Boyutlarının küçük olması nedeniyle, büyüyen giyilebilir IoT pazarı için neredeyse hiçbir baskılı devre kartı standardı mevcut değil. Bu standartlar ortaya çıkmadan önce, yönetim kurulu düzeyindeki geliştirme sürecinde öğrenilen bilgi ve üretim deneyimine güvenmemiz ve bunları ortaya çıkan benzersiz zorluklara nasıl uygulayacağımızı düşünmemiz gerekiyordu. Özel dikkat gerektiren üç alan var. Bunlar: devre kartı yüzey malzemeleri, RF/mikrodalga tasarımı ve RF iletim hatlarıdır.
PCB malzemesi
“PCB” genellikle fiber takviyeli epoksi (FR4), poliimid veya Rogers malzemelerden veya diğer laminat malzemelerden yapılabilen laminatlardan oluşur. Farklı katmanlar arasındaki yalıtım malzemesine prepreg adı verilir.
Giyilebilir cihazlar yüksek güvenilirlik gerektirir, bu nedenle PCB tasarımcıları FR4 (en uygun maliyetli PCB üretim malzemesi) veya daha gelişmiş ve daha pahalı malzemeleri kullanma seçeneğiyle karşı karşıya kaldıklarında bu bir sorun haline gelecektir.
Giyilebilir PCB uygulamaları yüksek hızlı, yüksek frekanslı malzemeler gerektiriyorsa FR4 en iyi seçim olmayabilir. FR4'ün dielektrik sabiti (Dk) 4,5, daha gelişmiş Rogers 4003 serisi malzemenin dielektrik sabiti 3,55 ve kardeş seri Rogers 4350'nin dielektrik sabiti 3,66'dır.
“Bir laminatın dielektrik sabiti, laminatın yakınındaki bir iletken çifti arasındaki kapasitans veya enerjinin, vakumdaki iletken çifti arasındaki kapasitans veya enerjiye oranını ifade eder. Yüksek frekanslarda küçük bir kaybın olması en iyisidir. Bu nedenle dielektrik sabiti 3,66 olan Roger 4350, dielektrik sabiti 4,5 olan FR4'e göre daha yüksek frekanslı uygulamalar için daha uygundur.
Normal şartlarda giyilebilir cihazlar için PCB katmanlarının sayısı 4 ila 8 katman arasında değişmektedir. Katman yapısının ilkesi, eğer 8 katmanlı bir PCB ise, yeterli toprak ve güç katmanı sağlayabilmesi ve kablolama katmanını sandviçleyebilmesidir. Bu şekilde karışmadaki dalgalanma etkisi minimumda tutulabilir ve elektromanyetik girişim (EMI) önemli ölçüde azaltılabilir.
Devre kartı yerleşim tasarımı aşamasında yerleşim planı genellikle güç dağıtım katmanının yakınına geniş bir zemin katmanı yerleştirmektir. Bu çok düşük bir dalgalanma etkisi oluşturabilir ve sistem gürültüsünü de neredeyse sıfıra indirebilir. Bu özellikle radyo frekansı alt sistemi için önemlidir.
Rogers malzemesiyle karşılaştırıldığında FR4, özellikle yüksek frekansta daha yüksek bir dağılım faktörüne (Df) sahiptir. Daha yüksek performanslı FR4 laminatlar için Df değeri yaklaşık 0,002'dir; bu, sıradan FR4'ten kat kat daha iyidir. Ancak Rogers'ın yığını yalnızca 0,001 veya daha azdır. FR4 malzemesi yüksek frekanslı uygulamalar için kullanıldığında ekleme kaybında önemli bir fark olacaktır. Ekleme kaybı, FR4, Rogers veya diğer malzemeler kullanıldığında sinyalin A noktasından B noktasına kadar olan güç kaybı olarak tanımlanır.
sorun yaratmak
Giyilebilir PCB daha sıkı empedans kontrolü gerektirir. Giyilebilir cihazlar için bu önemli bir faktördür. Empedans uyumu daha temiz sinyal iletimi sağlayabilir. Daha önce sinyal taşıyan izlere yönelik standart tolerans ±%10'du. Bu göstergenin günümüzün yüksek frekanslı ve yüksek hızlı devreleri için yeterince iyi olmadığı açıktır. Akım gereksinimi ±%7'dir ve hatta bazı durumlarda ±%5 veya daha azdır. Bu parametre ve diğer değişkenler, özellikle sıkı empedans kontrolüne sahip bu giyilebilir PCB'lerin üretimini ciddi şekilde etkileyecek ve dolayısıyla bunları üretebilecek işletme sayısını sınırlayacaktır.
