PCBブログ - ウェアラブルPCBボードの設計で注意すべきいくつかの問題

PCBボードの体積とサイズが小さいため、成長し続けるウェアラブルネットワーク市場にとって、既製のプリント基板規格はほとんどありません。これらの基準が登場する前に、ボードレベルの開発で学んだ知識と製造経験に頼って、独自の新しい課題にどのように適用するかを考えなければなりません。特に注目すべき点は3つあります。これらは回路基板表面材料、無線周波数/マイクロ波設計、無線周波数伝送路である。PCBシート材料PCBシートは、通常、繊維強化エポキシ樹脂（FR 4）、ポリイミドまたはRogers材料、または他の積層シート材料からなる積層板から構成されていてもよい。異なる層間の絶縁材料をプリプレグと呼ぶ。

ウェアラブルPCBボードを設計する際に注意しなければならないいくつかのキーポイントウェアラブルデバイスは高い信頼性を必要とするため、PCBボード設計者がFR 4（コスト効率の高いPCBボード製造材料）を使用するか、より先進的で高価な材料の選択に直面すると、これは問題となる。着用可能なPCBボードの応用に高速、高周波材料が必要な場合、FR 4は選択されていない可能性があります。FR 4の誘電率（Dk）は4.5、より先進的なRogers 4003系材料の誘電率は3.55、兄弟シリーズRogers 4350の誘電率は3.66である。積層板の誘電率とは、積層板付近の一対の導体間の容量またはエネルギーと真空中の一対の導体間の容量またはエネルギーの比を意味する。高周波では損失が少ない。したがって、誘電率3.66のRoger 4350は、誘電率4.5のFR 4よりも高周波用途に適している。通常、ウェアラブルデバイスのPCB層数は4〜8層である。層構造の原則は、8層PCBボードであれば、十分な接地と電源層を提供し、配線層を挟むことができるはずです。これにより、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）を著しく低減することができる。回路基板レイアウト設計段階では、レイアウトスキームは通常、配電層の近くに大きな接地層を配置する。これにより、非常に低いリップル効果を形成することができ、システムノイズもほぼゼロに低減することができる。これは無線周波数サブシステムにとって特に重要である。FR 4は、Rogers材料よりも高い散逸因子（Df）を有し、特に高周波である。より高性能なFR 4積層板の場合、Df値は約0.002で、通常のFR 4より1桁優れています。しかし、ロジャーズのスタックは0.001以下しかない。FR 4材料を高周波用途に使用する場合、挿入損失には顕著な差がある。挿入損失とは、FR 4、Rogersまたはその他の材料を使用した場合の信号のA点からB点までの電力損失です。問題のウェアラブルPCBボードを製造するには、より厳格なインピーダンス制御が必要である。これはウェアラブルデバイスの重要な要素の1つです。インピーダンス整合は、より明瞭な信号伝送を生成することができる。以前、信号伝送跡の標準公差は±10%だった。現在の高周波と高速回路にとって、この指標は明らかに十分ではない。現在の要件は±7%であり、場合によっては±5%以下である。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持つ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。Rogers UHF材料から作られた積層板の誘電率公差は通常±2%に維持され、一部の製品は±1%に達することもできる。対照的に、FR 4積層板の誘電率公差は10%に達した。したがって、これら2つの材料を比較すると、ロジャーズの挿入損失は特に低いことが分かった。従来のFR 4材料に比べて、Rogersスタックの伝送損失と挿入損失は半分に減少した。ほとんどの場合、コストは重要です。しかしながら、Rogersは、比較的低損失の高周波積層板性能を許容可能な価格で提供することができる。商業用途では、Rogersはエポキシ基FR 4を用いて混合PCBを作製することができ、その中のいくつかの層はRogers材料を使用し、その他の層はFR 4を使用する。Rogersスタックを選択する際には、周波数が優先されます。周波数が500 MHzを超えると、PCBボード設計者は、アップトレースが厳格なインピーダンス制御を受けると、これらの材料はより高い性能を提供できるので、特にRF/マイクロ波回路に対してRogers材料を選択する傾向にある。FR 4材料と比較して、Rogers材料は低い誘電損失を提供することもでき、その誘電率は広い周波数範囲で安定している。さらに、Rogers材料は、高周波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。