Küçük boyut ve boyut nedeniyle, büyüyen giyilebilir IoT pazarı için neredeyse mevcut baskılı devre kartı standartları yoktur. Bu standartlar ortaya çıkmadan önce, yönetim kurulu düzeyinde gelişmede öğrenilen bilgi ve üretim deneyimine güvenmek ve bunları benzersiz ortaya çıkan zorluklara nasıl uygulayacağını düşünmek zorunda kaldık. Özel dikkatimizi gerektiren üç alan vardır. Bunlar: devre kartı yüzey malzemeleri, RF/mikrodalga tasarımı ve RF şanzıman hatları.
PCB Materyali
“PCB” genellikle fiber takviyeli epoksi (FR4), poliimid veya Rogers malzemelerinden veya diğer laminat malzemelerinden oluşabilen laminatlardan oluşur. Farklı katmanlar arasındaki yalıtım malzemesine prepreg denir.
Giyilebilir cihazlar yüksek güvenilirlik gerektirir, bu nedenle PCB tasarımcıları FR4 (en uygun maliyetli PCB üretim malzemesi) veya daha gelişmiş ve daha pahalı malzemeler kullanma seçeneği ile 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 malzemesinin dielektrik sabiti 3.55 ve kardeş serisi Rogers 4350'nin dielektrik sabiti 3.66'dır.
“Bir laminatın dielektrik sabiti, laminatın yakınındaki bir çift iletken arasındaki kapasitans veya enerjinin kapasitans veya enerjiye oranı, yüksek frekanslarda küçük bir kayıpta olması en iyi şekilde, Roger 4350'yi 3.66'lık bir dielektrik sabiti ile daha yüksek frekanslı bir sabitle daha uygundur.
Normal koşullar altında, giyilebilir cihazlar için PCB katmanlarının sayısı 4 ila 8 katman arasında değişmektedir. Katman yapısı ilkesi, 8 katmanlı bir PCB ise, yeterli zemin ve güç katmanları sağlayabilmesi ve kablo tabakasını sandviç yapabilmesidir. Bu şekilde, inişte dalgalanma etkisi minimum olarak tutulabilir ve elektromanyetik parazit (EMI) önemli ölçüde azaltılabilir.
Devre kartı düzeni tasarım aşamasında, düzen planı genellikle güç dağıtım katmanına yakın büyük bir zemin katmanı yerleştirmektir. Bu çok düşük bir dalgalanma etkisi oluşturabilir ve sistem gürültüsü de neredeyse sıfıra indirilebilir. Bu özellikle radyo frekansı alt sistemi için önemlidir.
Rogers malzemesi ile karşılaştırıldığında, FR4, özellikle yüksek frekansta daha yüksek bir dağılım faktörüne (DF) sahiptir. Daha yüksek performans FR4 laminatları için, DF değeri yaklaşık 0.002'dir, bu da sıradan FR4'ten daha iyi bir büyüklük sırasıdır. Ancak, Rogers'ın yığını sadece 0.001 veya daha azdır. FR4 malzemesi yüksek frekanslı uygulamalar için kullanıldığında, yerleştirme kaybında önemli bir fark olacaktır. Ekleme kaybı, FR4, Rogers veya diğer malzemeler kullanılırken sinyalin A noktasından B noktasına güç kaybı olarak tanımlanır.
Sorunlar Yaratmak
Giyilebilir PCB, daha katı empedans kontrolü gerektirir. Bu giyilebilir cihazlar için önemli bir faktördür. Empedans eşleştirme daha temiz sinyal iletimi üretebilir. Daha önce, sinyal taşıma izleri için standart tolerans ±%10'du. Bu gösterge günümüzün yüksek frekans ve yüksek hızlı devreler için yeterince iyi değil. Mevcut gereksinim ±% 7 ve bazı durumlarda ±% 5 veya daha az. Bu parametre ve diğer değişkenler, bu giyilebilir PCB'lerin özellikle katı empedans kontrolü ile üretimini ciddi şekilde etkileyecek ve böylece bunları üretebilecek işletme sayısını sınırlayacaktır.
Rogers UHF malzemelerinden yapılan laminatın dielektrik sabit toleransı genellikle ±%2'de tutulur ve bazı ürünler ±%1'e bile ulaşabilir. Buna karşılık, FR4 laminatının dielektrik sabit toleransı%10'a kadar yüksektir. Bu nedenle, bu iki malzemenin Rogers'ın yerleştirme kaybının özellikle düşük olduğu bulunabilir. Geleneksel FR4 malzemeleriyle karşılaştırıldığında, Rogers yığınının iletim kaybı ve yerleştirme kaybı yarı daha düşüktür.
Çoğu durumda, maliyet en önemlisidir. Bununla birlikte, Rogers kabul edilebilir bir fiyat noktasında nispeten düşük kayıplı yüksek frekanslı laminat performansı sağlayabilir. Ticari uygulamalar için, Rogers, bazı katmanları Rogers malzemesi kullanan ve diğer katmanlar FR4 kullanan epoksi tabanlı FR4 ile hibrit bir PCB olarak yapılabilir.
Bir Rogers yığını seçerken, frekans birincil düşüncedir. 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 malzemesi ile karşılaştırıldığında, Rogers malzemesi daha düşük dielektrik kaybı sağlayabilir ve dielektrik sabiti geniş bir frekans aralığında stabildir. Ek olarak, Rogers malzemesi, yüksek frekanslı çalışmanın gerektirdiği ideal düşük yerleştirme kaybı performansını sağlayabilir.