Rogers UHF malzemelerinden yapılan laminatın dielektrik sabiti toleransı genellikle ±%2'de tutulur ve bazı ürünler ±%1'e bile ulaşabilir. Buna karşılık FR4 laminatın dielektrik sabiti toleransı %10 kadar yüksektir. Bu nedenle, bu iki malzemeyi karşılaştırdığınızda Rogers'ın ekleme kaybının özellikle düşük olduğu görülebilir. Geleneksel FR4 malzemeleriyle karşılaştırıldığında Rogers yığınının iletim kaybı ve ekleme kaybı yarı yarıya daha düşüktür.
Çoğu durumda maliyet en önemlisidir. Ancak Rogers, kabul edilebilir bir fiyat noktasında nispeten düşük kayıplı yüksek frekanslı laminat performansı sağlayabilir. Ticari uygulamalar için Rogers, epoksi bazlı FR4 ile hibrit bir PCB haline getirilebilir; bazı katmanlarında Rogers malzemesi kullanılırken diğer katmanlarda FR4 kullanılır.
Rogers yığınını seçerken öncelikli husus frekanstır. Frekans 500MHz'i aştığında PCB tasarımcıları özellikle RF/mikrodalga devreleri için Rogers malzemelerini seçme eğilimindedir çünkü bu malzemeler üst izler empedans tarafından sıkı bir şekilde kontrol edildiğinde daha yüksek performans sağlayabilir.
FR4 malzemesiyle karşılaştırıldığında Rogers malzemesi daha düşük dielektrik kaybı da sağlayabilir ve dielektrik sabiti geniş bir frekans aralığında stabildir. Ayrıca Rogers malzemesi, yüksek frekanslı çalışmanın gerektirdiği ideal düşük ekleme kaybı performansını sağlayabilir.
Rogers 4000 serisi malzemelerin termal genleşme katsayısı (CTE) mükemmel boyutsal stabiliteye sahiptir. Bu, FR4 ile karşılaştırıldığında PCB'nin soğuk, sıcak ve çok sıcak yeniden akışlı lehimleme döngülerine tabi tutulması durumunda devre kartının termal genleşmesi ve büzülmesinin daha yüksek frekans ve daha yüksek sıcaklık döngüleri altında sabit bir sınırda muhafaza edilebileceği anlamına gelir.
Karışık istifleme durumunda, Rogers ile yüksek performanslı FR4'ü bir araya getirmek için ortak üretim süreci teknolojisini kullanmak kolaydır, dolayısıyla yüksek üretim verimi elde etmek nispeten kolaydır. Rogers yığını özel bir hazırlık süreci gerektirmez.
Yaygın FR4 çok güvenilir bir elektrik performansı sağlayamaz, ancak yüksek performanslı FR4 malzemeleri daha yüksek Tg gibi iyi güvenilirlik özelliklerine sahiptir, yine de nispeten düşük maliyetlidir ve basit ses tasarımından Karmaşık mikrodalga uygulamalarına kadar çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. .
RF/Mikrodalga tasarım hususları
Taşınabilir teknoloji ve Bluetooth, giyilebilir cihazlarda RF/mikrodalga uygulamalarının önünü açmıştır. Günümüzün frekans aralığı giderek daha dinamik hale geliyor. Birkaç yıl önce çok yüksek frekans (VHF) 2GHz~3GHz olarak tanımlanıyordu. Ancak artık 10GHz ile 25GHz arasında değişen ultra yüksek frekans (UHF) uygulamalarını görebiliyoruz.
Bu nedenle giyilebilir PCB için RF kısmı kablolama konularına daha fazla dikkat etmeyi gerektirir ve sinyallerin ayrı ayrı ayrılması ve yüksek frekanslı sinyal üreten izlerin yerden uzak tutulması gerekir. Diğer hususlar şunları içerir: bir baypas filtresinin sağlanması, yeterli dekuplaj kapasitörleri, topraklama ve iletim hattı ile dönüş hattının neredeyse eşit olacak şekilde tasarlanması.
