크기와 크기가 작기 때문에 성장하는 웨어러블 IoT 시장에 맞는 기존 인쇄회로기판 표준은 거의 없습니다. 이러한 표준이 나오기 전에 우리는 이사회 수준 개발에서 배운 지식과 제조 경험에 의존하고 이를 독특하고 새로운 과제에 적용하는 방법을 생각해야 했습니다. 우리가 특별히 주의를 기울여야 할 세 가지 영역이 있습니다. 여기에는 회로 기판 표면 재료, RF/마이크로파 설계 및 RF 전송선이 포함됩니다.
PCB 재료
"PCB"는 일반적으로 섬유 강화 에폭시(FR4), 폴리이미드 또는 Rogers 재료 또는 기타 라미네이트 재료로 만들어질 수 있는 라미네이트로 구성됩니다. 서로 다른 층 사이의 단열재를 프리프레그라고 합니다.
웨어러블 장치는 높은 신뢰성을 요구하므로 PCB 설계자가 FR4(가장 비용 효과적인 PCB 제조 재료) 또는 더 진보되고 값비싼 재료를 선택해야 할 때 이것이 문제가 될 것입니다.
웨어러블 PCB 애플리케이션에 고속, 고주파 재료가 필요한 경우 FR4가 최선의 선택이 아닐 수 있습니다. FR4의 유전율(Dk)은 4.5이고, 더욱 발전된 Rogers 4003 시리즈 소재의 유전율은 3.55이며, Brother 시리즈 Rogers 4350의 유전율은 3.66입니다.
“라미네이트의 유전 상수는 라미네이트 근처의 한 쌍의 도체 사이의 커패시턴스 또는 에너지 대 진공 상태의 한 쌍의 도체 사이의 커패시턴스 또는 에너지의 비율을 나타냅니다. 고주파수에서는 손실이 작은 것이 가장 좋습니다. 따라서 유전 상수가 3.66인 Roger 4350은 유전 상수가 4.5인 FR4보다 고주파 응용 분야에 더 적합합니다.
일반적인 상황에서 웨어러블 장치의 PCB 레이어 수는 4~8 레이어입니다. 레이어 구성의 원리는 8레이어 PCB라면 충분한 접지층과 전원층을 제공하고 배선층을 끼울 수 있어야 한다는 것이다. 이러한 방식으로 누화의 파급 효과를 최소한으로 유지하고 전자기 간섭(EMI)을 크게 줄일 수 있습니다.
회로 기판 레이아웃 설계 단계에서 레이아웃 계획은 일반적으로 배전 레이어 근처에 큰 접지 레이어를 배치하는 것입니다. 이는 매우 낮은 파급 효과를 형성할 수 있으며 시스템 소음도 거의 0으로 줄일 수 있습니다. 이는 무선 주파수 하위 시스템에 특히 중요합니다.
Rogers 소재와 비교하여 FR4는 특히 고주파수에서 더 높은 소산계수(Df)를 갖습니다. 고성능 FR4 라미네이트의 경우 Df 값은 약 0.002로 일반 FR4보다 훨씬 더 좋습니다. 그러나 Rogers의 스택은 0.001 이하에 불과합니다. FR4 재료를 고주파 애플리케이션에 사용하는 경우 삽입 손실에 상당한 차이가 있습니다. 삽입 손실은 FR4, Rogers 또는 기타 재료를 사용할 때 A 지점에서 B 지점으로의 신호 전력 손실로 정의됩니다.
문제를 일으키다
웨어러블 PCB에는 보다 엄격한 임피던스 제어가 필요합니다. 이는 웨어러블 디바이스에 중요한 요소입니다. 임피던스 매칭을 통해 보다 깨끗한 신호 전송이 가능합니다. 이전에는 신호 전달 트레이스에 대한 표준 허용 오차가 ±10%였습니다. 이 표시기는 오늘날의 고주파수 및 고속 회로에는 분명히 충분하지 않습니다. 현재 요구 사항은 ±7%이며 경우에 따라 ±5% 이하도 됩니다. 이 매개변수 및 기타 변수는 특히 엄격한 임피던스 제어를 통해 이러한 웨어러블 PCB의 제조에 심각한 영향을 미치므로 이를 제조할 수 있는 기업의 수가 제한됩니다.