Rogers 4000系材料の熱膨張係数（CTE）は優れた寸法安定性を有する。これは、FR 4と比較して、PCB基板が冷、熱及び非常に熱的なリフロー溶接サイクルを経験する場合、回路基板の熱膨張及び収縮は、より高い周波数及びより高い温度サイクルで安定した限界に維持することができることを意味する。混合スタックの場合、Rogersと高性能FR 4を一般的な製造プロセス技術を用いて混合することが容易であるため、比較的高い製造良率を実現しやすい。ロジャーズスタックは特別なスルーホール製造プロセスを必要としない。一般的なFR 4は非常に信頼性の高い電気性能を実現することはできないが、高性能FR 4材料は確かに高いTgなどの信頼性特性を持っており、コストは依然として比較的に低く、簡単なオーディオ設計から複雑なマイクロ波応用までの広範な応用に用いることができる。無線周波数／マイクロ波設計携帯技術とブルートゥースを考慮して、ウェアラブルデバイスにおける無線周波数／マイクロ波の応用に道を開いた。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、超高周波（VHF）は2 GHzから3 GHzと定義された。しかし、10 GHzから25 GHzまでの超高周波（UHF）応用が見られるようになった。そのため、ウェアラブルPCBボードでは、無線周波数部分は配線問題により注意する必要があり、信号は分離しなければならず、高周波信号を生成するトレースは地面から離れなければならない。他の考慮事項としては、バイパスフィルタ、十分なデカップリングキャパシタ、接地を提供すること、および伝送路とループ線をほぼ等しく設計することが挙げられる。バイパスフィルタは、クロストークのノイズ含有量とリップル効果を抑制することができる。デカップリングキャパシタは、電源信号を搬送する装置のピンに近い位置に配置する必要がある。高速伝送路と信号回路は、ノイズ信号によるジッタを平滑化するために電源層信号間に接地層を配置する必要がある。より高い信号速度では、小さなインピーダンス不整合は信号の伝送と受信の不平衡をもたらし、歪みを引き起こす。したがって、無線周波数信号は高速で特殊な許容差があるため、無線周波数信号に関連するインピーダンス整合の問題に特に注意しなければならない。無線周波数伝送路は、特定のIC基板からPCB基板に無線周波数信号を伝送するために制御されたインピーダンスを必要とする。これらの伝送路は、外層、最上層、下層に実装することも、中間層に設計することもできます。PCBボードのRFレイアウトプロセスで使用される方法は、マイクロストリップライン、サスペンションストリップライン、コプレーナ導波路、または接地を含む。マイクロストリップワイヤは、固定長さの金属またはトレース、および接地面全体またはその直下の接地面の一部からなる。一般的なマイクロストリップワイヤ構造における特性インピーダンスの範囲は50μから75μである。ウェアラブルPCBボード設計者が注意しなければならない3つの主要な側面は、別の配線とノイズを抑制する方法である。この線路は内層の固定幅配線と中心導体の上方と下方の大接地平面からなる。接地面は電源面の間に挟まれているので、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、ウェアラブルPCB基板上の無線周波数信号配線の第1の方法である。コプレーナ導波路は、RF線路とより近くに配線する必要がある線路との間により良い分離を提供することができる。この媒体は中心導体と両側または下方の接地平面からなる。無線周波数信号を伝送する方法は、帯状線または共平面導波路を浮遊させることである。この2つの方法は、信号とRFトレースとの間に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はいわゆる「ビアフェンス」を使用することをお勧めします。この方法は、中心導体の各金属接地面に接地貫通孔の列を提供することができる。中央の主トレースには各側面にフェンスがあるため、戻り電流には下方の地面に通じる近道が提供されています。この方法は、RF信号の高リップル効果に関連するノイズレベルを低減することができる。4.5の誘電率はプリプレグのFR 4材料と変わらないが、マイクロストリップ、ストリップ、またはオフセットストリップのプリプレグ誘電率は約3.8から3.9である。接地面を使用するいくつかのデバイスでは、ブラインドホールを使用して電力キャパシタのデカップリング性能を向上させ、デバイスから接地へのシャント経路を提供することができる。接地までの分岐経路は穴の長さを短縮することができ、これは2つの目的を実現することができます：あなたは分岐や接地を作成することができるだけでなく、接地の小さい装置の伝送距離を減らすことができて、これは重要なRF PCBボード設計要素です。