सानो साइज र साइजको कारण, बढ्दो पहिरन योग्य IoT बजारको लागि लगभग कुनै अवस्थित मुद्रित सर्किट बोर्ड मानकहरू छैनन्। यी मापदण्डहरू बाहिर आउनु अघि, हामीले बोर्ड-स्तरको विकासमा सिकेका ज्ञान र निर्माण अनुभवमा भर पर्नुपर्थ्यो र तिनीहरूलाई अनौठो उदीयमान चुनौतीहरूमा कसरी लागू गर्ने भनेर सोच्नुपर्थ्यो। त्यहाँ तीन क्षेत्रहरू छन् जुन हाम्रो विशेष ध्यान आवश्यक छ। तिनीहरू हुन्: सर्किट बोर्ड सतह सामग्री, आरएफ/माइक्रोवेभ डिजाइन र आरएफ प्रसारण लाइनहरू।
पीसीबी सामग्री
"PCB" मा सामान्यतया ल्यामिनेटहरू हुन्छन्, जुन फाइबर-प्रबलित इपोक्सी (FR4), पोलिमाइड वा रोजर्स सामग्री वा अन्य ल्यामिनेट सामग्रीहरूबाट बनेको हुन सक्छ। विभिन्न तहहरू बीच इन्सुलेट सामग्री एक prepreg भनिन्छ।
पहिरन योग्य उपकरणहरूलाई उच्च विश्वसनीयता चाहिन्छ, त्यसैले जब PCB डिजाइनरहरूले FR4 (सबैभन्दा लागत-प्रभावी PCB निर्माण सामग्री) वा अधिक उन्नत र अधिक महँगो सामग्रीहरू प्रयोग गर्ने छनौटको सामना गर्नुपर्यो, यो समस्या हुनेछ।
यदि पहिरनयोग्य PCB अनुप्रयोगहरूलाई उच्च-गति, उच्च-फ्रिक्वेन्सी सामग्री चाहिन्छ भने, FR4 उत्तम विकल्प नहुन सक्छ। FR4 को डाइइलेक्ट्रिक कन्सटेन्ट (Dk) 4.5 हो, अधिक उन्नत रोजर्स 4003 शृङ्खलाको सामग्रीको डाइइलेक्ट्रिक स्थिरता 3.55 हो, र भाइ सिरिज रोजर्स 4350 को डाइइलेक्ट्रिक स्थिरता 3.66 हो।
"लेमिनेटको डाइइलेक्ट्रिक स्थिरताले ल्यामिनेट नजिकको कन्डक्टरहरूको जोडीको क्यापेसिटन्स वा भ्याकुममा कन्डक्टरहरूको जोडी बीचको ऊर्जाको क्यापेसिटन्स वा ऊर्जाको अनुपातलाई जनाउँछ। उच्च फ्रिक्वेन्सीहरूमा, सानो हानि हुनु उत्तम हुन्छ। त्यसैले, 3.66 को डाइलेक्ट्रिक स्थिरता भएको रोजर 4350 उच्च फ्रिक्वेन्सी अनुप्रयोगहरूको लागि 4.5 को डाइलेक्ट्रिक स्थिरता भएको FR4 भन्दा बढी उपयुक्त छ।
सामान्य परिस्थितिमा, पहिरन योग्य यन्त्रहरूको लागि PCB तहहरूको संख्या 4 देखि 8 तहहरूमा हुन्छ। तह निर्माणको सिद्धान्त यो हो कि यदि यो 8-तह पीसीबी हो भने, यसले पर्याप्त ग्राउन्ड र पावर लेयरहरू प्रदान गर्न र तारिङ तहलाई स्यान्डविच गर्न सक्षम हुनुपर्छ। यसरी, क्रसस्टकमा रिपल प्रभावलाई न्यूनतम राख्न सकिन्छ र इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक हस्तक्षेप (EMI) लाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्न सकिन्छ।
सर्किट बोर्ड लेआउट डिजाइन चरणमा, लेआउट योजना सामान्यतया पावर वितरण तहको नजिक ठूलो जमीन तह राख्नु हो। यसले धेरै कम लहर प्रभाव बनाउन सक्छ, र प्रणाली शोर पनि लगभग शून्यमा कम गर्न सकिन्छ। यो विशेष गरी रेडियो फ्रिक्वेन्सी उपप्रणालीको लागि महत्त्वपूर्ण छ।