Rogers UHF 소재로 제작된 라미네이트의 유전율 허용 오차는 일반적으로 ±2%로 유지되며 일부 제품은 ±1%에 도달할 수도 있습니다. 대조적으로, FR4 라미네이트의 유전 상수 허용 오차는 10%만큼 높습니다. 따라서 이 두 재료를 비교하면 Rogers의 삽입 손실이 특히 낮다는 것을 알 수 있습니다. 기존 FR4 소재와 비교하여 Rogers 스택의 전송 손실과 삽입 손실은 절반으로 낮습니다.
대부분의 경우 비용이 가장 중요합니다. 그러나 Rogers는 허용 가능한 가격대에서 상대적으로 손실이 낮은 고주파 라미네이트 성능을 제공할 수 있습니다. 상업용 응용 분야의 경우 Rogers는 에폭시 기반 FR4를 사용하여 하이브리드 PCB로 만들 수 있으며, 일부 레이어는 Rogers 재료를 사용하고 다른 레이어는 FR4를 사용합니다.
Rogers 스택을 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 사항은 주파수입니다. 주파수가 500MHz를 초과하는 경우 PCB 설계자는 특히 RF/마이크로파 회로에 Rogers 재료를 선택하는 경향이 있습니다. 왜냐하면 이러한 재료는 상부 트레이스가 임피던스에 의해 엄격하게 제어될 때 더 높은 성능을 제공할 수 있기 때문입니다.
FR4 소재와 비교하여 Rogers 소재는 낮은 유전 손실을 제공할 수 있으며 유전 상수는 넓은 주파수 범위에서 안정적입니다. 또한 Rogers 소재는 고주파 작동에 필요한 이상적인 낮은 삽입 손실 성능을 제공할 수 있습니다.
Rogers 4000 시리즈 소재의 열팽창계수(CTE)는 치수 안정성이 뛰어납니다. 이는 FR4와 비교하여 PCB가 저온, 고온 및 초고온 리플로우 솔더링 사이클을 겪을 때 회로 기판의 열팽창 및 수축이 더 높은 주파수 및 더 높은 온도 사이클에서 안정적인 한계로 유지될 수 있음을 의미합니다.
Mixed Stacking의 경우 일반적인 제조 공정 기술을 이용하여 Rogers와 고성능 FR4를 혼합하는 것이 용이하므로 상대적으로 높은 제조 수율을 달성하기가 쉽습니다. Rogers 스택에는 특별한 비아 준비 프로세스가 필요하지 않습니다.
일반적인 FR4는 매우 신뢰할 수 있는 전기적 성능을 달성할 수 없지만 고성능 FR4 재료는 더 높은 Tg와 같은 우수한 신뢰성 특성을 가지며 여전히 상대적으로 저렴한 비용을 가지며 간단한 오디오 설계에서 복잡한 마이크로파 애플리케이션에 이르기까지 광범위한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. .
RF/마이크로파 설계 고려 사항
휴대용 기술과 Bluetooth는 웨어러블 장치의 RF/마이크로파 애플리케이션을 위한 길을 열었습니다. 오늘날의 주파수 범위는 점점 더 역동적으로 변하고 있습니다. 몇 년 전만 해도 초고주파(VHF)는 2GHz~3GHz로 정의됐다. 하지만 이제는 10GHz~25GHz 범위의 초고주파(UHF) 애플리케이션을 볼 수 있습니다.
따라서 웨어러블 PCB의 경우 RF 부분은 배선 문제에 더욱 주의가 필요하며, 신호를 별도로 분리해야 하며, 고주파 신호를 생성하는 트레이스가 접지에서 멀리 떨어져 있어야 합니다. 기타 고려 사항에는 바이패스 필터 제공, 적절한 디커플링 커패시터, 접지, 전송 라인과 리턴 라인이 거의 동일하도록 설계하는 것이 포함됩니다.
