基板表面材料、RF/マイクロ波設計、および RF 伝送線路です。
プリント基板の材質
「PCB」は一般に積層板で構成されており、繊維強化エポキシ (FR4)、ポリイミド、ロジャース材料、またはその他の積層板材料で作られています。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 設計者が FR4 (最もコスト効率の高い PCB 製造材料) を使用するか、より高度で高価な材料を使用するかの選択に直面すると、これが問題になります。
ウェアラブル PCB アプリケーションで高速、高周波の材料が必要な場合、FR4 は最良の選択ではない可能性があります。 FR4 の誘電率 (Dk) は 4.5、より高度な Rogers 4003 シリーズ材料の誘電率は 3.55、兄弟シリーズの Rogers 4350 の誘電率は 3.66 です。
「積層体の誘電率とは、真空中の一対の導体間の静電容量またはエネルギーに対する、積層体近くの一対の導体間の静電容量またはエネルギーの比を指します。高周波では、損失が小さいことが最善です。したがって、誘電率 3.66 の Roger 4350 は、誘電率 4.5 の FR4 よりも高周波アプリケーションに適しています。
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。層構成の原則は、8 層 PCB の場合、十分なグランド層と電源層を提供し、配線層を挟むことができる必要があるということです。このようにして、クロストークの波及効果を最小限に抑えることができ、電磁干渉 (EMI) を大幅に低減できます。
回路基板のレイアウト設計段階では、一般に配電層の近くに大きなグランド層を配置するレイアウト計画になります。これにより、リップル効果が非常に低くなり、システムノイズもほぼゼロに低減されます。これは、無線周波数サブシステムにとって特に重要です。
ロジャース材料と比較して、FR4 は、特に高周波での損失係数 (Df) が高くなります。より高性能な FR4 ラミネートの場合、Df 値は約 0.002 で、これは通常の FR4 よりも 1 桁優れています。しかし、ロジャースのスタックはわずか0.001以下です。 FR4 材料を高周波用途に使用すると、挿入損失に大きな違いが生じます。挿入損失は、FR4、ロジャース、またはその他の材料を使用した場合の、ポイント A からポイント B までの信号の電力損失として定義されます。
問題を引き起こす
ウェアラブル PCB には、より厳密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により、よりクリーンな信号伝送が可能になります。以前は、信号伝送トレースの標準許容誤差は ±10% でした。この指標は、今日の高周波および高速回路には明らかに十分ではありません。電流要件は±7%、場合によっては±5%以下です。このパラメータおよびその他の変数は、特に厳密なインピーダンス制御を伴うウェアラブル PCB の製造に深刻な影響を与えるため、それらを製造できる企業の数が制限されます。
Rogers UHF 材料で作られた積層体の誘電率許容差は、通常 ±2% に維持され、製品によっては ±1% に達する場合もあります。対照的に、FR4 積層板の誘電率許容差は 10% にも及びます。したがって、これら 2 つの材料を比較すると、Rogers 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 スタックの伝送損失と挿入損失は半分です。
ほとんどの場合、コストが最も重要です。ただし、Rogers は比較的低損失の高周波ラミネート性能を許容可能な価格帯で提供できます。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 を使用してハイブリッド PCB にすることができ、その一部の層にはロジャース材料が使用され、他の層には FR4 が使用されます。
Rogers スタックを選択する場合、主に考慮すべき点は周波数です。周波数が 500MHz を超える場合、PCB 設計者は特に RF/マイクロ波回路にロジャース材料を選択する傾向があります。これは、これらの材料は上部トレースがインピーダンスによって厳密に制御されている場合により高いパフォーマンスを提供できるためです。
ロジャース材はFR4材と比較して誘電損失も低く、広い周波数範囲で比誘電率が安定しています。さらに、ロジャース材料は、高周波動作に必要な理想的な低挿入損失性能を提供します。
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、FR4 と比較して、PCB が低温、高温、および超高温のリフローはんだ付けサイクルを受ける場合、回路基板の熱膨張と熱収縮が、より高い周波数とより高い温度サイクル下でも安定した限界に維持できることを意味します。
