PCBブログ - ウェアラブルPCBボードの設計で注意するいくつかのポイント

PCBボードの容量とサイズが小さいため,成長しているウェアラブルIoT市場のために準備就きのプリント回路ボード標準はほとんどありません.これらの標準が発表される前に、ボードレベルの開発で学んだ知識と製造経験に頼り、それらをユニークな新興課題に適用する方法を考えなければならなかった。特別な注意を必要とする3つの分野があります。それらは回路板の表面材料、RF/マイクロ波設計およびRF伝送ラインです。PCBボード材料PCBボードは、一般的に纤維強化エポキシ樹脂（FR4）、ポリイミドまたはロジャーズ材料または他のラミネート材料で作られることができるラミネートで構成されています。異なる層の間の断熱材料は、プレプと呼ばれます。

ウェアラブルPCBボードの設計で注意を払う必要があるいくつかの重要なポイントウェアラブルデバイスは高い信頼性を要求するため,PCBボードデザイナーがFR4 (コスト効率の高いPCBボード製造材料) またはより先進的で高価な材料を使用する選択に直面すると,これは問題になります.ウェアラブルPCBボードアプリケーションが高速,高周波材料を必要とする場合,FR4は選択ではないかもしれません.FR4の介電定数（Dk）は4.5であり、より先進的なロジャーズ4003シリーズ材料の介電定数は3.55であり、兄弟シリーズロジャーズ4350の介電定数は3.66です。ラミネートの介電常数は,ラミネートの近くの導体の一組間の容量またはエネルギーと真空の導体の一組間の容量またはエネルギーの比率を指します.高周波数では、損失はほとんどありません。したがって,介電定数3.66のロジャー4350は,介電定数4.5のFR4よりも高周波数アプリケーションに適しています.通常の状況では,ウェアラブルデバイスのPCB層の数は4〜8層です.層構造の原則は,8層PCB板であれば,十分な地面と電力層を提供し,配線層をサンドイッチすることができる必要があります.このように、クロストークにおけるリップル効果を維持し、電磁干渉（EMI）を大幅に減らすことができます。回路板のレイアウト設計段階では,レイアウト計画は通常,電力配分層の近くに大きな地面層を置くことです.これは非常に低いリップル効果を形成し、システムノイズもほぼゼロに減らすことができます。これはラジオ周波数サブシステムにとって特に重要です。ロジャーズ材料と比べて、FR4は特に高周波数で高い散射因子（Df）を持っています。性能の高いFR4ラミネートの場合,Df値は0.002のおよそで,通常のFR4より数量順位良いです.しかし、ロジャーズのスタックは0.001以下です。FR4材料が高周波アプリケーションに使用される場合,插入損失には大きな違いがあります.插入損失は、FR4、ロジャーズまたは他の材料を使用するときにポイントAからポイントBへの信号の電力損失と定義されています。製造の問題Wearable PCBボードは,より厳格なインピデンス制御を必要とします.これはウェアラブルデバイスにとって重要な要因です。インピデンスマッチングは,よりクリーンな信号伝達を生み出すことができます.以前、信号を運ぶトレースに対する標準的許容は±10％でした。この指標は明らかに今日の高周波および高速回路に十分ではない。現在の要件は±7％であり,いくつかの場合は±5％以下です.このパラメータやその他の変数は,特に厳格なインピーダンス制御を備えたこれらのウェアラブルPCBボードの製造に深刻な影響を与え,製造できる企業の数を制限します.ロジャーズUHF材料で作られたラミネートの介電常数許容は、一般的に±2％に維持され、一部の製品は±1％に達することもできます。対照的に、FR4ラミネートの介電常数公差は10％まで高い。したがって、これらの2つの材料を比較して、ロジャースのロロロジャーズのインサート損失は特に低いことを見つけることができます。伝統的なFR4材料と比べると,ロジャーススタックの伝達損失と埋め込み損失は半分低い.ほとんどの場合、コストが重要です。しかし,ロジャーズは,比較的低損失の高周波ラミネート性能を受け入れられる価格で提供できます.商業用途では,ロジャーズはエポキシベースのFR4を持つハイブリッドPCBに作ることができ,その一部の層はロジャーズ材料を使用し,他の層はFR4を使用します.ロジャーズスタックを選ぶときは、周波数が主な考慮事項です。周波数が500MHzを超える場合,PCBボード設計者は,特にRF/マイクロ波回路のためにロジャーズ材料を選択する傾向があります.FR4材料と比べると,ロジャーズ材料はまた低い介電損失を提供することができ,その介電常数は広い周波数範囲で安定しています.さらに,ロジャーズ材料は,高周波動作に必要な理想的な低い高高周波動作損失性能を提供することができます.ロジャーズ4000シリーズ材料の熱膨張系数（CTE）は優れた次元安定性を持っています。