เนื่องจากขนาดและขนาดเล็กแทบจะไม่มีมาตรฐานแผงวงจรพิมพ์ที่มีอยู่สำหรับตลาด IoT ที่สวมใส่ได้ ก่อนที่มาตรฐานเหล่านี้จะออกมาเราต้องพึ่งพาความรู้และประสบการณ์การผลิตที่เรียนรู้ในการพัฒนาระดับคณะกรรมการและคิดเกี่ยวกับวิธีการนำไปใช้กับความท้าทายที่เกิดขึ้นใหม่ มีสามพื้นที่ที่ต้องการความสนใจเป็นพิเศษของเรา พวกเขาคือ: วัสดุพื้นผิวของแผงวงจร, การออกแบบ RF/ไมโครเวฟและสายส่ง RF

วัสดุ PCB

โดยทั่วไป“ PCB” ประกอบด้วยลามิเนตซึ่งอาจทำจากอีพ็อกซี่เสริมเส้นใย (FR4), วัสดุโพลีไมด์หรือโรเจอร์สหรือวัสดุลามิเนตอื่น ๆ วัสดุฉนวนระหว่างเลเยอร์ที่แตกต่างกันเรียกว่า prepreg

อุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ต้องการความน่าเชื่อถือสูงดังนั้นเมื่อนักออกแบบ PCB ต้องเผชิญกับทางเลือกในการใช้ FR4 (วัสดุการผลิต PCB ที่คุ้มค่าที่สุด) หรือวัสดุขั้นสูงและราคาแพงกว่านี้จะกลายเป็นปัญหา

หากแอปพลิเคชัน PCB ที่สวมใส่ได้ต้องการวัสดุความเร็วสูงและความถี่สูง FR4 อาจไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุด ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (DK) ของ FR4 คือ 4.5, ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุ Rogers 4003 ขั้นสูงมากขึ้นคือ 3.55 และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของซีรีส์บราเดอร์โรเจอร์ส 4350 คือ 3.66

“ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของลามิเนตหมายถึงอัตราส่วนของความจุหรือพลังงานระหว่างคู่ของตัวนำใกล้กับลามิเนตถึงความจุหรือพลังงานระหว่างคู่ของตัวนำในสูญญากาศที่ความถี่สูงจึงเป็นการสูญเสียเล็กน้อย

ภายใต้สถานการณ์ปกติจำนวนเลเยอร์ PCB สำหรับอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้มีตั้งแต่ 4 ถึง 8 ชั้น หลักการของการก่อสร้างเลเยอร์คือถ้ามันเป็น PCB 8 ชั้นควรจะสามารถให้ชั้นพื้นและชั้นพลังงานเพียงพอและแซนวิชชั้นการเดินสาย ด้วยวิธีนี้เอฟเฟกต์ระลอกคลื่นใน crosstalk สามารถเก็บไว้ในระดับต่ำสุดและการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) สามารถลดลงได้อย่างมีนัยสำคัญ

ในขั้นตอนการออกแบบเค้าโครงของแผงวงจรแผนเลย์เอาต์โดยทั่วไปจะวางชั้นพื้นดินขนาดใหญ่ใกล้กับเลเยอร์การกระจายพลังงาน สิ่งนี้สามารถสร้างเอฟเฟกต์ระลอกคลื่นที่ต่ำมากและเสียงรบกวนของระบบก็สามารถลดลงได้เกือบเป็นศูนย์ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบย่อยความถี่วิทยุ

เมื่อเทียบกับวัสดุโรเจอร์ส FR4 มีปัจจัยการกระจายตัวที่สูงขึ้น (DF) โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูง สำหรับลามิเนต FR4 ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าค่า DF อยู่ที่ประมาณ 0.002 ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่ดีกว่า FR4 ทั่วไป อย่างไรก็ตามสแต็กของ Rogers นั้นมีเพียง 0.001 หรือน้อยกว่า เมื่อใช้วัสดุ FR4 สำหรับการใช้งานความถี่สูงจะมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในการสูญเสียการแทรก การสูญเสียการแทรกหมายถึงการสูญเสียพลังงานของสัญญาณจากจุด A ถึงจุด B เมื่อใช้ FR4, Rogers หรือวัสดุอื่น ๆ

สร้างปัญหา

PCB ที่สวมใส่ได้ต้องมีการควบคุมอิมพีแดนซ์ที่เข้มงวดยิ่งขึ้น นี่เป็นปัจจัยสำคัญสำหรับอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ การจับคู่ความต้านทานสามารถสร้างการส่งสัญญาณที่สะอาดขึ้น ก่อนหน้านี้ความทนทานต่อมาตรฐานสำหรับการร่องรอยของสัญญาณคือ± 10% เห็นได้ชัดว่าตัวบ่งชี้นี้ไม่ดีพอสำหรับวงจรความถี่สูงและความเร็วสูงในปัจจุบัน ข้อกำหนดปัจจุบันคือ± 7% และในบางกรณีแม้± 5% หรือน้อยกว่า พารามิเตอร์และตัวแปรอื่น ๆ นี้จะส่งผลกระทบอย่างจริงจังต่อการผลิต PCB ที่สวมใส่ได้เหล่านี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งการควบคุมอิมพีแดนซ์ที่เข้มงวดดังนั้นจึง จำกัด จำนวนธุรกิจที่สามารถผลิตได้