混合積層の場合、一般的な製造プロセス技術を使用して Rogers と高性能 FR4 を混合することが容易であるため、高い製造歩留まりを達成することが比較的容易です。 Rogers スタックには、特別なビア準備プロセスは必要ありません。
一般的な FR4 は非常に信頼性の高い電気的性能を実現できませんが、高性能 FR4 材料は高い Tg などの優れた信頼性特性を持ち、それでも比較的低コストであり、単純なオーディオ設計から複雑なマイクロ波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 デバイスにおける RF/マイクロ波アプリケーションへの道を切り開きました。今日の周波数範囲はますますダイナミックになっています。数年前、超短波 (VHF) は 2GHz ～ 3GHz と定義されていました。しかし現在では、10 GHz から 25 GHz の範囲の超短波 (UHF) アプリケーションが見られるようになりました。
したがって、ウェアラブル PCB の場合、RF 部分は配線の問題にさらに注意を払う必要があり、信号を個別に分離し、高周波信号を生成する配線をグランドから遠ざける必要があります。その他の考慮事項としては、バイパス フィルター、適切なデカップリング コンデンサ、接地の提供、伝送ラインとリターン ラインがほぼ等しくなるように設計することが挙げられます。
バイパスフィルターはノイズ成分やクロストークの波及効果を抑えることができます。デカップリング コンデンサは、電力信号を伝送するデバイス ピンの近くに配置する必要があります。
高速伝送線路や信号回路では、ノイズ信号によって発生するジッターを平滑化するために、電源層信号の間にグランド層を配置する必要があります。信号速度が高くなると、小さなインピーダンスの不整合により信号の送受信が不均衡になり、結果として歪みが生じます。したがって、無線周波数信号は高速で特別な耐性を持っているため、無線周波数信号に関連するインピーダンス整合の問題には特別な注意を払う必要があります。
RF 伝送ラインでは、特定の IC 基板から PCB に RF 信号を伝送するために、制御されたインピーダンスが必要です。これらの伝送線路は、外層、最上層、最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 設計レイアウト中に使用される方法は、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、コプレーナ導波路、または接地です。マイクロストリップ ラインは、固定長の金属またはトレースと、その直下のグランド プレーン全体またはグランド プレーンの一部で構成されます。一般的なマイクロストリップライン構造の特性インピーダンスは 50Ω ～ 75Ω 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。この線路は、内層の固定幅配線と中心導体の上下の大きなグランドプレーンで構成されています。グランドプレーンは電源プレーンの間に挟まれているため、非常に効果的なグランド効果が得られます。これは、ウェアラブル PCB RF 信号配線に推奨される方法です。
コプレーナ導波路は、RF 回路およびより近くに配線する必要がある回路の近くでより優れた絶縁を提供できます。この媒体は、中心導体と両側または下のグランドプレーンで構成されます。無線周波数信号を送信する最良の方法は、ストリップ ラインまたはコプレーナ導波管を吊り下げることです。これら 2 つの方法により、信号トレースと RF トレース間の絶縁を向上させることができます。
コプレーナ導波路の両側にいわゆる「ビアフェンス」を使用することをお勧めします。この方法では、中心導体の各金属グランド プレーンにグランド ビアの列を設けることができます。中央を走るメイントレースには両側にフェンスがあり、下の地面への還流のショートカットを提供します。この方法により、RF 信号の高いリップル効果に伴うノイズ レベルを低減できます。誘電率 4.5 はプリプレグの FR4 材料と同じままですが、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 ストリップラインからのプリプレグの誘電率は約 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、パワーコンデンサのデカップリング性能を向上させ、デバイスからグランドへのシャントパスを提供するためにブラインドビアが使用される場合があります。グランドへのシャント パスにより、ビアの長さを短縮できます。これにより、2 つの目的を達成できます。1 つはシャントまたはグランドを作成するだけでなく、重要な RF 設計要素である小さな面積のデバイスの伝送距離を短縮することです。