रोजर्स सामग्रीको तुलनामा, FR4 सँग उच्च अपव्यय कारक (Df) छ, विशेष गरी उच्च आवृत्तिमा। उच्च प्रदर्शन FR4 ल्यामिनेटहरूको लागि, Df मान लगभग 0.002 छ, जुन सामान्य FR4 भन्दा राम्रो परिमाणको अर्डर हो। यद्यपि, रोजर्सको स्ट्याक मात्र ०.००१ वा कम छ। जब FR4 सामग्री उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगहरूको लागि प्रयोग गरिन्छ, त्यहाँ सम्मिलन हानि मा एक महत्वपूर्ण भिन्नता हुनेछ। FR4, रोजर्स वा अन्य सामग्रीहरू प्रयोग गर्दा बिन्दु A देखि बिन्दु B सम्म संकेतको शक्ति हानिको रूपमा सम्मिलन घाटा परिभाषित गरिएको छ।
समस्याहरू सिर्जना गर्ने
पहिरन योग्य PCB लाई कडा प्रतिबाधा नियन्त्रण चाहिन्छ। यो पहिरन योग्य उपकरणहरूको लागि एक महत्त्वपूर्ण कारक हो। प्रतिबाधा मिलानले क्लिनर सिग्नल प्रसारण उत्पादन गर्न सक्छ। पहिले, संकेत बोक्ने ट्रेसहरूको लागि मानक सहिष्णुता ± 10% थियो। यो सूचक स्पष्ट रूपमा आजको उच्च-फ्रिक्वेन्सी र उच्च-गति सर्किटहरूको लागि पर्याप्त छैन। हालको आवश्यकता ±7% हो, र केही अवस्थामा पनि ±5% वा कम। यो प्यारामिटर र अन्य चरहरूले विशेष रूपमा कडा प्रतिबाधा नियन्त्रणको साथ यी पहिरन योग्य PCBs को निर्माणलाई गम्भीर रूपमा असर गर्नेछ, जसले तिनीहरूलाई उत्पादन गर्न सक्ने व्यवसायहरूको संख्या सीमित गर्दछ।
रोजर्स UHF सामग्रीबाट बनेको ल्यामिनेटको डाइलेक्ट्रिक स्थिर सहिष्णुता सामान्यतया ±2% मा राखिन्छ, र केहि उत्पादनहरू ±1% सम्म पुग्न सक्छ। यसको विपरित, FR4 ल्यामिनेटको डाइलेक्ट्रिक स्थिर सहिष्णुता 10% को रूपमा उच्च छ। त्यसकारण, तुलना गर्नुहोस् यी दुई सामग्रीहरू फेला पार्न सकिन्छ कि रोजर्सको सम्मिलन हानि विशेष गरी कम छ। परम्परागत FR4 सामग्रीको तुलनामा, रोजर्स स्ट्याकको प्रसारण हानि र सम्मिलन हानि आधा कम छ।
धेरै अवस्थामा, लागत सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण छ। यद्यपि, रोजर्सले स्वीकार्य मूल्य बिन्दुमा अपेक्षाकृत कम-हानि उच्च-फ्रिक्वेन्सी ल्यामिनेट प्रदर्शन प्रदान गर्न सक्छ। व्यावसायिक अनुप्रयोगहरूको लागि, रोजर्सलाई epoxy-आधारित FR4 सँग हाइब्रिड PCB बनाउन सकिन्छ, जसका केही तहहरूले रोजर्स सामग्री प्रयोग गर्छन्, र अन्य तहहरूले FR4 प्रयोग गर्छन्।
रोजर्स स्ट्याक छनौट गर्दा, आवृत्ति प्राथमिक विचार हो। जब फ्रिक्वेन्सी 500MHz नाघ्छ, PCB डिजाइनरहरू रोजर्स सामग्रीहरू छनौट गर्छन्, विशेष गरी RF/माइक्रोवेभ सर्किटहरूका लागि, किनभने यी सामग्रीहरूले उच्च प्रदर्शन प्रदान गर्न सक्छन् जब माथिल्लो ट्रेसहरू प्रतिबाधाद्वारा कडा रूपमा नियन्त्रण गरिन्छ।
FR4 सामग्रीसँग तुलना गर्दा, रोजर्स सामग्रीले कम डाइलेक्ट्रिक हानि पनि प्रदान गर्न सक्छ, र यसको डाइलेक्ट्रिक स्थिरता व्यापक आवृत्ति दायरामा स्थिर छ। थप रूपमा, रोजर्स सामग्रीले उच्च फ्रिक्वेन्सी अपरेशन द्वारा आवश्यक कम सम्मिलन हानि प्रदर्शन प्रदान गर्न सक्छ।