ความทนทานต่ออิเล็กทริกคงที่ของลามิเนตที่ทำจากวัสดุ Rogers UHF โดยทั่วไปจะได้รับการบำรุงรักษาที่± 2%และผลิตภัณฑ์บางอย่างสามารถถึง± 1% ในทางตรงกันข้ามความทนทานต่ออิเล็กทริกคงที่ของลามิเนต FR4 สูงถึง 10% ดังนั้นการเปรียบเทียบวัสดุทั้งสองนี้สามารถพบได้ว่าการสูญเสียการแทรกของ Rogers นั้นต่ำเป็นพิเศษ เมื่อเทียบกับวัสดุ FR4 แบบดั้งเดิมการสูญเสียการส่งผ่านและการสูญเสียการแทรกของสแต็คโรเจอร์สต่ำกว่าครึ่งหนึ่ง

ในกรณีส่วนใหญ่ค่าใช้จ่ายเป็นสิ่งสำคัญที่สุด อย่างไรก็ตาม Rogers สามารถให้ประสิทธิภาพลามิเนตความถี่สูงได้ค่อนข้างต่ำที่จุดราคาที่ยอมรับได้ สำหรับแอพพลิเคชั่นเชิงพาณิชย์ Rogers สามารถทำเป็นลูกผสม PCB ที่มี FR4 ที่ใช้อีพ็อกซี่บางชั้นซึ่งใช้วัสดุ Rogers และเลเยอร์อื่น ๆ ใช้ FR4

เมื่อเลือกสแต็คโรเจอร์สความถี่คือการพิจารณาเบื้องต้น เมื่อความถี่เกิน 500MHz นักออกแบบ PCB มักจะเลือกวัสดุ Rogers โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวงจร RF/ไมโครเวฟเนื่องจากวัสดุเหล่านี้สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเมื่อร่องรอยส่วนบนถูกควบคุมอย่างเข้มงวดโดยความต้านทาน

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ FR4 วัสดุ Rogers ยังสามารถให้การสูญเสียอิเล็กทริกลดลงและค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของมันมีความเสถียรในช่วงความถี่กว้าง นอกจากนี้วัสดุ Rogers สามารถให้ประสิทธิภาพการสูญเสียการแทรกต่ำในอุดมคติที่ต้องการโดยการทำงานความถี่สูง

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ของวัสดุ Rogers 4000 Series มีความเสถียรในมิติที่ยอดเยี่ยม ซึ่งหมายความว่าเมื่อเทียบกับ FR4 เมื่อ PCB ผ่านวัฏจักรบัดกรีที่เย็นร้อนและร้อนมากการขยายตัวทางความร้อนและการหดตัวของแผงวงจรสามารถรักษาได้ที่ขีด จำกัด ที่มั่นคงภายใต้ความถี่ที่สูงขึ้นและรอบอุณหภูมิที่สูงขึ้น

ในกรณีของการซ้อนผสมมันเป็นเรื่องง่ายที่จะใช้เทคโนโลยีกระบวนการผลิตทั่วไปเพื่อผสมโรเจอร์สและ FR4 ที่มีประสิทธิภาพสูงเข้าด้วยกันดังนั้นจึงค่อนข้างง่ายที่จะบรรลุผลผลิตการผลิตสูง Rogers Stack ไม่จำเป็นต้องมีกระบวนการเตรียมการพิเศษ

FR4 ทั่วไปไม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้มาก แต่วัสดุ FR4 ที่มีประสิทธิภาพสูงมีลักษณะความน่าเชื่อถือที่ดีเช่น TG ที่สูงขึ้นยังคงมีต้นทุนค่อนข้างต่ำและสามารถใช้ในการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่การออกแบบเสียงง่าย ๆ ไปจนถึงแอปพลิเคชันไมโครเวฟที่ซับซ้อน

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ RF/ไมโครเวฟ

เทคโนโลยีแบบพกพาและบลูทู ธ ได้ปูทางสำหรับการใช้งาน RF/ไมโครเวฟในอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ ช่วงความถี่ของวันนี้มีชีวิตชีวามากขึ้นเรื่อย ๆ ไม่กี่ปีที่ผ่านมาความถี่สูงมาก (VHF) ถูกกำหนดเป็น 2GHz ~ 3GHz แต่ตอนนี้เราสามารถเห็นแอพพลิเคชั่นความถี่สูงพิเศษ (UHF) ตั้งแต่ 10GHz ถึง 25GHz

ดังนั้นสำหรับ PCB ที่สวมใส่ได้ส่วน RF ต้องการความสนใจมากขึ้นกับปัญหาการเดินสายและสัญญาณควรแยกจากกันและร่องรอยที่สร้างสัญญาณความถี่สูงควรถูกเก็บไว้ห่างจากพื้นดิน ข้อควรพิจารณาอื่น ๆ ได้แก่ : การให้ตัวกรองบายพาสตัวเก็บประจุ decoupling ที่เพียงพอการต่อสายดินและการออกแบบสายส่งและสายการส่งกลับเกือบเท่ากัน

