Do kích thước và kích thước nhỏ nên hiện tại hầu như không có tiêu chuẩn bảng mạch in nào dành cho thị trường IoT thiết bị đeo đang phát triển. Trước khi các tiêu chuẩn này ra đời, chúng tôi phải dựa vào kiến thức và kinh nghiệm sản xuất đã học được trong quá trình phát triển cấp hội đồng và suy nghĩ về cách áp dụng chúng cho những thách thức mới nổi đặc biệt. Có ba lĩnh vực đòi hỏi sự chú ý đặc biệt của chúng tôi. Đó là: vật liệu bề mặt bảng mạch, thiết kế RF/vi sóng và đường truyền RF.
vật liệu PCB
“PCB” thường bao gồm các lớp mỏng, có thể được làm bằng vật liệu epoxy (FR4), polyimide hoặc Rogers được gia cố bằng sợi hoặc các vật liệu nhiều lớp khác. Vật liệu cách điện giữa các lớp khác nhau được gọi là prereg.
các thiết bị đeo được yêu cầu độ tin cậy cao, vì vậy khi các nhà thiết kế PCB phải đối mặt với việc lựa chọn sử dụng FR4 (vật liệu sản xuất PCB tiết kiệm chi phí nhất) hoặc các vật liệu tiên tiến hơn và đắt tiền hơn, điều này sẽ trở thành một vấn đề.
Nếu các ứng dụng PCB có thể đeo yêu cầu vật liệu tốc độ cao, tần số cao thì FR4 có thể không phải là lựa chọn tốt nhất. Hằng số điện môi (Dk) của FR4 là 4,5, hằng số điện môi của vật liệu dòng Rogers 4003 tiên tiến hơn là 3,55 và hằng số điện môi của dòng anh em Rogers 4350 là 3,66.
“Hằng số điện môi của một tấm mỏng đề cập đến tỷ số giữa điện dung hoặc năng lượng giữa một cặp dây dẫn gần tấm mỏng với điện dung hoặc năng lượng giữa cặp dây dẫn trong chân không. Ở tần số cao, tốt nhất nên có tổn thất nhỏ. Do đó, Roger 4350 với hằng số điện môi là 3,66 phù hợp hơn cho các ứng dụng tần số cao hơn FR4 với hằng số điện môi là 4,5.
Trong trường hợp bình thường, số lượng lớp PCB cho thiết bị đeo được dao động từ 4 đến 8 lớp. Nguyên tắc xây dựng lớp là nếu là PCB 8 lớp, nó phải có khả năng cung cấp đủ các lớp nối đất và nguồn điện cũng như kẹp lớp dây điện. Bằng cách này, hiệu ứng gợn sóng trong nhiễu xuyên âm có thể được giữ ở mức tối thiểu và nhiễu điện từ (EMI) có thể giảm đáng kể.
Trong giai đoạn thiết kế bố trí bảng mạch, kế hoạch bố trí nói chung là đặt một lớp đất lớn gần với lớp phân phối điện. Điều này có thể tạo ra hiệu ứng gợn sóng rất thấp và tiếng ồn hệ thống cũng có thể giảm xuống gần như bằng không. Điều này đặc biệt quan trọng đối với hệ thống con tần số vô tuyến.
So với vật liệu Rogers, FR4 có hệ số tản nhiệt (Df) cao hơn, đặc biệt ở tần số cao. Đối với các tấm FR4 hiệu suất cao hơn, giá trị Df là khoảng 0,002, tốt hơn nhiều so với FR4 thông thường. Tuy nhiên, ngăn xếp của Rogers chỉ là 0,001 hoặc ít hơn. Khi vật liệu FR4 được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao, sẽ có sự khác biệt đáng kể về suy hao chèn. Suy hao chèn được định nghĩa là tổn thất điện năng của tín hiệu từ điểm A đến điểm B khi sử dụng FR4, Rogers hoặc các vật liệu khác.
tạo ra vấn đề
PCB có thể đeo được yêu cầu kiểm soát trở kháng chặt chẽ hơn. Đây là một yếu tố quan trọng đối với các thiết bị đeo được. Kết hợp trở kháng có thể tạo ra việc truyền tín hiệu sạch hơn. Trước đó, dung sai tiêu chuẩn cho dấu vết mang tín hiệu là ±10%. Chỉ báo này rõ ràng là không đủ tốt cho các mạch tần số cao và tốc độ cao ngày nay. Yêu cầu hiện tại là ±7% và trong một số trường hợp thậm chí là ±5% hoặc ít hơn. Thông số này và các biến số khác sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sản xuất các PCB đeo được này với khả năng kiểm soát trở kháng đặc biệt nghiêm ngặt, từ đó hạn chế số lượng doanh nghiệp có thể sản xuất chúng.