रोजर्स 4000 श्रृंखला सामग्रीको थर्मल विस्तार (CTE) को गुणांक उत्कृष्ट आयामी स्थिरता छ। यसको मतलब यो हो कि FR4 सँग तुलना गर्दा, PCB ले चिसो, तातो र धेरै तातो रिफ्लो सोल्डरिङ चक्रहरू पार गर्दा, सर्किट बोर्डको थर्मल विस्तार र संकुचन उच्च आवृत्ति र उच्च तापक्रम चक्र अन्तर्गत स्थिर सीमामा कायम गर्न सकिन्छ।
मिश्रित स्ट्याकिङको मामलामा, रोजर्स र उच्च-प्रदर्शन FR4 एकसाथ मिश्रण गर्न साझा निर्माण प्रक्रिया प्रविधि प्रयोग गर्न सजिलो छ, त्यसैले उच्च उत्पादन उपज प्राप्त गर्न अपेक्षाकृत सजिलो छ। रोजर्स स्ट्याक तयारी प्रक्रिया मार्फत विशेष आवश्यकता छैन।
सामान्य FR4 ले धेरै भरपर्दो विद्युतीय कार्यसम्पादन हासिल गर्न सक्दैन, तर उच्च-प्रदर्शन FR4 सामग्रीहरूमा राम्रो विश्वसनीयता विशेषताहरू हुन्छन्, जस्तै उच्च Tg, अझै पनि अपेक्षाकृत कम लागत, र अनुप्रयोगहरूको विस्तृत दायरामा प्रयोग गर्न सकिन्छ, साधारण अडियो डिजाइनदेखि जटिल माइक्रोवेभ अनुप्रयोगहरूमा। ।
आरएफ/माइक्रोवेभ डिजाइन विचार
पोर्टेबल टेक्नोलोजी र ब्लुटुथले पहिरन योग्य उपकरणहरूमा RF/माइक्रोवेभ अनुप्रयोगहरूको लागि मार्ग प्रशस्त गरेको छ। आजको फ्रिक्वेन्सी दायरा अधिक र अधिक गतिशील हुँदै गइरहेको छ। केही वर्ष पहिले, धेरै उच्च आवृत्ति (VHF) 2GHz ~ 3GHz को रूपमा परिभाषित गरिएको थियो। तर अब हामी 10GHz देखि 25GHz सम्मको अल्ट्रा-हाई फ्रिक्वेन्सी (UHF) अनुप्रयोगहरू देख्न सक्छौं।
तसर्थ, पहिरन मिल्ने PCB को लागि, RF भागलाई तारिङ्गका समस्याहरूमा बढी ध्यान दिनु आवश्यक छ, र संकेतहरू अलग-अलग छुट्याउनुपर्दछ, र उच्च-फ्रिक्वेन्सी संकेतहरू उत्पन्न गर्ने ट्रेसहरूलाई जमिनबाट टाढा राख्नुपर्छ। अन्य विचारहरू समावेश छन्: बाइपास फिल्टर उपलब्ध गराउने, पर्याप्त डिकपलिंग क्यापेसिटरहरू, ग्राउन्डिङ, र प्रसारण लाइन डिजाइन गर्ने र रिटर्न लाइन लगभग बराबर हुन।
बाइपास फिल्टरले आवाज सामग्री र क्रसस्टकको लहर प्रभावलाई दबाउन सक्छ। डिकपलिंग क्यापेसिटरहरू पावर सिग्नलहरू बोक्ने यन्त्र पिनको नजिक राख्नुपर्छ।
हाई-स्पीड ट्रान्समिशन लाइनहरू र सिग्नल सर्किटहरूलाई आवाज संकेतहरूद्वारा उत्पन्न हुने जिटरलाई सहज बनाउन पावर लेयर सिग्नलहरू बीचमा ग्राउन्ड लेयर राख्न आवश्यक छ। उच्च सिग्नल गतिमा, सानो प्रतिबाधा बेमेलहरूले असन्तुलित प्रसारण र सिग्नलहरूको रिसेप्शन निम्त्याउनेछ, जसको परिणामस्वरूप विकृति हुन्छ। तसर्थ, रेडियो फ्रिक्वेन्सी सिग्नलसँग सम्बन्धित प्रतिबाधा मिल्दो समस्यामा विशेष ध्यान दिनुपर्छ, किनभने रेडियो फ्रिक्वेन्सी सिग्नलको उच्च गति र विशेष सहिष्णुता छ।
