PCB技術 - ウェアラブルデバイスのプリント回路基板を設計するときに考慮する必要がある重要な3つの要因！

小さいサイズとサイズのため, 既製品はほとんど無い プリント回路基板 成長する着用可能なIOT市場の標準. これらの基準が出る前に, 回路基板 工場エンジニアは、ボードレベル開発で学んだ知識と製造経験に頼ら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. 以下のようになります: 回路基板 表面物質, RF/マイクロ波設計とRF伝送線路.

PCB材料

PCBは一般に、繊維強化エポキシ（FR 4）、ポリイミド、又はロジャース材料又は他の積層材料からなる積層体で構成される。異なる層の間の絶縁材料はプリプレグと呼ばれる。

ウェアラブルデバイスは高い信頼性を必要とする,したがって、PCB設計者がFR 4（最もコスト効率の高いPCB製造材料）またはより先進的で高価な材料、これが問題になる.

もしウェアラブルプリント配線板アプリケーションが高速, 高周波材料,FFR 4は最良の選択ではないかもしれない.FFR 4の誘電率（Dk）は4.5であり、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，ブラザーシリーズの誘電率 ロジャース4350は3.66です.

多層基板

写真はFR 4材料とロジャース4350とコア層厚さを示している

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。高周波では、小さな損失を持つのがベストです。したがって、誘電率が3.66のロジャー4350は、誘電率が4.5のFR 4よりも高周波用途に適している。

平常に, 着用可能なデバイスのためのプリント配線板層の数は4～8層である. 層構成の原理は、それが88.層PCB，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,クロストークにおけるリップル効果を最小に保つことができ、電磁干渉（EMI）を大幅に低減することができる.

回路基板レイアウト設計段階において、レイアウト計画は、一般に、大きな接地層を配電層に近接させることである。これは非常に低いリップル効果を形成することができ、システムノイズもほぼゼロに低減することができる。これは特に無線周波数サブシステムにとって重要である。

rogers材料と比較して，fr 4は特に高周波数で高い散逸因子（df）を有する。高性能FR 4ラミネートでは，df値は約0 . 002であり，通常のfr 4より優れたオーダーである。しかし、ロジャースのスタックは0.001以下です。FR 4材料を高周波用途に使用すると、挿入損失に大きな差が生じる。挿入損失は、FR 4、ロジャーズまたは他の材料を使用するとき、A点からB点までの信号の電力損失と定義される。

製造問題

着用可能なPCBは、着用可能なデバイスにとって重要な要因である、より厳密なインピーダンス制御を必要とする。インピーダンス整合は、よりクリーンな信号伝送を生成することができる。以前，信号を運ぶトレースの標準的な許容範囲は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には十分ではない。現在の要求は±±7 %であり，場合によっては±5 %以下であった。このパラメータおよび他の変数は、非常に厳密なインピーダンス制御を有するウェアラブルPCBの製造に厳しく影響し、それによってそれらを製造することができるビジネスの数を制限する。

rogers uhf材料で作られた積層体の比誘電率は一般に±2 %で維持され，若干の製品は±1 %に達することもある。一方、FR 4積層体の比誘電率は10 %と高い。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分かる。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値幅である。

ほとんどの場合, コストが最も重要です. 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, ロジャースをAにすることができます ハイブリッドPCB エポキシベースFR 4, いくつかはロジャース材料で作られている, 他の層はFR 4である.

rogersスタックを選択するとき、周波数は主要な考慮事項です。周波数が500 MHzを超えると、PCB設計者は、特にRF／マイクロ波回路のために、特に、上部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に、これらの材料がより高い性能を提供できるので、ロジャース材料を選択する傾向がある。

fr 4材料に比べて，rogers材料は低い誘電損失を提供でき，その誘電率は広い周波数範囲で安定である。加えて、ロジャース材料は、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。

rogers 4000シリーズ材料の熱膨張係数（cte）は優れた寸法安定性を有する。これは、PCB 4が冷たく、高温で非常に高温のリフローサイクルを受けるとき、FR 4と比較して、回路基板の熱膨張及び収縮を、より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することができることを意味する。

混合スタッキングの場合には、一般的な製造プロセス技術を使用してロジャースと高性能FR 4を混合することが容易であるため、製造歩留まりを高くすることは比較的容易である。ロジャース・スタックは、特別なvia準備プロセスを必要としません。

通常のFR 4は、非常に信頼性の高い電気的性能を達成することはできないが、高性能FR 4材料は、より高いTGなどの良好な信頼性特性を有し、比較的低コストであり、また、単純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用途で使用することができる。

RF /マイクロ波

設計問題

携帯用の技術とBluetoothはウェアラブルデバイスにおけるRF／マイクロ波応用のための道を開いた。今日の周波数範囲はますますダイナミックになっている。数年前，非常に高い周波数（vhf）を2 ghz〜3 ghzと定義した。しかし、現在10 GHzから25 GHzまでの超高周波（UHF）応用を見ることができる。

したがって、着用可能なPCBs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、信号を別々に分離し、高周波信号を生成するトレースをグランドから遠ざける必要がある。他の考慮事項としては、バイパスフィルタ、適切なデカップリングコンデンサ、接地、および伝送線路及びリターンラインをほぼ等しくするように設計することが含まれる。

バイパスフィルタは，クロストークの雑音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ループは、ノイズ層によって生成された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は、小さなインピーダンス不整合が信号の不平衡伝送および受信を引き起こし、結果として歪みが生じる。したがって、無線周波数信号が高速で特別な許容範囲を有するので、無線周波数信号に関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。

無線周波数伝送線路は、特定のIC基板からPCBに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。これらの伝送ラインは、外層、上部層、および下部層に実装することができ、またはそれらを中間層で設計することができる。

PCB 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ライン、フローティングストリップライン、コプレーナ導波路、または接地である。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、それの下に直接グランドプレーンまたはグランドプレーンの一部から成る。一般的なマイクロストリップ線路構造の特性インピーダンスは50〜75アンペアである。

図2 :共平面導波路は、RFライン上でルーティングされ、ルーティングされる必要がある

非常に近い線の近くでより良い隔離を提供します

浮遊ストリップラインは、別の方法であり、ノイズを抑制している. 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,そのため、非常に効果的な接地こうかこれは、 ウェアラブルプリント配線板無線周波数信号配線.

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最良の方法は、ストリップラインまたはコプレーナ導波路をサスペンドすることである. 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」を使用することが推奨される。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。この方法は，rf信号の高いリップル効果に関連した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材料と同じであり、マイクロストリップ、ストリップライン、オフセットストリップラインからのプリプレグの誘電率は約3.8〜3.9である。

図3：フェンスを介してコプレーナ導波路の両側に推奨される。

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, つの目的を達成することができます, しかし、小さい領域でデバイスの伝送距離を減らす, どちらが重要ですか RF設計 因子.