เนื่องจากขนาดและขนาดที่เล็ก จึงแทบไม่มีมาตรฐานแผงวงจรพิมพ์สำหรับตลาด IoT ที่สวมใส่ได้ที่กำลังเติบโต ก่อนที่มาตรฐานเหล่านี้จะเผยแพร่ เราต้องพึ่งพาความรู้และประสบการณ์การผลิตที่ได้เรียนรู้ในการพัฒนาระดับคณะกรรมการ และคิดถึงวิธีนำไปใช้กับความท้าทายที่เกิดขึ้นใหม่ มีสามด้านที่ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษจากเรา ได้แก่ วัสดุพื้นผิวแผงวงจร การออกแบบ RF/ไมโครเวฟ และสายส่ง RF

วัสดุพีซีบี

โดยทั่วไป “PCB” ประกอบด้วยลามิเนต ซึ่งอาจทำจากวัสดุอีพอกซีเสริมไฟเบอร์ (FR4) โพลีอิไมด์ หรือวัสดุโรเจอร์ส หรือวัสดุลามิเนตอื่นๆ วัสดุฉนวนระหว่างชั้นต่างๆ เรียกว่า พรีเพก

อุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ต้องการความน่าเชื่อถือสูง ดังนั้นเมื่อนักออกแบบ PCB ต้องเผชิญกับการเลือกใช้ FR4 (วัสดุการผลิต PCB ที่คุ้มค่าที่สุด) หรือใช้วัสดุขั้นสูงและมีราคาแพงกว่า สิ่งนี้จะกลายเป็นปัญหา

หากการใช้งาน PCB ที่สวมใส่ได้ต้องใช้วัสดุที่มีความเร็วสูงและความถี่สูง FR4 อาจไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุด ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) ของ FR4 คือ 4.5 ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุซีรีส์ Rogers 4003 ขั้นสูงคือ 3.55 และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของซีรีส์ Brother Rogers 4350 คือ 3.66

“ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของลามิเนตหมายถึงอัตราส่วนของความจุหรือพลังงานระหว่างตัวนำคู่ที่อยู่ใกล้ลามิเนตกับความจุหรือพลังงานระหว่างตัวนำคู่ในสุญญากาศ ที่ความถี่สูง ควรมีการสูญเสียเล็กน้อยจะดีที่สุด ดังนั้น Roger 4350 ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก 3.66 จึงเหมาะสำหรับการใช้งานความถี่ที่สูงกว่า FR4 ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก 4.5

ภายใต้สถานการณ์ปกติ จำนวนชั้น PCB สำหรับอุปกรณ์สวมใส่มีตั้งแต่ 4 ถึง 8 ชั้น หลักการของการสร้างเลเยอร์คือหากเป็น PCB 8 ชั้น ก็ควรจะสามารถจัดเตรียมชั้นกราวด์และชั้นพลังงานได้เพียงพอ และประกบชั้นสายไฟ ด้วยวิธีนี้ ผลกระทบระลอกคลื่นใน crosstalk จะถูกรักษาให้เหลือน้อยที่สุด และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) จะลดลงอย่างมาก

ในขั้นตอนการออกแบบโครงร่างแผงวงจร โดยทั่วไปแผนผังโครงร่างจะวางชั้นล่างขนาดใหญ่ไว้ใกล้กับชั้นกระจายพลังงาน สิ่งนี้สามารถสร้างเอฟเฟกต์ระลอกคลื่นที่ต่ำมาก และเสียงของระบบก็สามารถลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ได้เช่นกัน นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบย่อยความถี่วิทยุ

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุของ Rogers FR4 มีปัจจัยการกระจายตัวที่สูงกว่า (Df) โดยเฉพาะที่ความถี่สูง สำหรับลามิเนต FR4 ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า ค่า Df จะอยู่ที่ประมาณ 0.002 ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่ดีกว่า FR4 ทั่วไป อย่างไรก็ตาม สแต็คของ Rogers มีค่าเพียง 0.001 หรือน้อยกว่า เมื่อใช้วัสดุ FR4 สำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูง จะมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในการสูญเสียการแทรก การสูญเสียการแทรกหมายถึงการสูญเสียกำลังของสัญญาณจากจุด A ไปยังจุด B เมื่อใช้ FR4, Rogers หรือวัสดุอื่นๆ

สร้างปัญหา

PCB ที่สวมใส่ได้ต้องมีการควบคุมอิมพีแดนซ์ที่เข้มงวดยิ่งขึ้น นี่เป็นปัจจัยสำคัญสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ การจับคู่อิมพีแดนซ์สามารถสร้างการส่งสัญญาณที่สะอาดยิ่งขึ้น ก่อนหน้านี้ ค่าความคลาดเคลื่อนมาตรฐานสำหรับการติดตามสัญญาณคือ ±10% เห็นได้ชัดว่าตัวบ่งชี้นี้ไม่ดีพอสำหรับวงจรความถี่สูงและความเร็วสูงในปัจจุบัน ข้อกำหนดปัจจุบันคือ ±7% และในบางกรณีอาจถึง ±5% หรือน้อยกว่าด้วย พารามิเตอร์นี้และตัวแปรอื่นๆ จะส่งผลร้ายแรงต่อการผลิต PCB แบบสวมใส่ได้โดยมีการควบคุมอิมพีแดนซ์ที่เข้มงวดเป็นพิเศษ ซึ่งจะจำกัดจำนวนธุรกิจที่สามารถผลิตได้

