PCBブログ - ウェアラブルPCBボード設計は基本材料に焦点を当てる

小さいサイズとサイズのために, 既製品は少ない プリント回路基板 成長する着用可能なIOT市場の基準. これらの規格が利用可能になる前に, 我々は、ボードレベルの開発と製造経験で学んだことに依存し、どのようにユニークな新興課題に適用する方法について考えて. 我々の特別な注意を必要とする3つの領域があります, RF/マイクロ波設計, RF伝送線路.

PCBボード 材料

PCBボードsは典型的に積層材から成る, which may be fabricated from fiber-reinforced epoxy (FR4), ポリイミドまたはロジャース材料, その他の積層材. 異なる層の間の絶縁材料はプリプレグと呼ばれる. ウェアラブルは高信頼性を必要とする, それで、これは問題になります PCBボード designers are faced with the choice of using FR4 (a cost-effective PCB manufacturing material) or more advanced and more expensive materials. 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, より先進のロジャース4003シリーズ材料は、3の誘電率を持ちます.55, そして、兄弟旋回器4350は、誘電率3を有する.66.

スタックの誘電率は、スタックの近傍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、真空中の一対の導体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. 層構成原理は、8層PCBであるということである, それは十分なグランドとパワープレーンを提供して、ルーティング層をサンドイッチしなければなりません. このように, the ripple effect in crosstalk is preserved and electromagnetic interference (EMI) can be significantly reduced. 回路基板レイアウト設計段階, レイアウト計画は、一般に、配電層に近い大きな層を配置することである. これは非常に低いリップル効果をもたらし、システムノイズをほぼゼロにすることができる. これは特にRF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 factor (Df), 特に高周波で. より高性能のFR 4スタック用, 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、ロジャーズのスタックは0です.〇〇〇以下. 高周波用途にFR 4材料を使用する場合, 挿入損失に顕著な違いがある. 挿入損失は、FR 4を使用するとき、A点からB点への信号伝送における電力損失と定義される, ロジャーズ, その他の材料.

Manufacturing problems

Wearable PCBボード 緊密なインピーダンス制御が必要, ウェアラブルデバイスの重要因子, インピーダンスマッチングは、よりクリーンな信号伝送をもたらす. 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数の高速回路に十分ではない. 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, 他の変数とともに, 特に密着インピーダンス制御によるこれらの装着可能なPCBの製造に重大な影響を与えることができる, それによってそれらを製造できる商人の数を制限する. 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 %. ロジャーズは、これらの2つの材料で例外的に低い挿入損失を持つことがわかる. Rogerスタックは従来のFR 4材料に比べて半透過と挿入損失を有する. 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損失高周波数スタックアップ性能を提供することができる. 商用アプリケーション, ロジャースはハイブリッドPCBを作るためにエポキシベースFR 4と組み合わせることができる, いくつかの層を使用してロジャース材料や他のFR 4を使用して. ロジャーズスタックの選択, 周波数は主要な考察. 500 MHzを超える周波数, PCBボード デザイナー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、上記のトレースがインピーダンスによって厳密に制御されるとき、より高い性能を提供できる. Rogers材料はまた、FR 4材料に比べて低い誘電損失を提供する, 誘電率は広い周波数範囲で安定である. 加えて, Rogers材料は、高周波数動作に必要な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、基板の熱膨張及び収縮が基板が冷間されるとき、より高い周波数及び高温サイクルで安定した限界に維持されることを意味する, FR 4と比較した高温超高温リフローサイクル. ハイブリッドスタックの場合, ロジャース及び高性能FR 4は、共通の製造プロセス技術を用いて容易に混合することができる, したがって、高い製造歩留まりを達成するのは比較的容易である. ロジャースStackupは、専用バイア準備プロセスを必要としません. FR 4は非常に信頼できる電気性能を達成できない, 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, また、様々なアプリケーションで使用することができます, 単純なオーディオデザインから複雑なマイクロ波応用まで.

RF/Microwave Design Considerations

Portable technology and Bluetooth paved the way for RF/ウェアラブル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 in the range of 10GHz to 25GHz. したがって, 着用可能に PCBボード, RF部分は配線問題により細心の注意を要する, 分離信号, そして、地面から離れて高周波信号を発生させる痕跡を保つ. 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, そして、ほぼ等しい伝送とリターンラインを設計すること. バイパスフィルタは、雑音内容およびクロストークのリップル効果を抑制する. 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. 高速伝送線路及び信号ループは、雑音信号から滑らかなジッタを得るために、パワープレーン信号間のグランドプレーンを必要とする. より高い信号速度で, 小さなインピーダンス不整合は、不平衡送信および受信信号を引き起こすことがある, 歪曲する. したがって, RF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, 高速と特別な公差を持つ. RF伝送線路は、特定のIC基板からRF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、外側に実装することができる, 上下層, また、中間層で設計することもできます. PCBのRF設計レイアウト中に使用される方法はマイクロストリップである, フローティングストリップライン, 共平面導波路または接地. マイクロストリップ線は、金属またはトレースの固定された長さ、そして、それの下に直接接地面の全部またはグランドプレーンの一部から成ります. 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.

懸濁ストリップは、ノイズのルーティングと抑制の別の方法です. 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でサンドイッチされるので、非常に効果的な接地効果を提供する. これはウェアラブル上のRF信号ルーティングの好ましい方法である PCBボードs. 共平面導波路は、近接してトレースされる必要があるRFラインおよびラインの近くでより良い分離を提供することができる. この媒体は、どちらか一方または下の中心導体と接地面の長さから成る. RF信号を送信する方法は、懸垂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トレースの間のより良い分離を提供する. コプレーナ導波路の両側にいわゆる「ビアフェンス」の使用を推奨する. このアプローチは、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. 中央で走っている主な跡は、両側でフェンスをつけられます, このように、リターン電流に以下の形成に近道を与える. この方法は、RF信号に対する高いリップル効果に関連したノイズレベルを低減する. 誘電率4.5はプリプレグ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, ストリップライン, またはオフセットストリップラインは、約3の誘電率を有する.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・ビアは、電源コンデンサのデカップリング性能を改良して、デバイスからグランドまでシャントパスを提供するために用いることができる. 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, これは2つの目的に役立ちます：あなただけでなく、シャントやグランドを作成する, しかし、小さな地面でデバイスの伝送距離を減らすことができます, どちらが重要ですか PCBボード RF設計因子 .