Dung sai hằng số điện môi của tấm gỗ làm từ vật liệu Rogers UHF thường được duy trì ở mức ±2%, và một số sản phẩm thậm chí có thể đạt tới ±1%. Ngược lại, dung sai hằng số điện môi của tấm FR4 cao tới 10%. Vì vậy, so sánh hai vật liệu này có thể thấy rằng tổn thất chèn của Rogers đặc biệt thấp. So với vật liệu FR4 truyền thống, tổn thất truyền tải và tổn thất chèn của ngăn xếp Rogers thấp hơn một nửa.
Trong hầu hết các trường hợp, chi phí là quan trọng nhất. Tuy nhiên, Rogers có thể cung cấp hiệu suất làm việc ở tần số cao tương đối thấp ở mức giá chấp nhận được. Đối với các ứng dụng thương mại, Rogers có thể được chế tạo thành một PCB lai với FR4 gốc epoxy, một số lớp sử dụng vật liệu Rogers và các lớp khác sử dụng FR4.
Khi chọn ngăn xếp Rogers, tần số là yếu tố cần cân nhắc chính. Khi tần số vượt quá 500 MHz, các nhà thiết kế PCB có xu hướng chọn vật liệu Rogers, đặc biệt là cho mạch RF/vi sóng, vì những vật liệu này có thể mang lại hiệu suất cao hơn khi các đường trên được kiểm soát chặt chẽ bằng trở kháng.
So với vật liệu FR4, vật liệu Rogers cũng có thể mang lại tổn thất điện môi thấp hơn và hằng số điện môi của nó ổn định trong dải tần số rộng. Ngoài ra, vật liệu Rogers có thể mang lại hiệu suất suy hao chèn thấp lý tưởng theo yêu cầu của hoạt động tần số cao.
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu dòng Rogers 4000 có độ ổn định kích thước tuyệt vời. Điều này có nghĩa là so với FR4, khi PCB trải qua các chu kỳ hàn nóng chảy lại, nóng và rất nóng, sự giãn nở và co lại nhiệt của bảng mạch có thể được duy trì ở giới hạn ổn định trong tần số cao hơn và chu kỳ nhiệt độ cao hơn.
Trong trường hợp xếp chồng hỗn hợp, có thể dễ dàng sử dụng công nghệ quy trình sản xuất thông thường để trộn Rogers và FR4 hiệu suất cao lại với nhau, do đó tương đối dễ dàng đạt được năng suất sản xuất cao. Ngăn xếp Rogers không yêu cầu quá trình chuẩn bị đặc biệt.
FR4 thông thường không thể đạt được hiệu suất điện rất đáng tin cậy, nhưng vật liệu FR4 hiệu suất cao có đặc tính độ tin cậy tốt, chẳng hạn như Tg cao hơn, vẫn có chi phí tương đối thấp và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ thiết kế âm thanh đơn giản đến các ứng dụng vi sóng phức tạp. .
Cân nhắc thiết kế RF/Lò vi sóng
Công nghệ di động và Bluetooth đã mở đường cho các ứng dụng RF/vi sóng trong các thiết bị đeo được. Dải tần số ngày nay ngày càng trở nên năng động hơn. Một vài năm trước, tần số rất cao (VHF) được định nghĩa là 2GHz~3GHz. Nhưng bây giờ chúng ta có thể thấy các ứng dụng tần số cực cao (UHF) trải dài từ 10GHz đến 25GHz.
Do đó, đối với PCB có thể đeo được, bộ phận RF cần được chú ý nhiều hơn đến vấn đề nối dây và các tín hiệu phải được tách riêng và các dấu vết tạo ra tín hiệu tần số cao phải được giữ cách xa mặt đất. Các cân nhắc khác bao gồm: cung cấp bộ lọc rẽ nhánh, tụ điện tách thích hợp, nối đất và thiết kế đường truyền và đường hồi lưu gần như bằng nhau.
