크기와 크기가 작기 때문에 웨어러블 IoT 시장에 대한 기존 인쇄 회로 보드 표준은 거의 없습니다. 이러한 표준이 나오기 전에, 우리는 보드 수준 개발에서 배운 지식 및 제조 경험에 의존하고 독특한 새로운 도전에 적용하는 방법에 대해 생각해야했습니다. 우리의 특별한주의가 필요한 세 가지 영역이 있습니다. 회로 보드 표면 재료, RF/마이크로파 설계 및 RF 변속기 라인.
PCB 재료
"PCB"는 일반적으로 라미네이트로 구성되며, 섬유 강화 에폭시 (FR4), 폴리이 미드 또는 로저스 재료 또는 기타 라미네이트 물질로 만들어 질 수 있습니다. 다른 층 사이의 절연 재료를 Prepreg라고합니다.
웨어러블 장치에는 높은 신뢰성이 필요하므로 PCB 디자이너가 FR4 (가장 비용 효율적인 PCB 제조 재료) 또는 더 고급스럽고 비싼 재료를 사용하는 선택에 직면 할 때 문제가됩니다.
웨어러블 PCB 애플리케이션에 고속 고주파 재료가 필요한 경우 FR4가 최선의 선택이 아닐 수도 있습니다. FR4의 유전 상수 (DK)는 4.5, 더 고급 로저스 4003 시리즈 재료의 유전 상수는 3.55이고, 형제 시리즈 Rogers 4350의 유전 상수는 3.66입니다.
“라미네이트의 유전체 상수는 라미네이트 근처의 층 근처의 도체 쌍에 대한 쌍의 도체 쌍의 진공 상태 또는 에너지 사이의 커패시턴스 또는 에너지의 비율을 지칭한다. 고주파수에서는 작은 손실을 갖는 것이 가장 좋습니다. 따라서 3.66의 유전체 구성보다 더 높은 주파수를 갖는 로저 4350은 4.5가 더 많은 경우에 더 적합합니다.
정상적인 상황에서는 웨어러블 장치의 PCB 층의 수는 4 ~ 8 층입니다. 레이어 구조의 원리는 8 층 PCB 인 경우 충분한 접지 및 전력 레이어를 제공하고 배선 레이어를 샌드위치 할 수 있어야한다는 것입니다. 이러한 방식으로, Crosstalk의 파급 효과는 최소로 유지 될 수 있으며 전자기 간섭 (EMI)은 상당히 감소 될 수 있습니다.
회로 보드 레이아웃 설계 단계에서 레이아웃 계획은 일반적으로 큰 접지 레이어를 전력 분배 레이어에 가깝게 배치하는 것입니다. 이는 파급 효과가 매우 낮을 수 있으며 시스템 노이즈는 거의 0으로 감소 될 수 있습니다. 이것은 무선 주파수 서브 시스템에 특히 중요합니다.
Rogers 재료와 비교하여 FR4는 특히 고주파에서 더 높은 소산 인자 (DF)를 갖는다. 더 높은 성능 FR4 라미네이트의 경우, DF 값은 약 0.002이며, 이는 일반 FR4보다 우수한 순서입니다. 그러나 Rogers의 스택은 0.001 이하입니다. FR4 재료가 고주파 응용 분야에 사용되면 삽입 손실에 상당한 차이가있을 것입니다. FR4, Rogers 또는 기타 재료를 사용할 때 삽입 손실은 지점 A에서 지점 B로 신호의 전력 손실로 정의됩니다.
문제를 만듭니다
웨어러블 PCB에는 엄격한 임피던스 제어가 필요합니다. 이것은 웨어러블 장치의 중요한 요소입니다. 임피던스 매칭은 더 깨끗한 신호 전송을 생성 할 수 있습니다. 이전에, 신호 전달 트레이스에 대한 표준 공차는 ± 10%였다. 이 지표는 오늘날의 고주파 및 고속 회로에 충분하지 않습니다. 현재 요구 사항은 ± 7%이며 경우에 따라 ± 5% 이하입니다. 이 매개 변수 및 기타 변수는 특히 엄격한 임피던스 제어 기능을 갖춘 이러한 웨어러블 PCB의 제조에 심각한 영향을 미쳐 제조 할 수있는 비즈니스 수를 제한합니다.