ตัวกรองบายพาสสามารถยับยั้งเอฟเฟกต์ระลอกคลื่นของปริมาณเสียงและ crosstalk ตัวเก็บประจุ decoupling จำเป็นต้องอยู่ใกล้กับหมุดอุปกรณ์ที่มีสัญญาณไฟ

สายส่งความเร็วสูงและวงจรสัญญาณต้องใช้เลเยอร์พื้นดินที่จะวางระหว่างสัญญาณเลเยอร์พลังงานเพื่อทำให้กระวนกระวายใจที่สร้างขึ้นโดยสัญญาณเสียงรบกวน ที่ความเร็วสัญญาณที่สูงขึ้นความต้านทานต่อความต้านทานขนาดเล็กจะทำให้เกิดการส่งสัญญาณที่ไม่สมดุลและการรับสัญญาณทำให้เกิดการบิดเบือน ดังนั้นจึงต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับปัญหาการจับคู่ความต้านทานที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณความถี่วิทยุเนื่องจากสัญญาณความถี่วิทยุมีความเร็วสูงและความอดทนพิเศษ

สายส่ง RF ต้องการความต้านทานต่อการควบคุมเพื่อส่งสัญญาณ RF จากสารตั้งต้น IC เฉพาะไปยัง PCB สายส่งเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับเลเยอร์ด้านนอกเลเยอร์ด้านบนและชั้นล่างหรือสามารถออกแบบในชั้นกลาง

วิธีการที่ใช้ในระหว่างเค้าโครงการออกแบบ PCB RF คือสาย microstrip, เส้นแถบลอยน้ำ, ท่อนำคลื่น Coplanar หรือสายดิน สาย microstrip ประกอบด้วยความยาวคงที่ของโลหะหรือร่องรอยและระนาบกราวด์ทั้งหมดหรือส่วนหนึ่งของระนาบกราวด์ด้านล่างโดยตรง ความต้านทานลักษณะเฉพาะในโครงสร้างสายไมโครสตริปทั่วไปมีตั้งแต่50Ωถึง75Ω

Floating Stripline เป็นอีกวิธีหนึ่งในการเดินสายและการปราบปรามเสียงรบกวน บรรทัดนี้ประกอบด้วยการเดินสายความกว้างคงที่บนชั้นด้านในและระนาบพื้นขนาดใหญ่ด้านบนและด้านล่างตัวนำกลาง ระนาบภาคพื้นดินถูกประกบระหว่างระนาบพลังงานดังนั้นจึงสามารถให้เอฟเฟกต์การต่อสายดินที่มีประสิทธิภาพมาก นี่เป็นวิธีที่ต้องการสำหรับการเดินสายสัญญาณ PCB RF ที่สวมใส่ได้

ท่อนำคลื่น Coplanar สามารถแยกได้ดีขึ้นใกล้กับวงจร RF และวงจรที่ต้องกำหนดเส้นทางเข้าใกล้ สื่อนี้ประกอบด้วยตัวนำกลางและเครื่องบินภาคพื้นดินทั้งสองข้างหรือต่ำกว่า วิธีที่ดีที่สุดในการส่งสัญญาณความถี่วิทยุคือการระงับเส้นแถบหรือท่อนำคลื่น coplanar สองวิธีนี้สามารถแยกการแยกระหว่างสัญญาณและร่องรอย RF ได้ดีขึ้น

ขอแนะนำให้ใช้สิ่งที่เรียกว่า "ผ่านรั้ว" ทั้งสองด้านของท่อนำคลื่น Coplanar วิธีนี้สามารถให้แถวของ Vias พื้นดินบนระนาบพื้นโลหะแต่ละอันของตัวนำกลาง ร่องรอยหลักที่วิ่งอยู่ตรงกลางมีรั้วในแต่ละด้านจึงให้ทางลัดสำหรับกระแสคืนสู่พื้นดินด้านล่าง วิธีนี้สามารถลดระดับเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์ระลอกคลื่นสูงของสัญญาณ RF ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ 4.5 ยังคงเหมือนกับวัสดุ FR4 ของ prepreg ในขณะที่ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของ prepreg - จาก microstrip, stripline หรือ rofset stripline - ประมาณ 3.8 ถึง 3.9

ในอุปกรณ์บางอย่างที่ใช้ระนาบกราวด์อาจใช้ vias ตาบอดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกตัวของตัวเก็บประจุพลังงานและจัดหาเส้นทางการแบ่งจากอุปกรณ์ไปยังพื้น เส้นทางปัดลงบนพื้นสามารถทำให้ความยาวของ VIA สั้นลง สิ่งนี้สามารถบรรลุวัตถุประสงค์สองประการ: คุณไม่เพียง แต่สร้าง shunt หรือพื้นดิน แต่ยังลดระยะการส่งผ่านของอุปกรณ์ที่มีพื้นที่ขนาดเล็กซึ่งเป็นปัจจัยการออกแบบ RF ที่สำคัญ