Rogers 4000 serisi malzemelerin termal genleşme katsayısı (CTE) mükemmel boyutsal stabiliteye sahiptir. Bu, PCB'nin soğuk, sıcak ve çok sıcak geri dönme lehimleme döngülerine maruz kaldığında FR4 ile karşılaştırıldığında, devre kartının termal genişlemesi ve kasılmasının daha yüksek frekans ve daha yüksek sıcaklık döngüleri altında sabit bir sınırda tutulabileceği anlamına gelir.
Karışık istifleme durumunda, Rogers ve yüksek performanslı FR4'ü birlikte karıştırmak için ortak üretim süreci teknolojisini kullanmak kolaydır, bu nedenle yüksek üretim verimi elde etmek nispeten kolaydır. Rogers yığını özel bir hazırlık süreci gerektirmez.
Yaygın FR4 çok güvenilir elektriksel performans elde edemez, ancak yüksek performanslı FR4 malzemeleri, daha yüksek TG, hala nispeten düşük maliyet gibi iyi güvenilirlik özelliklerine sahiptir 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 yolunu açmıştır. Bugünün frekans aralığı gittikçe daha dinamik hale geliyor. Birkaç yıl önce, çok yüksek frekans (VHF) 2GHz ~ 3GHz olarak tanımlandı. Ancak şimdi 10GHz ila 25GHz arasında değişen ultra yüksek frekans (UHF) uygulamalarını görebiliriz.
Bu nedenle, giyilebilir PCB için, RF kısmı kablolama sorunlarına daha fazla dikkat gerektirir ve sinyaller ayrı ayrı ayrılmalı ve yüksek frekanslı sinyaller üreten izler yerden uzak tutulmalıdır. Diğer hususlar şunlardır: bir baypas filtresi sağlamak, yeterli ayrıştırma kapasitörleri, topraklama ve şanzıman hattı ve dönüş hattının neredeyse eşit olması için tasarlanması.
Baypas filtresi, gürültü içeriğinin ve çapraz geçişin dalgalanma etkisini bastırabilir. Ayrıştırma kapasitörlerinin güç sinyallerini taşıyan cihaz pimlerine daha yakın yerleştirilmesi gerekir.
Yüksek hızlı şanzıman hatları ve sinyal devreleri, gürültü sinyalleri tarafından üretilen titreşimi düzeltmek için güç katmanı sinyalleri arasına bir toprak tabakasının yerleştirilmesini gerektirir. Daha yüksek sinyal hızlarında, küçük empedans uyumsuzlukları, dengesiz iletime ve sinyallerin alınmasına neden olacak ve bozulmaya neden olacaktır. Bu nedenle, radyo frekansı sinyali ile ilgili empedans eşleştirme problemine özel dikkat gösterilmelidir, çünkü radyo frekans sinyali yüksek bir hıza ve özel bir toleransa sahiptir.
RF iletim hatları, belirli bir IC substratından PCB'ye RF sinyallerini iletmek için kontrollü empedans gerektirir. Bu iletim hatları dış katman, üst katman ve alt katmanda uygulanabilir veya orta katmanda tasarlanabilir.
PCB RF tasarım düzeni sırasında kullanılan yöntemler, mikroşerit hattı, yüzen şerit hattı, koplanar dalga kılavuzu veya topraklamadır. Mikroşerit çizgisi, sabit bir metal uzunluğunda veya izlerden ve tüm zemin düzleminden veya doğrudan altındaki zemin düzleminin bir kısmından oluşur. Genel mikroşerit çizgisi yapısındaki karakteristik empedans 50Ω ila 75Ω arasında değişmektedir.
Yüzen şerit çizgisi, kablolama ve gürültü bastırmanın başka bir yöntemidir. Bu çizgi, iç tabakadaki sabit genişlikte kablolamadan ve orta iletkenin üstünde ve altında büyük bir zemin düzleminden oluşur. Zemin düzlemi güç düzlemi arasında sandviçlenir, böylece çok etkili bir topraklama etkisi sağlayabilir. Bu, giyilebilir PCB RF sinyal kablolama için tercih edilen yöntemdir.
Coplanar dalga kılavuzu, RF devresi ve daha yakın yönlendirilmesi gereken devrenin yakınında daha iyi izolasyon sağlayabilir. Bu ortam merkezi bir iletken ve her iki tarafta veya altında yer düzlemlerinden oluşur. Radyo frekans sinyallerini aktarmanın en iyi yolu şerit çizgilerini veya koplanar dalga kılavuzlarını askıya almaktır. Bu iki yöntem sinyal ve RF izleri arasında daha iyi izolasyon sağlayabilir.
Coplanar dalga kılavuzunun her iki tarafında “Çitle” olarak adlandırılması önerilir. Bu yöntem, orta iletkenin her metal zemin düzleminde bir sıra topraklama sağlayabilir. Ortada çalışan ana iz, her iki tarafta çitlere sahiptir, böylece aşağıdaki yere dönüş akımı için bir kısayol sağlar. 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 (mikrostrip, şerit çizgisi veya ofset şeridi) dielektrik sabiti yaklaşık 3.8 ila 3.9'dur.
Zemin düzlemi kullanan bazı cihazlarda, güç kondansatörünün ayrıştırma performansını artırmak ve cihazdan yere bir şant yolu sağlamak için kör Vias kullanılabilir. Yerdeki şönt yolu VIA'nın uzunluğunu kısaltabilir. Bu iki amaca ulaşabilir: sadece bir şant veya zemin oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda önemli bir RF tasarım faktörü olan küçük alanlara sahip cihazların iletim mesafesini azaltırsınız.