Rogers UHF 재료로 만든 라미네이트의 유전체 상수 내성은 일반적으로 ± 2%로 유지되며 일부 제품은 ± 1%에 도달 할 수 있습니다. 대조적으로, FR4 라미네이트의 유전성 상수 내성은 10%로 높다. 따라서이 두 재료를 비교하면 Rogers의 삽입 손실이 특히 낮다는 것을 알 수 있습니다. 전통적인 FR4 재료와 비교하여, 로저스 스택의 전송 손실 및 삽입 손실은 절반이 낮다.
대부분의 경우 비용이 가장 중요합니다. 그러나 Rogers는 허용 가능한 가격대에서 상대적으로 저소로 고주파 라미네이트 성능을 제공 할 수 있습니다. 상업용 응용 분야의 경우 로저스는 에폭시 기반 FR4를 갖춘 하이브리드 PCB로 만들 수 있으며, 일부 층은 Rogers 재료를 사용하고 다른 층은 FR4를 사용합니다.
로저스 스택을 선택할 때 주파수가 주요 고려 사항입니다. 주파수가 500MHz를 초과하면 PCB 디자이너는 특히 RF/전자 레인지 회로의 경우 Rogers 재료를 선택하는 경향이 있습니다. 왜냐하면 상부 트레이스가 임피던스에 의해 엄격하게 제어 될 때 이러한 재료는 더 높은 성능을 제공 할 수 있기 때문입니다.
FR4 재료와 비교하여 로저스 재료는 또한 더 낮은 유전체 손실을 제공 할 수 있으며, 유전 상수는 넓은 주파수 범위에서 안정적입니다. 또한 로저스 재료는 고주파 작동에 필요한 이상적인 저 삽입 손실 성능을 제공 할 수 있습니다.
Rogers 4000 시리즈 재료의 열 팽창 계수 (CTE)는 탁월한 치수 안정성을 갖습니다. 이는 PCB가 차갑고 뜨겁고 핫 리플 로우 솔더링 사이클을 겪을 때 FR4와 비교하여 회로 보드의 열 팽창 및 수축은 더 높은 주파수 및 고온 사이클에서 안정적인 한계로 유지 될 수 있음을 의미합니다.
혼합 스태킹의 경우, 로저스와 고성능 FR4를 함께 혼합하기 위해 일반적인 제조 공정 기술을 사용하기 쉽기 때문에 높은 제조 수율을 달성하는 것은 비교적 쉽습니다. Rogers Stack은 준비 과정을 통해 특별한 특별한 것이 필요하지 않습니다.
일반적인 FR4는 매우 신뢰할 수있는 전기 성능을 달성 할 수 없지만 고성능 FR4 재료는 높은 TG, 여전히 상대적으로 저렴한 비용과 같은 우수한 신뢰성 특성을 가지며 간단한 오디오 설계에서 복잡한 마이크로파 애플리케이션에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
RF/전자 레인지 설계 고려 사항
휴대용 기술과 블루투스는 웨어러블 장치의 RF/마이크로파 애플리케이션을위한 길을 열었습니다. 오늘날의 주파수 범위는 점점 더 역동적이되고 있습니다. 몇 년 전, 매우 높은 빈도 (VHF)는 2GHz ~ 3GHz로 정의되었습니다. 그러나 이제 우리는 10GHz ~ 25GHz 범위의 초고 주파수 (UHF) 응용 프로그램을 볼 수 있습니다.
따라서 웨어러블 PCB의 경우 RF 부품은 배선 문제에 더 많은주의를 기울여야하며 신호는 별도로 분리되어야하며 고주파 신호를 생성하는 흔적은지면에서 멀리 떨어져 있어야합니다. 기타 고려 사항에는 바이 패스 필터 제공, 적절한 분리 커패시터 제공, 접지 및 변속기 라인 및 리턴 라인을 거의 동일하게 설계합니다.
