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ウェアラブル・PCBボードの設計における留意点
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ウェアラブル・PCBボードの設計における留意点

ウェアラブル・PCBボードの設計における留意点

2022-01-10
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Author:pcb

小さいボリュームとサイズのために PCBボード, 成長する着用可能なIOT市場のための既製のプリント回路基板標準はほとんどない. これらの基準が出る前に, 我々は、ボードレベルの開発で学んだ知識と製造経験に頼らなければならなくて、彼らをユニークな新興課題に適用する方法について考えなければなりませんでした. 私たちの特別な注意を必要とする3つの領域があります. 回路基板表面材料, RF/マイクロ波 デザイン RF伝送線路.

PCBボード 材料

PCBボードsは一般に積層体から成る, which may be made of fiber-reinforced epoxy resin (FR4), ポリイミド又はロジャース材料又は他の積層材料. 異なる層の間の絶縁材料はプリプレグと呼ばれる.

PCBボード

いくつかの重要なポイントを注意する必要があります デザイン 着用できる PCBボードs

Wearable devices require high reliability, だから PCBボード デザインers are faced with the choice of using FR4 (a cost-effective PCBボード manufacturing material) or more advanced and more expensive materials, これが問題になる. 着用可能ならば PCBボード アプリケーションが高速, 高周波材料, FR 4は選択ではないかもしれない. The dielectric constant (Dk) of FR4 is 4.5, より高度なロジャース4003シリーズ材料の誘電率は3である.55, ブラザーシリーズロジャース4350の誘電率は3である.66. 積層体の誘電率は、ラミネートの近くの一対の導体間のキャパシタンスまたはエネルギーの比率を、真空中の導体の間のキャパシタンスまたはエネルギーに対する比率である. 高周波で, 損失はほとんどない. したがって, 誘電率3のロジャー4350.66は、誘電率4の誘電率FR 4より高い周波数用途に適している.5. 平常に, 着用可能なデバイスのためのPCB層の数は4~8層である. 層構造の原理は、8層であれば PCBボード, 十分なグランドおよびパワー層を提供し、配線層をサンドイッチすることができる. このように, the ripple effect in crosstalk can be maintained and electromagnetic interference (EMI) can be significantly reduced. 回路基板レイアウト デザイン ステージ, レイアウト計画は、一般に、大きな接地層を電力分配層14の近くに配置することである. これは非常に低いリップル効果を形成することができます, また、システムノイズもほぼゼロにすることができます. これは特に無線周波数サブシステムにとって重要である. ロジャース材料と比較して, FR4 has a higher dissipation 因子 (Df), 特に高周波で. 高性能FR 4積層材料用, df値は0です.002, これは通常のFR 4よりも優れたオーダーです. しかし, ロジャースのスタックは0です.〇〇〇以下. Fr 4材料が高周波用途に使用されるとき, 挿入損失には有意差がある. 挿入損失は、FR 4を使用するとき、A点からB点までの信号の電力損失と定義される, ロジャースその他の材料.

Manufacturing problem

Wearable PCBボードsは厳密なインピーダンス制御を必要とする. これは着用可能な装置にとって重要な要素である. インピーダンス整合はクリーナ信号伝送を生じる. 以前, トレースを運ぶ信号の標準トレランスは±±10 %であった. この指標は明らかに今日の高周波回路と高速回路のために十分ではない. 現在の要件は, 場合によっては±5 %以下でもよい. このパラメータと他の変数は、これらの着用可能な製品の製造に重大な影響を与えます PCBボード特に厳密なインピーダンス制御, それによって、それらを製造できるビジネスの数を制限すること. ロジャースUHF材料で作られたラミネートの比誘電率は、一般に±±2 %で維持される, そして、若干の製品さえ、±1 %. 対照的に, FR 4積層体の比誘電率は10 %以下である. したがって, これらの2つの材料を比較すると、ロジャースの挿入損失が特に低いことがわかる. 伝統的FR 4材料と比較, ロジャーススタックの伝送損失と挿入損失は半分以下である. ほとんどの場合, コスト問題. しかし, ロジャースは、許容できる価格点で比較的低い損失高周波積層性能を提供することができる. 商用アプリケーション, ロジャースはエポキシベースFR 4を有するハイブリッドPCBにすることができる, いくつかの層を使用するロジャース材料, と他の層はFR 4を使用します. ロジャーズスタックの選択, 周波数は主要な考察. 周波数が500 MHzを超えるとき, PCBボード デザインERSはロジャース材料を選ぶ傾向がある, 特にRF用/マイクロ波回路, これらの材料は、上部トレースが厳密なインピーダンス制御を受けるときにより高い性能を提供することができるので. FR 4材料と比較, ロジャース材料は、低い誘電損失も提供することができます, 誘電率は広い周波数範囲で安定である. 加えて, Rogers材料は、高周波数動作によって必要とされる理想的な低挿入損失性能を提供することができる. The coefficient of thermal expansion (CTE) of Rogers 4000 series materials has excellent dimensional stability. これはFR 4と比較して, 時 PCBボード 冷たい, ホット及びリフローはんだ付けサイクル, 回路基板の熱膨張及び収縮は、高い周波数及び高温サイクルの下で安定した限界に維持され得る. 混合積層の場合, それは、一緒にロジャーズと高性能FR 4を混ぜ合わせるために一般的な製造プロセス技術を使うのが簡単です, したがって、高い製造歩留まりを達成することは比較的容易である. ロジャーズ・スタックは特別なvia準備プロセスを必要としない. 通常のFR 4は、非常に信頼できる電気性能を達成することができない, しかし、高性能FR 4材料は、良好な信頼性特性を有する, より高いTGのような, 比較的低コスト, とアプリケーションの広い範囲で使用することができます, シンプルオーディオから デザイン 複雑なマイクロ波応用.