Bộ lọc bỏ qua có thể triệt tiêu hiệu ứng lan tỏa của nội dung nhiễu và nhiễu xuyên âm. Tụ tách cần đặt gần hơn với các chân mang tín hiệu nguồn của thiết bị.
Các đường truyền và mạch tín hiệu tốc độ cao yêu cầu một lớp đất được đặt giữa các tín hiệu lớp nguồn để làm dịu hiện tượng jitter do tín hiệu nhiễu tạo ra. Ở tốc độ tín hiệu cao hơn, sự không phù hợp trở kháng nhỏ sẽ gây ra việc truyền và nhận tín hiệu không cân bằng, dẫn đến méo tín hiệu. Do đó, phải đặc biệt chú ý đến vấn đề phối hợp trở kháng liên quan đến tín hiệu tần số vô tuyến, vì tín hiệu tần số vô tuyến có tốc độ cao và dung sai đặc biệt.
Đường truyền RF yêu cầu trở kháng được kiểm soát để truyền tín hiệu RF từ đế IC cụ thể đến PCB. Các đường truyền này có thể được triển khai ở lớp ngoài, lớp trên cùng và lớp dưới cùng hoặc có thể được thiết kế ở lớp giữa.
Các phương pháp được sử dụng trong quá trình bố trí thiết kế PCB RF là đường dây vi dải, đường dải nổi, ống dẫn sóng đồng phẳng hoặc nối đất. Đường vi dải bao gồm một đoạn kim loại hoặc dấu vết có chiều dài cố định và toàn bộ mặt phẳng nền hoặc một phần của mặt phẳng nền ngay bên dưới nó. Trở kháng đặc tính trong cấu trúc đường truyền vi dải chung nằm trong khoảng từ 50Ω đến 75Ω.
Đường dây nổi là một phương pháp nối dây và khử tiếng ồn khác. Đường dây này bao gồm hệ thống dây điện có chiều rộng cố định ở lớp bên trong và một mặt đất lớn phía trên và bên dưới dây dẫn trung tâm. Mặt đất được kẹp giữa mặt phẳng nguồn nên có thể mang lại hiệu quả nối đất rất hiệu quả. Đây là phương pháp ưa thích để nối dây tín hiệu RF PCB có thể đeo được.
Ống dẫn sóng Coplanar có thể cung cấp khả năng cách ly tốt hơn ở gần mạch RF và mạch cần được định tuyến gần hơn. Môi trường này bao gồm một dây dẫn trung tâm và các mặt đất ở hai bên hoặc bên dưới. Cách tốt nhất để truyền tín hiệu tần số vô tuyến là treo các đường dải hoặc ống dẫn sóng đồng phẳng. Hai phương pháp này có thể cung cấp khả năng cách ly tốt hơn giữa tín hiệu và dấu vết RF.
Nên sử dụng cái gọi là "thông qua hàng rào" trên cả hai mặt của ống dẫn sóng đồng phẳng. Phương pháp này có thể cung cấp một hàng dây nối đất trên mỗi mặt phẳng nối đất kim loại của dây dẫn trung tâm. Đường chính chạy ở giữa có hàng rào ở mỗi bên, do đó cung cấp một lối tắt cho dòng điện quay trở lại mặt đất bên dưới. Phương pháp này có thể giảm mức nhiễu liên quan đến hiệu ứng gợn sóng cao của tín hiệu RF. Hằng số điện môi 4,5 vẫn giữ nguyên như vật liệu FR4 của prereg, trong khi hằng số điện môi của prepreg—từ microstrip, Stripline hoặc offset Stripline—là khoảng 3,8 đến 3,9.
Trong một số thiết bị sử dụng mặt đất, vias mù có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tách của tụ điện và cung cấp đường dẫn song song từ thiết bị tới mặt đất. Đường dẫn hướng xuống đất có thể rút ngắn chiều dài của đường dẫn. Điều này có thể đạt được hai mục đích: bạn không chỉ tạo ra shunt hoặc nối đất mà còn giảm khoảng cách truyền dẫn của các thiết bị có diện tích nhỏ, đây là một yếu tố thiết kế RF quan trọng.