RF प्रसारण लाइनहरूलाई PCB मा विशिष्ट IC सब्सट्रेटबाट RF संकेतहरू प्रसारण गर्न नियन्त्रित प्रतिबाधा चाहिन्छ। यी प्रसारण लाइनहरू बाहिरी तह, माथिल्लो तह र तल्लो तहमा लागू गर्न सकिन्छ, वा मध्य तहमा डिजाइन गर्न सकिन्छ।
PCB RF डिजाइन लेआउटमा प्रयोग गरिएका विधिहरू माइक्रोस्ट्रिप लाइन, फ्लोटिंग स्ट्रिप लाइन, कोप्लनर वेभगाइड वा ग्राउन्डिङ हुन्। माइक्रोस्ट्रिप लाइनमा धातु वा ट्रेसहरूको निश्चित लम्बाइ र सम्पूर्ण ग्राउन्ड प्लेन वा ग्राउन्ड प्लेनको सीधा तलको भाग समावेश हुन्छ। सामान्य माइक्रोस्ट्रिप लाइन संरचनामा विशेषता प्रतिबाधा 50Ω देखि 75Ω सम्म हुन्छ।
फ्लोटिंग स्ट्रिपलाइन तार र आवाज दमन को अर्को तरिका हो। यो रेखा भित्री तहमा निश्चित-चौडाइको तारहरू र केन्द्र कन्डक्टरको माथि र तल ठूलो ग्राउन्ड प्लेन समावेश गर्दछ। ग्राउन्ड प्लेन पावर प्लेन बीच स्यान्डविच गरिएको छ, त्यसैले यसले धेरै प्रभावकारी ग्राउन्डिङ प्रभाव प्रदान गर्न सक्छ। यो पहिरन योग्य PCB RF संकेत तारिङ को लागि रुचाइएको विधि हो।
Coplanar Waveguide ले RF सर्किट र नजिक रूट गर्न आवश्यक सर्किट नजिक राम्रो अलगाव प्रदान गर्न सक्छ। यो माध्यममा एक केन्द्रीय कन्डक्टर र दुबै छेउ वा तल ग्राउन्ड प्लेनहरू हुन्छन्। रेडियो फ्रिक्वेन्सी सिग्नलहरू प्रसारण गर्ने सबैभन्दा राम्रो तरिका भनेको स्ट्रिप लाइनहरू वा कोप्लानर वेभगाइडहरू निलम्बन गर्नु हो। यी दुई विधिहरूले संकेत र आरएफ ट्रेसहरू बीच राम्रो अलगाव प्रदान गर्न सक्छ।
यो coplanar waveguide को दुबै छेउमा तथाकथित "फेन्स मार्फत" प्रयोग गर्न सिफारिस गरिएको छ। यस विधिले केन्द्र कन्डक्टरको प्रत्येक धातु ग्राउन्ड प्लेनमा ग्राउन्ड भियासको पङ्क्ति प्रदान गर्न सक्छ। बीचमा चलिरहेको मुख्य ट्रेसको प्रत्येक छेउमा बारहरू छन्, यसैले तलको जमिनमा फिर्ता प्रवाहको लागि सर्टकट प्रदान गर्दछ। यो विधिले आरएफ सिग्नलको उच्च लहर प्रभावसँग सम्बन्धित शोर स्तर कम गर्न सक्छ। 4.5 को डाइइलेक्ट्रिक स्थिरता prepreg को FR4 सामग्री जस्तै रहन्छ, जबकि prepreg को डाइलेक्ट्रिक स्थिरता - माइक्रोस्ट्रिप, स्ट्रिपलाइन वा अफसेट स्ट्रिपलाइन - लगभग 3.8 देखि 3.9 छ।
ग्राउन्ड प्लेन प्रयोग गर्ने केही उपकरणहरूमा, पावर क्यापेसिटरको डिकपलिंग कार्यसम्पादन सुधार गर्न र यन्त्रबाट जमिनमा शन्ट मार्ग प्रदान गर्न ब्लाइन्ड वियास प्रयोग गर्न सकिन्छ। जमिनमा शन्ट मार्गले मार्फतको लम्बाइ छोटो बनाउन सक्छ। यसले दुईवटा उद्देश्यहरू हासिल गर्न सक्छ: तपाईंले शन्ट वा ग्राउन्ड मात्र बनाउनुहुन्न, तर साना क्षेत्रहरू भएका यन्त्रहरूको प्रसारण दूरी पनि कम गर्नुहुन्छ, जुन महत्त्वपूर्ण RF डिजाइन कारक हो।