RF/マイクロ波 デザイン considerations

Portable technology and Bluetooth have paved the way for RF/ウェアラブルデバイスにおけるマイクロ波応用. 今日の周波数範囲はますますダイナミックになっている. 数年前, very high frequency (VHF) was defined as 2GHz~3GHz. But now we can see ultra-high frequency (UHF) applications ranging from 10GHz to 25GHz. したがって, 着用できる PCBボードs, 無線周波数部分は配線問題により注意を要する, 信号を分離しなければならない, そして、高周波信号を発生させる跡は、地面から遠ざかる必要があります. 他の考慮事項は以下を含みます:バイパスフィルタを提供すること, 適切な減結合コンデンサ, 接地, and デザイン伝送線路と戻り線をほぼ等しくする. バイパスフィルタは、クロストークの雑音量及びリップル効果を抑制することができる. デカップリングコンデンサは、電力信号を運ぶデバイスピンにより近くに配置する必要がある. 高速伝送ライン及び信号回路は、ノイズ層によって生成されるジッタを滑らかにするために、接地層を電力層信号間に配置する必要がある. より高い信号速度で, 小さなインピーダンス不整合は信号の不平衡伝送および受信を引き起こす, 歪曲する. したがって, 無線周波数信号に関連するインピーダンス整合問題に特に注意しなければならない, 無線周波数信号は高速で特別な許容範囲を持つので. 無線周波数伝送線路は、特定のIC基板から無線周波数信号を送信するために、制御されたインピーダンスを必要とする PCBボード. これらの伝送線路は、外側層102上で実現され得る, トップ層と底層, または、 デザイン中間層のED. のRFレイアウト中に使用される方法 PCBボード マイクロストリップラインを含む, 吊り下げ線, コプレーナ導波路, または接地. マイクロストリップ線路は、固定長の金属またはトレースと、それの下に直接接地面またはグランドプレーンの一部から構成される. 一般的なマイクロストリップ線路構造における特性インピーダンスは、50.

着用可能な3つの主要地域 PCBボード デザインers need to pay attention to

Suspended ストリップライン is another method of wiring and suppressing noise. この線は内側導体上の固定幅配線と中心導体の上下に大きなグランドプレーンからなる. グランドプレーンはパワープレーンの間に挟まれている, だから非常に効果的な接地効果を提供することができます. これは着用可能なRF信号配線の好ましい方法である PCBボードs. コプレーナ導波路は、RFラインとラインの間のより良い分離を提供することができる. この媒体は、中央導体と接地面からなる. 無線周波数信号を送信する方法は、吊り下げストリップ線路またはコプレーナ導波路である. これらの2つの方法は、信号とRFトレースとの間のより良い分離を提供することができる. コプレーナ導波路の両側にいわゆる「ビアフェンス」を使用することを推奨する. この方法は、中心導体の各金属接地面上に1列の接地ビアを提供することができる. 中央に走っている主な跡は、両側にフェンスを持っています, したがって、以下の地面への復帰電流のためのショートカットを提供する. この方法は、RF信号の高いリップル効果に関連する雑音レベルを低減することができる. 誘電率4.5はプリプレグのFR 4材料と同じままである, マイクロストリップからのプリプレグの誘電率, stripline, またはオフセットストリップラインは約3です.8から3.9. 地面を使用するいくつかの装置で, ブラインドビアを使用して、パワーキャパシタのデカップリング性能を改善し、デバイスから接地へのシャントパスを提供することができる. 地面へのシャントパスは、ビアの長さを短くすることができる, つの目的を達成することができます, しかし、小さい地面でデバイスの伝送距離を減らす, 重要なRF PCBボードデザイン factor .