Do kích thước và kích thước nhỏ, hầu như không có tiêu chuẩn bảng mạch in hiện có cho thị trường IoT có thể đeo được. Trước khi các tiêu chuẩn này được đưa ra, chúng tôi đã phải dựa vào kiến thức và kinh nghiệm sản xuất đã học được trong phát triển cấp độ hội đồng quản trị và suy nghĩ về cách áp dụng chúng vào những thách thức mới nổi độc đáo. Có ba lĩnh vực đòi hỏi sự chú ý đặc biệt của chúng tôi. Chúng là: vật liệu bề mặt bảng mạch, thiết kế RF/vi sóng và đường truyền RF.
Vật liệu PCB
Nói chung, PCB PCB bao gồm các lớp, có thể được làm bằng epoxy được gia cố sợi (FR4), vật liệu polyimide hoặc rogers hoặc các vật liệu gỗ khác. Vật liệu cách điện giữa các lớp khác nhau được gọi là Precreg.
Các thiết bị có thể 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 hiệu quả 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 tần số cao, tốc độ cao, 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 Series Rogers 4003 tiên tiến hơn là 3,55 và hằng số điện môi của loạt Brother Rogers 4350 là 3,66.
Hằng số điện môi của một lớp đề cập đến tỷ lệ điện dung hoặc năng lượng giữa một cặp dây dẫn gần lớp so với điện dung hoặc năng lượng giữa các cặp dây dẫn trong chân không.
Trong trường hợp bình thường, số lượng lớp PCB cho các thiết bị có thể đeo nằm trong khoảng từ 4 đến 8 lớp. Nguyên tắc xây dựng lớp là nếu đó là PCB 8 lớp, nó sẽ có thể cung cấp đủ các lớp mặt đất và năng lượng và bánh sandwich lớp dây. Theo cách này, hiệu ứng gợn 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 cục bảng mạch, kế hoạch bố cục thường là đặt một lớp mặt đất lớn gần với lớp phân phối năng lượng. Điều này có thể tạo thành một hiệu ứng gợn rất thấp và nhiễu hệ thống cũng có thể được 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 yếu tố phân tán cao hơn (DF), đặc biệt là ở tần số cao. Đối với hiệu suất cao hơn FR4, giá trị DF là khoảng 0,002, là thứ tự tốt hơn độ lớn 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 một sự khác biệt đáng kể trong mất chèn. Mất chèn được định nghĩa là mất điện 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 cho các thiết bị đeo được. Kết hợp trở kháng có thể tạo ra truyền tín hiệu sạch hơn. Trước đó, dung sai tiêu chuẩn cho dấu vết mang tín hiệu là ± 10%. Chỉ số 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 ± 5% hoặc ít hơn. Tham số này và các biến khác sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc sản xuất các PCB có thể đeo này với kiểm soát trở kháng đặc biệt nghiêm ngặt, do đó hạn chế số lượng doanh nghiệp có thể sản xuất chúng.
Tính dung sai hằng số điện môi của các lớp làm từ các vật liệu UHF của Rogers thường được duy trì ở mức ± 2%và một số sản phẩm thậm chí có thể đạt ± 1%. Ngược lại, dung sai hằng số điện môi của laminate FR4 cao tới 10%. Do đó, so sánh hai vật liệu này có thể được tìm thấy rằng mất chèn của Rogers là đặc biệt thấp. So với các vật liệu FR4 truyền thống, mất truyền và mất 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 laminate tần số cao tương đối thấp ở mức giá chấp nhận được. Đối với các ứng dụng thương mại, Rogers có thể được tạo thành PCB lai với FR4 dựa trên epoxy, một số lớp sử dụng vật liệu Rogers và các lớp khác sử dụng FR4.
Khi chọn ngăn xếp Rogers, tần số là sự xem xét chính. Khi tần số vượt quá 500 MHz, các nhà thiết kế PCB có xu hướng chọn vật liệu Rogers, đặc biệt là các mạch RF/vi sóng, bởi vì các vật liệu này có thể cung cấp hiệu suất cao hơn khi các dấu vết trên được điều khiển nghiêm ngặt bởi trở kháng.
So với vật liệu FR4, vật liệu Rogers cũng có thể cung cấp tổn thất điện môi thấp hơn và hằng số điện môi của nó ổn định trong một dải tần số rộng. Ngoài ra, tài liệu Rogers có thể cung cấp hiệu suất mất chèn thấp lý tưởng theo yêu cầu của hoạt động tần số cao.
Hệ số mở rộng nhiệt (CTE) của vật liệu Rogers 4000 Series có độ ổn định kích thước tuyệt vời. Điều này có nghĩa là so với FR4, khi PCB trải qua các chu kỳ hàn lại lạnh, nóng và rất nóng, sự giãn nở và co thắt nhiệt của bảng mạch có thể được duy trì ở giới hạn ổn định dưới tần số cao hơn và chu kỳ nhiệt độ cao hơn.
Trong trường hợp xếp chồng hỗn hợp, dễ dàng sử dụng công nghệ quy trình sản xuất phổ biến để kết hợp Rogers và FR4 hiệu suất cao với nhau, do đó, tương đối dễ dàng để đạt được năng suất sản xuất cao. Stack Rogers không yêu cầu một quy trình chuẩn bị đặc biệt.