바이패스 필터는 잡음 함량과 누화의 파급 효과를 억제할 수 있습니다. 디커플링 커패시터는 전원 신호를 전달하는 장치 핀에 더 가깝게 배치해야 합니다.
고속 전송선과 신호 회로에서는 잡음 신호로 인해 발생하는 지터를 완화하기 위해 전력층 신호 사이에 접지층을 배치해야 합니다. 더 높은 신호 속도에서는 작은 임피던스 불일치로 인해 신호 전송 및 수신의 불균형이 발생하여 왜곡이 발생합니다. 따라서 무선 주파수 신호는 빠른 속도와 특별한 허용 오차를 갖기 때문에 무선 주파수 신호와 관련된 임피던스 정합 문제에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
RF 전송 라인은 특정 IC 기판에서 PCB로 RF 신호를 전송하기 위해 제어된 임피던스가 필요합니다. 이러한 전송선은 외부 레이어, 상단 레이어, 하단 레이어에 구현되거나 중간 레이어에 설계될 수 있습니다.
PCB RF 설계 레이아웃 중에 사용되는 방법은 마이크로스트립 라인, 플로팅 스트립 라인, 동일 평면 도파관 또는 접지입니다. 마이크로스트립 라인은 고정된 길이의 금속 또는 트레이스와 전체 접지면 또는 그 바로 아래 접지면의 일부로 구성됩니다. 일반적인 마이크로스트립 라인 구조의 특성 임피던스는 50Ω ~ 75Ω입니다.
플로팅 스트립라인은 배선 및 소음 억제의 또 다른 방법입니다. 이 라인은 내부 레이어의 고정 폭 배선과 중앙 도체 위와 아래의 대형 접지면으로 구성됩니다. 접지면은 전원면 사이에 끼워져 있으므로 매우 효과적인 접지 효과를 제공할 수 있습니다. 이는 웨어러블 PCB RF 신호 배선에 선호되는 방법입니다.
동일 평면 도파관은 RF 회로와 더 가깝게 라우팅해야 하는 회로 근처에서 더 나은 절연을 제공할 수 있습니다. 이 매체는 양쪽 또는 아래에 있는 중앙 도체와 접지면으로 구성됩니다. 무선 주파수 신호를 전송하는 가장 좋은 방법은 스트립 라인이나 동일 평면 도파관을 중단하는 것입니다. 이 두 가지 방법은 신호와 RF 트레이스 간에 더 나은 격리를 제공할 수 있습니다.
동일 평면 도파관의 양쪽에 소위 "비아 펜스"를 사용하는 것이 좋습니다. 이 방법은 중앙 도체의 각 금속 접지면에 일련의 접지 비아를 제공할 수 있습니다. 중앙에 있는 메인 트레이스에는 양쪽에 울타리가 있어 아래 지면으로의 복귀 전류에 대한 지름길을 제공합니다. 이 방법을 사용하면 RF 신호의 높은 파급 효과와 관련된 잡음 수준을 줄일 수 있습니다. 4.5의 유전 상수는 프리프레그의 FR4 재료와 동일하게 유지되는 반면, 프리프레그의 유전 상수(마이크로스트립, 스트립라인 또는 오프셋 스트립라인)는 약 3.8~3.9입니다.
접지면을 사용하는 일부 장치에서는 전력 커패시터의 디커플링 성능을 향상시키고 장치에서 접지까지의 션트 경로를 제공하기 위해 블라인드 비아를 사용할 수 있습니다. 접지로의 션트 경로는 비아의 길이를 단축할 수 있습니다. 이는 두 가지 목적을 달성할 수 있습니다. 션트 또는 접지를 생성할 뿐만 아니라 중요한 RF 설계 요소인 작은 영역의 장치의 전송 거리를 줄이는 것입니다.