โดยทั่วไปค่าเผื่อคงที่ของไดอิเล็กทริกของลามิเนตที่ทำจากวัสดุ Rogers UHF จะอยู่ที่ ±2% และผลิตภัณฑ์บางชนิดอาจถึง ±1% อีกด้วย ในทางตรงกันข้าม ค่าเผื่อคงที่ไดอิเล็กทริกของลามิเนต FR4 สูงถึง 10% ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบวัสดุทั้งสองนี้ พบว่าการสูญเสียการแทรกของ Rogers ต่ำเป็นพิเศษ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ FR4 แบบดั้งเดิม การสูญเสียการส่งผ่านและการสูญเสียการแทรกของสแต็ก Rogers จะลดลงครึ่งหนึ่ง

ในกรณีส่วนใหญ่ ต้นทุนเป็นสิ่งสำคัญที่สุด อย่างไรก็ตาม Rogers สามารถให้ประสิทธิภาพการเคลือบลามิเนตความถี่สูงที่ค่อนข้างสูญเสียต่ำในราคาที่ยอมรับได้ สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ Rogers สามารถสร้างเป็น PCB ไฮบริดที่มี FR4 ที่ใช้อีพ็อกซี่ ซึ่งบางชั้นใช้วัสดุ Rogers และชั้นอื่นๆ ใช้ FR4

เมื่อเลือกสแต็ค Rogers ความถี่คือการพิจารณาเบื้องต้น เมื่อความถี่เกิน 500MHz นักออกแบบ PCB มักจะเลือกวัสดุของ Rogers โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวงจร RF/ไมโครเวฟ เนื่องจากวัสดุเหล่านี้สามารถให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่าได้เมื่อร่องรอยด้านบนถูกควบคุมโดยอิมพีแดนซ์อย่างเข้มงวด

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ FR4 วัสดุ Rogers ยังสามารถให้การสูญเสียอิเล็กทริกที่ต่ำกว่า และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจะเสถียรในช่วงความถี่กว้าง นอกจากนี้ วัสดุของ Rogers ยังสามารถให้ประสิทธิภาพการสูญเสียการแทรกต่ำในอุดมคติซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานความถี่สูง

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ของวัสดุซีรีส์ Rogers 4000 มีความเสถียรของขนาดที่ดีเยี่ยม ซึ่งหมายความว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ FR4 เมื่อ PCB ผ่านวงจรการบัดกรีแบบรีโฟลว์แบบเย็น ร้อน และร้อนมาก การขยายตัวทางความร้อนและการหดตัวของแผงวงจรสามารถรักษาไว้ที่ขีดจำกัดที่มั่นคงภายใต้ความถี่ที่สูงขึ้นและรอบอุณหภูมิที่สูงขึ้น

ในกรณีของการวางซ้อนแบบผสม เป็นเรื่องง่ายที่จะใช้เทคโนโลยีกระบวนการผลิตทั่วไปเพื่อผสม Rogers และ FR4 ประสิทธิภาพสูงเข้าด้วยกัน ดังนั้นจึงค่อนข้างง่ายที่จะได้ผลผลิตสูง กอง Rogers ไม่ต้องการกระบวนการพิเศษในการเตรียม

FR4 ทั่วไปไม่สามารถให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้มากนัก แต่วัสดุ FR4 ประสิทธิภาพสูงมีลักษณะความน่าเชื่อถือที่ดี เช่น Tg ที่สูงกว่า แต่ยังมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ และสามารถใช้งานได้หลากหลาย ตั้งแต่การออกแบบเสียงแบบธรรมดาไปจนถึงการใช้งานไมโครเวฟที่ซับซ้อน .

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ RF/ไมโครเวฟ

เทคโนโลยีแบบพกพาและบลูทูธได้ปูทางไปสู่แอปพลิเคชัน RF/ไมโครเวฟในอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ ช่วงความถี่ในปัจจุบันมีไดนามิกมากขึ้นเรื่อยๆ ไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความถี่สูงมาก (VHF) ถูกกำหนดให้เป็น 2GHz~3GHz แต่ตอนนี้เราสามารถเห็นแอปพลิเคชันความถี่สูงพิเศษ (UHF) ตั้งแต่ 10GHz ถึง 25GHz

ดังนั้น สำหรับ PCB ที่สวมใส่ได้ ส่วน RF ต้องให้ความสนใจกับปัญหาการเดินสายมากขึ้น และควรแยกสัญญาณแยกกัน และควรเก็บร่องรอยที่สร้างสัญญาณความถี่สูงให้ห่างจากพื้นดิน ข้อควรพิจารณาอื่นๆ ได้แก่ การจัดหาตัวกรองบายพาส ตัวเก็บประจุแยกส่วนที่เหมาะสม การต่อสายดิน และการออกแบบสายส่งและสายส่งกลับให้เกือบจะเท่ากัน

