PCB 뉴스 - 웨어러블 PCB 디자인은 기본 소재에 주의해야 한다

웨어러블 PCB는 더 엄격한 임피던스 제어가 필요합니다.이것은 웨어러블 기기의 중요한 요소이다.임피던스 일치는 더 깨끗한 신호 전송을 생성할 수 있습니다.일찍이 신호 전송 흔적선의 표준 공차는 ± 10% 였다.오늘날의 고주파 회로와 고속 회로에 대해 말하자면, 이 지표는 분명히 좋지 않다.현재 요구 사항은 ± 7%이며 어떤 경우에는 ± 5% 이하입니다.

부피와 크기가 작기 때문에 늘어나는 웨어러블 사물인터넷 시장의 경우 기존 인쇄회로기판 표준이 거의 없다.이러한 표준이 나오기 전에 우리는 이사회 차원에서 배운 지식과 제조 경험을 개발하고 이를 독특한 신흥 도전에 어떻게 적용할지 고민해야 한다.우리가 특별히 관심을 가져야 할 세 가지 분야가 있다.회로 기판 표면 재료, 무선 주파수 / 마이크로파 설계 및 무선 주파수 전송 케이블입니다.

PCB 재료

PCB는 일반적으로 레이어 프레스로 구성되며 레이어 프레스는 섬유 강화 에폭시 수지 (FR4), 폴리이미드 또는 Rogers 재료 또는 기타 레이어 프레스 재료로 만들 수 있습니다.서로 다른 층 사이의 절연 재료를 예침재라고 한다.

웨어러블 기기는 높은 신뢰성을 필요로 하기 때문에 PCB 디자이너가 FR4 (비용 효율적인 PCB 제조 재료) 또는 더 선진적이고 더 비싼 재료를 사용하는 선택에 직면 할 때 문제가 될 것입니다.

웨어러블 PCB 애플리케이션에 고속, 고주파 소재가 필요하다면 FR4가 최선의 선택이 아닐 수 있다.FR4의 개전 상수(Dk)는 4.5이고, 더 진보된 Rogers 4003 시리즈 재료의 개전 계수는 3.55이며, 형제 시리즈 Rogers 4350의 개전 계수는 3.66이다.

층압판의 개전 상수는 진공에서 층압판 부근의 한 쌍의 도체 사이의 용량이나 에너지와 이 쌍의 도체 사이의 용량이나 에너지의 비율을 가리킨다.다행히도 고주파에서는 손실이 매우 적습니다.따라서 개전 상수가 4.5인 FR4보다 3.66의 개전 상수를 가진 Roger 4350이 더 높은 주파수의 응용에 적합하다.

정상적인 상황에서 웨어러블 기기의 PCB 층수는 4층에서 8층까지 다양하다.레이어 구조의 원칙은 8층 PCB의 경우 충분한 접지와 전원 레이어를 제공하고 케이블 레이어를 중간에 끼울 수 있어야 한다는 것이다.이를 통해 직렬 교란에서 텍스쳐 효과를 작게 유지하고 전자기 간섭(EMI)을 크게 줄일 수 있습니다.

회로기판 배치 설계 단계에서 배치 방안은 일반적으로 배전층에 가까운 곳에 큰 접지층을 놓는다.이것은 매우 낮은 텍스쳐 효과를 형성할 수 있으며 시스템 노이즈도 거의 0으로 줄일 수 있습니다.이는 무선 주파수 서브시스템에 특히 중요합니다.

FR4는 로저스 소재에 비해 특히 고주파에서 더 높은 소비 계수 (Df) 를 가지고 있습니다.더 높은 성능의 FR4 레이어 프레스의 경우 Df 값은 약 0.002로 일반 FR4보다 한 단계 더 좋습니다.그러나 로저스의 스택은 0.001 이하에 불과합니다.FR4 재료가 고주파 응용에 사용될 때 삽입 손실은 현저한 차이가 있을 것이다.삽입 손실은 FR4, Rogers 또는 기타 재료를 사용할 때 신호가 점 A에서 점 B까지의 전력 손실로 정의됩니다.

