Il design indossabile della scheda PCB richiede attenzione ai materiali di base

Due to their small size and size, there are few ready-made printed circuit boards standards for the growing wearable IoT market. Before these standards became available, Abbiamo dovuto fare affidamento su ciò che abbiamo imparato nell'esperienza di sviluppo e produzione a livello di board e pensare a come applicarli alle sfide emergenti uniche. There are three areas that require our special attention: circuit board surface materials, RF/microwave design, e linee di trasmissione RF.

Scheda PCB material

Scheda PCBin genere sono costituiti da laminati, which may be fabricated from fiber-reinforced epoxy (FR4), materiali poliimidici o Rogers, or other laminates. Il materiale isolante tra i diversi strati è chiamato prepreg. Wearables require high levels of reliability, Quindi questo diventa un problema quando Scheda PCB designers are faced with the choice of using FR4 (a cost-effective PCB manufacturing material) or more advanced and more expensive materials. Se un indossabile Scheda PCB application requires high-speed, materiali ad alta frequenza, FR4 may not be the choice. The dielectric constant (Dk) of FR4 is 4.5, Il materiale più avanzato della serie Rogers 4003 ha una costante dielettrica di 3.55, e il fratello Rogers 4350 ha una costante dielettrica di 3.66.

La costante dielettrica di una pila si riferisce al rapporto tra la capacità o l'energia tra una coppia di conduttori in prossimità della pila e la capacità o l'energia tra la coppia di conduttori in vuoto. Alle alte frequenze, there is very little loss, Quindi Roger 4350 con una costante dielettrica di 3.66 is more suitable for higher frequency applications than FR4 with a dielectric constant of 4.5. Under normal circumstances, Il numero di strati PCB per dispositivi indossabili varia da 4 a 8 strati. The layer construction principle is that if it is an 8-layer PCB, Dovrebbe fornire abbastanza piani di terra e potenza e sandwich gli strati di routing. In this way, the ripple effect in crosstalk is preserved and electromagnetic interference (EMI) can be significantly reduced. In the circuit board layout design stage, il piano di layout è generalmente quello di posizionare un grande strato vicino allo strato di distribuzione dell'energia. This results in a very low ripple effect and the system noise can be reduced to almost zero. Ciò è particolarmente importante per i sottosistemi RF. Compared to Rogers materials, FR4 has a higher dissipation factor (Df), especially at high frequencies. Per stack FR4 ad alte prestazioni, the Df value is around 0.002, which is an order of magnitude better than regular FR4. Ma Rogers' stack è solo 0.001 or less. Quando il materiale FR4 è utilizzato per applicazioni ad alta frequenza, there is a noticeable difference in insertion loss. La perdita di inserimento è definita come la perdita di potenza nella trasmissione del segnale dal punto A al punto B quando si utilizza FR4, Rogers, o altri materiali.

Manufacturing problems

Wearable Scheda PCB richiedono un controllo più stretto dell'impedenza, un fattore importante per i dispositivi indossabili, as impedance matching can result in cleaner signal transmission. Prima, the standard tolerance for signal-carrying traces was ±10%. Questo indicatore ovviamente non è abbastanza buono per i circuiti ad alta frequenza ad alta velocità odierni. The current requirement is ±7%, e in alcuni casi anche ±5% o meno. This parameter, insieme ad altre variabili, can severely impact the manufacture of these wearable PCBs with particularly tight impedance control, limitando così il numero di commercianti che possono fabbricarli. The dielectric constant tolerance of laminates made of Rogers UHF materials is generally maintained at ±2%, e alcuni prodotti possono anche raggiungere ±1%. Rogers can be found to have exceptionally low insertion loss with these two materials. Le pile Rogers hanno metà della perdita di trasmissione e inserimento rispetto ai materiali FR4 convenzionali. In most cases, questioni relative ai costi. However, Rogers può fornire prestazioni di stack-up ad alta frequenza relativamente basse ad un prezzo accettabile. For commercial applications, Rogers può essere combinato con FR4 a base epossidica per creare PCB ibridi, with some layers using Rogers material and others using FR4. Quando si seleziona uno stack Rogers, frequency is the primary consideration. Quando le frequenze superano i 500 MHz, Scheda PCB designers tend to choose Rogers materials, specialmente per RF/microwave circuits, perché questi materiali possono fornire prestazioni superiori quando le tracce di cui sopra sono rigorosamente controllate dall'impedenza. Rogers materials also offer lower dielectric losses compared to FR4 materials, e le loro costanti dielettriche sono stabili su un ampio intervallo di frequenza. Inoltre, Rogers materials can provide the ideal low insertion loss performance required for high frequency operation. The coefficient of thermal expansion (CTE) of Rogers 4000 series materials has excellent dimensional stability. This means that the thermal expansion and contraction of the board can be maintained at a stable limit at higher frequency and higher temperature cycling when the board is subjected to cold, Cicli di riflusso caldi e molto caldi rispetto a FR4. In the case of a hybrid stack, Rogers e FR4 ad alte prestazioni possono essere facilmente miscelati utilizzando la comune tecnologia di processo di produzione, so it is relatively easy to achieve high manufacturing yields. Lo stackup Rogers non richiede un processo di preparazione dedicato. Regular FR4 cannot achieve very reliable electrical performance, ma i materiali FR4 ad alte prestazioni hanno buone caratteristiche di affidabilità, such as higher Tg, sono ancora relativamente bassi, and can be used in a wide variety of applications, dai semplici progetti audio alle complesse applicazioni a microonde.