ตัวกรองบายพาสสามารถระงับผลกระทบระลอกคลื่นของเนื้อหาเสียงรบกวนและครอสทอล์คได้ ต้องวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนไว้ใกล้กับหมุดอุปกรณ์ที่ส่งสัญญาณไฟ

สายส่งและวงจรสัญญาณความเร็วสูงจำเป็นต้องมีชั้นกราวด์เพื่อวางระหว่างสัญญาณชั้นพลังงานเพื่อทำให้ความกระวนกระวายใจที่เกิดจากสัญญาณเสียงราบรื่น ที่ความเร็วสัญญาณที่สูงขึ้น อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันเล็กน้อยจะทำให้การส่งและการรับสัญญาณไม่สมดุล ส่งผลให้เกิดการบิดเบือน ดังนั้นจึงต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับปัญหาการจับคู่อิมพีแดนซ์ที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณความถี่วิทยุ เนื่องจากสัญญาณความถี่วิทยุมีความเร็วสูงและมีความทนทานเป็นพิเศษ

สายส่ง RF จำเป็นต้องมีอิมพีแดนซ์ที่ได้รับการควบคุมเพื่อที่จะส่งสัญญาณ RF จากสารตั้งต้น IC เฉพาะไปยัง PCB สายส่งเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับชั้นนอก ชั้นบน และชั้นล่าง หรือสามารถออกแบบในชั้นกลางก็ได้

วิธีการที่ใช้ในการออกแบบ PCB RF ได้แก่ เส้นไมโครสตริป เส้นแถบลอย ท่อนำคลื่นโคพลานาร์ หรือการต่อสายดิน เส้นไมโครสตริปประกอบด้วยโลหะหรือร่องรอยที่มีความยาวคงที่ และระนาบกราวด์ทั้งหมดหรือส่วนหนึ่งของระนาบกราวด์ที่อยู่ด้านล่างโดยตรง ความต้านทานลักษณะเฉพาะในโครงสร้างสายไมโครสตริปทั่วไปอยู่ในช่วงตั้งแต่ 50Ω ถึง 75Ω

แถบลอยเป็นอีกวิธีหนึ่งในการเดินสายไฟและลดเสียงรบกวน เส้นนี้ประกอบด้วยสายไฟที่มีความกว้างคงที่บนชั้นในและระนาบกราวด์ขนาดใหญ่ด้านบนและด้านล่างของตัวนำตรงกลาง ระนาบกราวด์ประกบอยู่ระหว่างระนาบกำลัง ดังนั้นจึงให้เอฟเฟกต์การลงกราวด์ที่มีประสิทธิภาพมาก นี่เป็นวิธีที่แนะนำสำหรับการเดินสายสัญญาณ RF PCB ที่สวมใส่ได้

ท่อนำคลื่น Coplanar สามารถให้การแยกที่ดีกว่าใกล้กับวงจร RF และวงจรที่ต้องส่งเข้าไปใกล้ยิ่งขึ้น สื่อนี้ประกอบด้วยตัวนำกลางและระนาบกราวด์ที่ด้านข้างหรือด้านล่าง วิธีที่ดีที่สุดในการส่งสัญญาณความถี่วิทยุคือการระงับแถบเส้นหรือท่อนำคลื่นร่วม ทั้งสองวิธีนี้สามารถแยกสัญญาณและร่องรอย RF ได้ดีขึ้น

ขอแนะนำให้ใช้สิ่งที่เรียกว่า "ผ่านรั้ว" กับทั้งสองด้านของท่อนำคลื่น coplanar วิธีนี้สามารถจัดให้มีแถวของจุดผ่านกราวด์บนระนาบกราวด์โลหะแต่ละอันของตัวนำตรงกลาง รางหลักที่อยู่ตรงกลางมีรั้วแต่ละด้าน จึงเป็นทางลัดสำหรับกระแสไหลกลับลงสู่พื้นด้านล่าง วิธีนี้สามารถลดระดับเสียงที่เกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์การกระเพื่อมสูงของสัญญาณ RF ได้ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ 4.5 ยังคงเหมือนเดิมกับวัสดุ FR4 ของพรีเพก ในขณะที่ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของพรีเพก—จากไมโครสตริป สตริปไลน์ หรือออฟเซ็ตสตริปไลน์—อยู่ที่ประมาณ 3.8 ถึง 3.9

ในอุปกรณ์บางตัวที่ใช้ระนาบกราวด์ อาจใช้ blind vias เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกตัวของตัวเก็บประจุกำลัง และจัดเตรียมเส้นทางแบ่งจากอุปกรณ์ไปยังกราวด์ เส้นทางแบ่งลงสู่พื้นสามารถร่นความยาวของทางได้ สิ่งนี้สามารถบรรลุวัตถุประสงค์สองประการ: คุณไม่เพียงแต่สร้างการแบ่งหรือกราวด์เท่านั้น แต่ยังลดระยะการส่งข้อมูลของอุปกรณ์ที่มีพื้นที่ขนาดเล็ก ซึ่งเป็นปัจจัยการออกแบบ RF ที่สำคัญ