문제를 만들다

웨어러블 PCB는 웨어러블 기기의 중요한 요소인 더 엄격한 임피던스 제어가 필요하다.임피던스 일치는 더 깨끗한 신호 전송을 생성할 수 있습니다.일찍이 신호 전송 흔적선의 표준 공차는 ± 10% 였다.오늘날의 고주파와 고속 회로에 대해 말하자면, 이 지표는 분명히 좋지 않다.현재 요구 사항은 ± 7%이며 어떤 경우에는 ± 5% 이하입니다.이 매개변수와 기타 변수는 매우 엄격한 임피던스 제어를 가진 웨어러블 PCB의 제조에 심각한 영향을 미쳐 이러한 PCB를 제조할 수 있는 기업의 수를 제한할 것이다.

로저스의 초고주파 재료로 만든 층압판의 개전 상수 공차는 보통 ± 2% 를 유지하며, 일부 제품은 ± 1% 에 이를 수도 있다.반면 FR4 레이어 프레스의 개전 상수 공차는 10% 에 달한다.그러므로 이 두가지 재료를 비교해보면 로저스의 삽입손실이 특별히 낮다는것을 발견할수 있다.전통적인 FR4 재료에 비해 로저스 레이어의 전송 손실과 삽입 손실은 절반으로 줄었다.

대부분의 경우 비용이 중요합니다.그러나 Rogers는 상대적으로 낮은 손실의 고주파 레이어 프레스 성능을 수용 가능한 가격으로 제공 할 수 있습니다.상업용 응용의 경우, Rogers는 에폭시 기반 FR4를 갖춘 혼합 PCB를 만들 수 있으며, 그 중 일부는 Rogers 재료로, 다른 층은 FR4로 만들어진다.

로저스 스택을 선택할 때 주파수는 가장 중요한 고려 요소이다.주파수가 500MHz를 초과할 때 PCB 설계자는 Rogers 재료, 특히 RF/마이크로파 회로를 선택하는 경향이 있다. 왜냐하면 상행선이 임피던스에 의해 엄격하게 제어될 때 이 재료들은 더 높은 성능을 제공할 수 있기 때문이다.

Rogers 재료는 FR4 재료에 비해 더 낮은 개전 손실을 제공할 수 있으며 개전 상수는 더 넓은 주파수 범위 내에서 안정적입니다.또한 로저스 소재는 고주파 조작에 필요한 이상적인 저삽입 손실 성능을 제공할 수 있다.

Rogers 4000 시리즈 재료의 열팽창 계수(CTE)는 치수 안정성이 우수합니다.이는 PCB가 FR4에 비해 냉, 열, 매우 열의 환류 순환을 겪을 때 회로기판의 열팽창과 수축이 더 높은 주파수와 더 높은 온도의 순환에서 안정된 한계를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

혼합 스택의 경우 흔히 볼 수 있는 제조 공정 기술을 사용하여 Rogers와 고성능 FR4를 혼합하기 쉽기 때문에 상대적으로 높은 제조 완제품률을 달성하기 쉽다.로저스 레이어에는 특별한 오버홀 제조 프로세스가 필요하지 않습니다.

일반적인 FR4는 매우 신뢰할 수 있는 전기 성능을 구현할 수 없지만, 고성능 FR4 재료는 확실히 더 높은 Tg와 같은 신뢰성 특성을 가지고 있으며, 여전히 상대적으로 낮은 비용이며, 간단한 오디오 설계에서 복잡한 마이크로파 응용에 이르기까지 광범위한 응용에 사용될 수 있다.

무선 주파수 / 마이크로웨이브 설계 고려 사항

휴대용 기술과 Bluetooth는 웨어러블 기기의 무선 주파수/마이크로파 응용 프로그램에 길을 열어줍니다.오늘날의 주파수 범위는 갈수록 동적으로 변한다.몇 년 전에는 초고주파(VHF)가 2GHz~3GHz로 정의되었습니다.그러나 이제 10GHz에서 25GHz까지의 초고주파(UHF) 애플리케이션을 볼 수 있습니다.