Baypas filtresi, gürültü içeriğinin ve karışmanın dalgalanma etkisini bastırabilir. Dekuplaj kapasitörlerinin güç sinyallerini taşıyan cihaz pinlerine daha yakın yerleştirilmesi gerekir.
Yüksek hızlı iletim hatları ve sinyal devreleri, gürültü sinyallerinin oluşturduğu titreşimi yumuşatmak için güç katmanı sinyalleri arasına bir toprak katmanının yerleştirilmesini gerektirir. Daha yüksek sinyal hızlarında, küçük empedans uyumsuzlukları sinyallerin dengesiz iletimine ve alımına neden olarak bozulmaya neden olur. Bu nedenle, radyo frekansı sinyalinin yüksek bir hıza ve özel bir toleransa sahip olması nedeniyle, radyo frekansı sinyaliyle ilgili empedans uyum sorununa özel dikkat gösterilmelidir.
RF iletim hatları, RF sinyallerini belirli bir IC alt katmanından PCB'ye iletmek için kontrollü empedans gerektirir. Bu iletim hatları dış katman, üst katman ve alt katmanda uygulanabileceği gibi orta katmanda da tasarlanabilmektedir.
PCB RF tasarımı sırasında kullanılan yöntemler mikroşerit hat, yüzer şerit hat, eş düzlemli dalga kılavuzu veya topraklamadır. Mikroşerit hattı, sabit uzunlukta metal veya izlerden ve zemin düzleminin tamamından veya doğrudan altındaki zemin düzleminin bir kısmından oluşur. Genel mikroşerit hat yapısındaki karakteristik empedans 50Ω ile 75Ω arasında değişir.
Yüzer şerit hattı, başka bir kablolama ve gürültü bastırma yöntemidir. Bu hat, iç katmandaki sabit genişlikteki kablolardan ve merkez iletkenin üstünde ve altında geniş bir zemin düzleminden oluşur. Yer düzlemi, güç düzlemi arasına sıkıştırılmıştır, bu nedenle çok etkili bir topraklama etkisi sağlayabilir. Bu, giyilebilir PCB RF sinyal kablolaması için tercih edilen yöntemdir.
Eş düzlemli dalga kılavuzu, RF devresinin ve daha yakına yönlendirilmesi gereken devrenin yakınında daha iyi izolasyon sağlayabilir. Bu ortam, merkezi bir iletkenden ve her iki tarafta veya altta yer alan düzlemlerden oluşur. Radyo frekansı sinyallerini iletmenin en iyi yolu şerit çizgilerini veya eş düzlemli dalga kılavuzlarını askıya almaktır. Bu iki yöntem sinyal ve RF izleri arasında daha iyi izolasyon sağlayabilir.
Eş düzlemli dalga kılavuzunun her iki tarafında "geçiş çiti" olarak adlandırılan yöntemin kullanılması tavsiye edilir. Bu yöntem, merkez iletkenin her bir metal toprak düzlemi üzerinde bir sıra toprak yolu sağlayabilir. Ortadan geçen ana yolun her iki yanında çitler bulunur, böylece aşağıdaki zemine dönüş akımı için bir kısayol sağlanır. Bu yöntem, RF sinyalinin yüksek dalgalanma etkisi ile ilişkili gürültü seviyesini azaltabilir. 4,5'lik dielektrik sabiti, prepreg'in FR4 malzemesiyle aynı kalırken, prepreg'in (mikroşerit, şerit hattı veya ofset şerit hattından) dielektrik sabiti yaklaşık 3,8 ila 3,9'dur.
Toprak düzlemi kullanan bazı cihazlarda, güç kapasitörünün ayırma performansını artırmak ve cihazdan toprağa bir şönt yol sağlamak için kör kanallar kullanılabilir. Zemine giden şönt yolu, yolun uzunluğunu kısaltabilir. Bu iki amaca ulaşabilir: yalnızca şönt veya toprak oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda önemli bir RF tasarım faktörü olan küçük alanlı cihazların iletim mesafesini de azaltırsınız.