RF/Microwave Design Considerations

Portable technology and Bluetooth paved the way for RF/microwave applications in wearables. La gamma di frequenze di oggi sta diventando sempre più dinamica. A few years ago, very high frequency (VHF) was defined as 2GHz ~ 3GHz. But now we can see ultra-high frequency (UHF) applications in the range of 10GHz to 25GHz. Pertanto, for the wearable Scheda PCB, la parte RF richiede una maggiore attenzione ai problemi di cablaggio, separate signals, e mantenere le tracce che generano segnali ad alta frequenza lontano da terra. Other considerations include: providing bypass filters, condensatori di disaccoppiamento adeguati, grounding, e progettare linee di trasmissione e ritorno quasi uguali. Un filtro bypass sopprime gli effetti di ripple del contenuto di rumore e crosstalk. Decoupling capacitors need to be placed closer to the device pins that carry the power signal. Le linee di trasmissione ad alta velocità e i circuiti di segnale richiedono un piano di terra tra i segnali del piano di potenza per attenuare il jitter dai segnali rumorosi. At higher signal speeds, Piccoli disallineamenti di impedenza possono causare segnali di trasmissione e ricezione sbilanciati, resulting in distortion. Pertanto, special attention must be paid to impedance matching problems associated with RF signals, che hanno velocità elevate e tolleranze speciali. RF transmission lines require controlled impedance in order to transmit RF signals from a specific IC substrate to a Scheda PCB. Queste linee di trasmissione possono essere implementate nell'esterno, top and bottom layers, e può anche essere progettato nello strato centrale. The methods used during RF design layout of the PCB are microstrip, stripline galleggiante, coplanar waveguide or grounding. Una linea microtrip consiste di una lunghezza fissa di metallo o di traccia e l'intero piano di terra o parte del piano di terra direttamente sotto di essa. The characteristic impedance in a general microstrip line structure is from 50Ω to 75Ω.

Stripline sospese sono un altro metodo di instradamento e soppressione del rumore. This line consists of fixed-width wiring on the inner layer and a large ground plane above and below the center conductor. Il piano di terra è inserito tra i piani di potenza e quindi fornisce un effetto di messa a terra molto efficace. This is the preferred method for RF signal routing on wearable Scheda PCBs. Coplanar waveguides can provide better isolation near RF lines and lines that need to be traced close together. Questo mezzo è costituito da una lunghezza di conduttori centrali e piani di terra su entrambi i lati o sotto. The method of transmitting RF signals is suspended striplines or coplanar waveguides. Questi due metodi forniscono un migliore isolamento tra segnale e tracce RF. The use of so-called "via fences" is recommended on both sides of a coplanar waveguide. Questo approccio fornisce una fila di vias di terra su ogni piano di terra metallico del conduttore centrale. The main trace running in the middle is fenced on each side, dando così alla corrente di ritorno una scorciatoia alla formazione sottostante. Questo approccio riduce i livelli di rumore associati ad alti effetti di ripple sui segnali RF. The dielectric constant of 4.5 rimane lo stesso del materiale prepreg FR4, while the prepreg from microstrip, stripline, or offset stripline has a dielectric constant of about 3.8 a 3.9. In alcuni dispositivi che utilizzano un piano di terra, blind vias may be used to improve the decoupling performance of the power supply capacitors and provide a shunt path from the device to ground. Il percorso dello shunt a terra può accorciare la lunghezza della via, which serves two purposes: you not only create a shunt or ground, ma è possibile ridurre la distanza di trasmissione dei dispositivi con terreno piccolo, which is an important Scheda PCB Fattore di progettazione RF .