FR4 thông thường không thể đạt được hiệu suất điện rất đáng tin cậy, nhưng các vật liệu FR4 hiệu suất cao có đặc điểm độ tin cậy tốt, chẳng hạn như TG cao hơn, vẫn tương đối thấp và có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, từ thiết kế âm thanh đơn giản đến các ứng dụng vi sóng phức tạp.
RF/xem xét thiết kế vi sóng
Công nghệ di động và Bluetooth đã mở đường cho các ứng dụng RF/vi sóng trong các thiết bị đeo được. Phạm vi tần số ngày nay ngày càng trở nên năng động hơn. Một vài năm trước, tần số rất cao (VHF) được xác định là 2GHz ~ 3GHz. Nhưng bây giờ chúng ta có thể thấy các ứng dụng tần số cực cao (UHF) dao động từ 10GHz đến 25GHz.
Do đó, đối với PCB có thể đeo được, phần RF đòi hỏi sự chú ý nhiều hơn đến các vấn đề về hệ thống dây điện và các tín hiệu nên được tách biệt riêng biệt và các dấu vết tạo ra tín hiệu tần số cao nên được tránh xa khỏi mặt đất. Các cân nhắc khác bao gồm: Cung cấp bộ lọc bỏ qua, các tụ tách tách đầy đủ, nối đất và thiết kế đường truyền và đường trở lại gần như bằng nhau.
Bộ lọc bỏ qua có thể ngăn chặn hiệu ứng gợn của hàm lượng nhiễu và nhiễu xuyên âm. Các tụ điện tách rời cần được đặt gần hơn với các chân thiết bị mang tín hiệu năng lượng.
Các đường truyền tốc độ cao và các mạch tín hiệu yêu cầu một lớp mặt đất được đặt giữa các tín hiệu lớp công suất để làm mịn jitter được tạo bởi tín hiệu nhiễu. Ở tốc độ tín hiệu cao hơn, sự không phù hợp trở kháng nhỏ sẽ gây ra truyền không cân bằng và nhận tín hiệu, dẫn đến biến dạng. Do đó, phải chú ý đặc biệt đến vấn đề khớp 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.
Các đường truyền RF yêu cầu trở kháng được kiểm soát để truyền tín hiệu RF từ chất nền IC cụ thể đến PCB. Các đường truyền này có thể được thực hiện ở lớp bên 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 dòng microstrip, dòng dải nổi, ống dẫn sóng Coplanar hoặc nối đất. Đường microstrip bao gồm một chiều dài cố định của kim loại hoặc dấu vết và toàn bộ mặt phẳng mặt đất hoặc một phần của mặt phẳng mặt đất ngay bên dưới nó. Trở kháng đặc trưng trong cấu trúc dòng microstrip chung dao động từ 50Ω đến 75Ω.
Dải nổi là một phương pháp khác của hệ thống dây điện và triệt tiêu tiếng ồn. Dòng này bao gồm hệ thống dây rộng cố định trên lớp bên trong và một mặt phẳng mặt đất lớn phía trên và bên dưới dây dẫn trung tâm. Mặt phẳng mặt đất được kẹp giữa mặt phẳng điện, vì vậy nó có thể cung cấp một hiệu ứng đất rất hiệu quả. Đây là phương pháp ưa thích cho hệ thống dây tín hiệu PCB RF có thể đeo.
Ống dẫn sóng Coplanar có thể cung cấp sự cô lập tốt hơn gần mạch RF và mạch cần được định tuyến gần hơn. Phương tiện này bao gồm một dây dẫn trung tâm và các mặt phẳng mặt đất ở hai bên hoặc bên dưới. Cách tốt nhất để truyền tín hiệu tần số vô tuyến là treo các dòng dải hoặc ống dẫn sóng Coplanar. Hai phương pháp này có thể cung cấp sự cô lập tốt hơn giữa dấu vết tín hiệu và RF.
Nên sử dụng cái gọi là hàng rào qua hàng rào ở cả hai bên của ống dẫn sóng Coplanar. Phương pháp này có thể cung cấp một hàng các vias mặt đất trên mỗi mặt phẳng mặt đất kim loại của dây dẫn trung tâm. Dấu vết chính chạy ở giữa có hàng rào ở mỗi bên, do đó cung cấp một lối tắt cho dòng điện trở lại mặt đất bên dưới. Phương pháp này có thể làm giảm mức độ nhiễu liên quan đến hiệu ứng gợn cao của tín hiệu RF. Hằng số điện môi là 4,5 vẫn giống như vật liệu FR4 của Precreg, trong khi hằng số điện môi của Prepreg từ Microstrip, Dải hoặc dải bù là khoảng 3,8 đến 3,9.
Trong một số thiết bị sử dụng mặt phẳng mặt đất, vias mù có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất tách rời của tụ điện và cung cấp một đường dẫn shunt từ thiết bị xuống đất. Con đường shunt xuống đất có thể rút ngắn chiều dài của VIA. Điều này có thể đạt được hai mục đích: bạn không chỉ tạo ra một shunt hoặc mặt đất, mà còn làm giảm khoảng cách truyền của các thiết bị với các khu vực nhỏ, đây là một yếu tố thiết kế RF quan trọng.