바이 패스 필터는 노이즈 함량과 크로스 토크의 파급 효과를 억제 할 수 있습니다. 커플 링 커패시터는 전원 신호를 전달하는 장치 핀에 더 가깝게 배치해야합니다.
고속 변속기 라인 및 신호 회로는 노이즈 신호에 의해 생성 된 지터를 부드럽게하기 위해 전력 층 신호 사이에 접지 층을 배치해야합니다. 신호 속도가 높을수록 작은 임피던스 불일치는 불균형 전송 및 신호의 수용을 유발하여 왜곡이 발생합니다. 따라서 무선 주파수 신호가 고속과 특수 공차를 가지기 때문에 무선 주파수 신호와 관련된 임피던스 매칭 문제에 특별한주의를 기울여야합니다.
RF 전송 라인은 특정 IC 기판에서 PCB 로의 RF 신호를 전송하기 위해 제어 된 임피던스가 필요합니다. 이 전송 라인은 외부 층, 상단 레이어 및 하단 층에서 구현 될 수 있거나 중간 층에서 설계 될 수 있습니다.
PCB RF 설계 레이아웃 중에 사용 된 방법은 마이크로 스트립 라인, 부동 문자 라인, 코플라나 당 도파관 또는 접지입니다. 마이크로 스트립 라인은 고정 된 길이의 금속 또는 트레이스, 그리고 그 아래 바로 아래의 접지 평면의 일부로 구성됩니다. 일반적인 마이크로 스트립 라인 구조의 특징적인 임피던스는 50Ω ~ 75Ω입니다.
플로팅 스트립 라인은 배선 및 소음 억제의 또 다른 방법입니다. 이 라인은 내부 층의 고정형 배선과 중앙 도체 위와 아래의 큰 접지 평면으로 구성됩니다. 접지 비행기는 파워 평면 사이에 샌드위치되어 있으므로 매우 효과적인 접지 효과를 제공 할 수 있습니다. 이것은 웨어러블 PCB RF 신호 배선에 선호되는 방법입니다.
Coplanar 도파관은 RF 회로 근처에서 더 나은 분리를 제공 할 수 있으며 회로를 더 가까이 라우팅해야합니다. 이 매체는 중앙 도체 및 양쪽 또는 아래의 지상 비행기로 구성됩니다. 무선 주파수 신호를 전송하는 가장 좋은 방법은 스트립 라인 또는 Coplanar 도파관을 중단하는 것입니다. 이 두 방법은 신호와 RF 트레이스 사이에 더 나은 분리를 제공 할 수 있습니다.
Coplanar 도파관의 양쪽에 소위“비아 울타리”를 사용하는 것이 좋습니다. 이 방법은 중심 도체의 각 금속 접지 평면에지면 비아 행을 제공 할 수 있습니다. 가운데에서 실행되는 주요 흔적에는 양쪽에 울타리가있어 아래지면으로의 전류를위한 바로 가기가 제공됩니다. 이 방법은 RF 신호의 높은 파급 효과와 관련된 노이즈 레벨을 줄일 수 있습니다. 4.5의 유전 상수는 Prepreg의 FR4 재료와 동일하게 유지되는 반면, Prepreg의 유전 상수 (마이크로 스트립, 스트립 라인 또는 오프셋 스트립 라인)는 약 3.8 ~ 3.9입니다.
접지 평면을 사용하는 일부 장치에서는 블라인드 비아가 전력 커패시터의 분리 성능을 향상시키고 장치에서지면으로 분로 경로를 제공하는 데 사용될 수 있습니다. 지면으로의 분로 경로는 비아의 길이를 단축 할 수 있습니다. 이는 두 가지 목적을 달성 할 수 있습니다. 션트 나 접지를 만들뿐만 아니라 작은 영역으로 장치의 전송 거리를 줄이며 이는 중요한 RF 설계 요소입니다.