그러므로 웨어러블 PCB의 경우 무선주파수부분은 배선문제에 더욱 많은 주의를 돌려야 하며 신호는 분리되여야 하며 고주파신호를 산생한 흔적은 지면에서 멀어져야 한다.기타 고려 사항으로는 바이패스 필터 제공, 충분한 디커플링 콘덴서, 접지, 전송선과 환류선을 거의 동일하게 설계하는 것이 포함된다.

바이패스 필터는 소음 함량과 간섭의 문파 효과를 억제할 수 있다.디커플링 콘덴서는 전력 신호를 가진 부품의 핀에 더 가깝게 배치해야 한다.

고속 전송선과 신호 루프는 노이즈 신호에서 발생하는 디더링을 부드럽게 하기 위해 전력 계층 신호 사이에 접지층을 배치해야 합니다.높은 신호 속도에서 작은 임피던스 미스매치는 신호의 전송과 수신의 불균형을 초래하여 왜곡을 초래할 수 있다.따라서 무선 주파수 신호는 고속도와 특수한 허용차를 가지고 있기 때문에 무선 주파수 신호와 관련된 임피던스 일치 문제에 특히 주의해야 한다.

무선 주파수 전송 케이블은 특정 IC 기판에서 PCB로 무선 주파수 신호를 전송하기 위해 제어 임피던스가 필요합니다.이러한 전송 케이블은 외부, 최상위 및 하위에서 구현되거나 중간 계층에서 설계될 수 있습니다.

PCB RF 설계 레이아웃 과정에서 사용되는 방법으로는 마이크로밴드, 부동 밴드선, 공면 전도 또는 접지가 있다.미대선은 고정된 길이의 금속이나 흔적선과 그 바로 아래의 전체 접지평면 또는 부분 접지평면으로 구성된다. 일반 미대선 구조의 특징 임피던스 범위는 50~75이다.

스트립 선은 경로설정하고 노이즈를 억제하는 또 다른 방법입니다.이 라인은 내부 레이어의 고정 너비 경로설정과 중심 컨덕터 위쪽과 아래쪽의 큰 접지 평면으로 구성됩니다.접지 평면은 전원 평면 사이에 끼어 있어 매우 효과적인 접지 효과를 제공합니다.이것은 웨어러블 PCB 무선 주파수 신호를 배선하는 가장 좋은 방법이다.

공면도파는 RF 회선과 더 가까운 회선을 경로설정해야 하는 회선 사이에서 더 나은 격리를 제공할 수 있다.이 미디어는 중심 컨덕터와 양쪽 또는 아래쪽 접지 평면으로 구성됩니다.무선 주파수 신호를 전송하는 가장 좋은 방법은 띠선이나 공면파도를 거는 것이다.이 두 가지 방법은 신호와 RF 흔적선 사이에서 더 나은 격리를 제공 할 수 있습니다.

일직선 웨이브의 양쪽에 소위 "과격자" 를 사용하는 것이 좋습니다.이 메서드는 중심 컨덕터의 각 금속 접지 평면에 접지 오버홀을 제공합니다.중간의 주적선은 각 측면에 울타리가 있기 때문에 전류로 돌아가기 위해 아래쪽 지면으로 통하는 지름길을 제공한다.이 방법은 RF 신호의 고문파 효과와 연관된 노이즈 수준을 낮출 수 있습니다.4.5의 개전 상수는 예비 침전재 벽돌의 FR4 재료와 동일하지만, 마이크로 밴드, 밴드 라인 또는 오프셋 밴드 라인의 예비 침전재 벽돌의 개전 계수는 약 3.8~3.9이다.

접지 평면을 사용하는 일부 부품에서는 블라인드 오버홀을 사용하여 전원 콘덴서의 디커플링 성능을 향상시키고 부품에서 바닥까지의 분류 경로를 제공할 수 있다.지까지의 분로 경로는 구멍을 통과하는 길이를 줄일 수 있으며, 이는 두 가지 목적을 달성할 수 있다: 분로나 접지를 만들 수 있을 뿐만 아니라 작은 면적의 장치의 전송 거리도 줄일 수 있다. 이것은 중요한 RF 설계 요소이다.