これは,FR4と比較して,PCB板が冷たい,熱い,非常に熱いリフロー溶接サイクルを経験すると,回路板の熱膨張と収縮は,より高い周波数とより高い温度サイクルの下で安定した限界で維持することができることを意味します.混合スタッキングの場合,一般的な製造プロセス技術を使用してロジャーズと高性能FR4を混合させることが容易なので,高い製造収益率を達成することが比較的容易です.ロジャーズスタックは特別な準備プロセスを必要としません。通常のFR4は非常に信頼性の高い電気性能を達成することはできませんが,高性能FR4材料は,より高いTgなどの良い信頼性特性を持ち,依然として比較的低コストで,シンプルなオーディオ設計から複雑なマイクロ波アプリケーションまで幅広いアプリケーションで使用できます.ポータブルテクノロジーとBluetoothは,ウェアラブルデバイスにおけるRF/マイクロ波アプリケーションの道を開いています.今日の周波数範囲はますますダイナミックになっています。数年前、非常に高周波数（VHF）は2GHzï1⁄2Ž3GHzと定義されました。しかし、今では10GHzから25GHzまでの超高周波数（UHF）アプリケーションを見ることができます。したがって,ウェアラブルPCBボードの場合,無線周波数部分は,配線問題により多くの注意を必要とし,信号は別々に分離され,高周波数信号を生成する痕跡は地面から離れなければなりません.他の考慮事項には,バイパスフィルターの提供,適切なデカップリングコンデンサー,接地,および伝送ラインとリターンラインをほぼ等しく設計することがあります.バイパスフィルターは,ノイズ内容とクロストークのリップル効果を抑制できます.デカップリングコンデンサーは,電源信号を運ぶデバイスピンの近くに置かなければなりません.高速伝送線と信号回路は,電電源層信号の間に地面層を置く必要があります.ノノノイズ信号によって生成されるジターを滑らかにするために.信号速度が高い場合,小さなインピーダンスの不一致は,信号の送信と受信の不均衡を引き起こし,信信信信号の信信信信号の送信と受信の不均衡を引き起こします.したがって,無線周波数信号は高速と特別な無無線周波数信号に関連するインピーダンスマッチング問題に特別な注意を払わなければなりません.無線周波伝送ラインは,特定のIC基板からPCBボードに無線周波信号を送信するために制御されたインピデンスを必要とします.これらの伝送線は,外層,上層,下層に実装することができ,または中層に設計することができます.PCBボードのRFレイアウト中に使用される方法には,マイクロストリップライン,悬浮ストリップライン,コプラナー波ガイド,または接地が含まれています.マイクロストリップラインは,固定長さの金属または痕跡と,その直下の地面全体または地面の一部で構成されています.一般的なマイクロストリップライン構造の特徴的なインピデンスは,50Ωから75Ωです.ウェアラブルPCBボードデザイナーが注意する必要がある3つの主要な領域ストリップラインは配線と配配線抑制の別の方法です。このラインは,内層の固定幅の配線と,中央導体の上下の大きな地面で構成されています.地面はパワー平面の間にサンドイッチされているので、非常に効果的な地面効果を提供することができます。これは,ウェアラブルPCBボード上のRF信号配線の好ましい方法です.コプラナー波ガイドは,より近くルートする必要があるRFラインとライン間のより良い隔離を提供することができます.この媒体は中央導体と両側または下側の地面から構成されています。無線周波数信号を送信する方法は,悬停ストリップラインまたはコプラナー波導体である.これらの2つの方法は,信号とRFトレースの間のより良い隔離を提供することができます.コプラナー波導体の両側にいわゆる「フェンス通り」を使用することが推奨されます。この方法は,中心導体の各金属の地面面に一列の地面通路を提供することができます.中央に走っているメイントレースには両側の中中両側に中中中央のフェンスがあり,そのため,下の地面への返電流のショートカットを提供します.この方法は,RF信号の高いリップル効果に関連するこのこのこのこのこのこのこのこの方法により,このこのRF信号の高いリップル効果に関連するこのこのこのこのこのこの方法は,このこのこの方法により,RF信号の4.5の介電定数はプリプレグのFR4材料と同じであり、マイクロストリップ、ストリップライン、またはオフセットストリップラインからのプリプレグの介電定数は約3.8〜3.9です。地面平面を使用するいくつかの装置では、ブラインドビアは電源コンデンサーの分離性能を改善し、装置から地面へのシャントパスを提供するために使用することができる。地面へのシャントパスは,通路の長さを短縮することができ,2つの目的を達成することができます.シャントまたは地面を作成するだけでなく,小さな地面を持つデバイスの伝送距離を短縮することもできます.これは重要なRF PCBボード設計要因です.