PCB 뉴스 - 웨어러블 기기의 마이크로파 PCB 설계

웨어러블 기기는 높은 신뢰성을 필요로 하며, PCB 설계자가 FR4 (가장 비용 효율적인 PCB 제조 재료) 또는 더 진보되고 더 비싼 재료를 선택해야 할 때 문제가 될 수 있습니다.

부피가 작아 늘어나는 웨어러블 사물인터넷 시장에서 기존 인쇄회로기판 표준은 거의 없다.이러한 기준을 마련하기 전에 이사회 차원의 개발에서 얻은 지식과 제조 경험을 바탕으로 고유한 새로운 과제에 적용하는 방법을 고민해야 합니다.회로 기판 표면 재료, 무선 주파수 / 마이크로파 설계 및 무선 주파수 전송선의 세 가지 분야에 특히 주의해야 합니다.

PCB 재료

PCB는 일반적으로 레이어로 구성되며 레이어는 섬유 강화 에폭시 수지 (FR4), 폴리이미드 또는 Rogers 또는 기타 레이어 프레스로 만들 수 있습니다.층과 층 사이의 절연재를 반경화편재라고 한다.

웨어러블 기기는 높은 신뢰성을 필요로 하며, PCB 설계자가 FR4 (가장 비용 효율적인 PCB 제조 재료) 또는 더 진보되고 더 비싼 재료를 선택해야 할 때 문제가 될 수 있습니다.

웨어러블 PCB 애플리케이션에 고속, 고주파 소재가 필요하다면 FR4가 최선의 선택이 아닐 수 있다.FR 4의 개전 상수(Dk)는 4.5이고, 더 진보된 Rogers 4003 시리즈의 개전 계수는 3.55이며, Rogers 4350 형제의 개전 계수는 3.66이다.

그림 1: FR4 재료 및 Rogers 4350 및 코어 두께를 보여주는 다중 인쇄 회로 기판의 스태킹 그림.

더미의 개전 상수는 더미 부근의 한 쌍의 도체의 용량이나 에너지와 진공 중의 한 쌍의 도체 용량이나 에너지의 비율을 가리킨다.고주파에서는 매우 작은 손실이 있기 때문에 개전 계수가 3.66인 Loger 4350이 개전 상수가 4.5인 FR4보다 더 높은 주파수에 더 적합하다.

일반적으로 웨어러블 기기에 사용되는 PCB 레이어의 수는 4 ~ 8 레이어 사이입니다.레이어의 구조 원칙은 8층 PCB의 경우 충분한 지층과 전원 레이어를 제공하고 케이블 레이어를 중간에 끼워야 한다는 것이다.이를 통해 직렬 교란에서 문파 효과를 최소화하고 전자기 간섭(EMI)을 크게 줄일 수 있다.

회로 기판 배치 설계 단계에서 배치 방안은 일반적으로 큰 지층을 배전층에 가깝게 한다.이로 인해 매우 낮은 텍스쳐 효과가 발생하며 시스템 노이즈는 거의 0으로 감소할 수 있습니다.이는 특히 RF 서브시스템에 중요합니다.

FR4는 특히 고주파에서 Rogers 재료보다 더 높은 분산 인자(Df)를 가지고 있습니다.고성능 FR4 스태킹의 경우 Df 값은 약 0.002로 일반 FR4 스태킹보다 한 단계 더 좋습니다.그러나 로저스는 0.001 층 또는 더 작은 층만 가지고 있습니다.FR4 재료가 고주파 응용에 사용될 때 삽입 손실에 큰 차이가 있습니다.보간 손실은 FR4, Rogers 또는 기타 재료를 사용할 때 점 A에서 점 B까지의 전력 손실로 정의됩니다.

PCB 제조 문제

웨어러블 PCB는 더 엄격한 임피던스 제어를 필요로 하는데, 이는 웨어러블 기기의 중요한 요소이며, 임피던스 일치는 더 깨끗한 신호 전송을 생성할 수 있다.이전에 신호 전송 경로의 표준 허용 한도는 (+) 10% 였습니다.오늘날의 고주파 고속 회로에 대해 말하자면, 이 지표는 분명히 좋지 않다.현재 요구사항은 (+) 7%, 경우에 따라서는 심지어 (+) 5% 이하입니다.이 매개변수 및 기타 변수는 매우 엄격한 임피던스 제어를 가진 웨어러블 PCB의 제조에 심각한 영향을 미쳐 이러한 PCB를 제조할 수 있는 기업의 수를 제한할 수 있습니다.

Rogers UHF 재료로 만든 레이어의 개전 상수 공차는 일반적으로 (+) 2%이며 일부 제품은 (+) 1% 까지 도달 할 수 있으며 FR4 레이어는 10% 입니다.따라서 이 두 가지 재료를 비교했을 때 로저스의 삽입 손실이 특히 낮은 것으로 나타났다.로저스 레이어의 전송 손실과 삽입 손실은 기존 FR4 재료의 절반 이하입니다.

대부분의 경우 비용이 가장 중요합니다.그러나 Rogers는 상대적으로 저손실, 고주파 스태킹 성능을 수용 가능한 가격으로 제공할 수 있습니다.상업응용의 경우 Rogers는 에폭시수지를 기반으로 한 FR4와 혼합PCB를 제조할수 있는데 그중 일부는 Rogers를 사용하고 다른 일부는 FR4를 사용한다.

로저스 스택을 선택할 때 주파수는 가장 중요한 고려 요소이다.주파수가 500MHz를 초과할 때 PCB 설계자는 Rogers 재료, 특히 RF/마이크로웨이브 회로를 선택하는 경향이 있습니다. 위의 회선이 엄격한 임피던스 제어를 받을 때 이 재료들은 더 나은 성능을 제공할 수 있기 때문입니다.

Rogers 재료는 FR4 재료에 비해 더 낮은 개전 손실을 제공하며 그들의 개전 상수는 넓은 주파수 범위 내에서 안정적입니다.또한 로저스 소재는 고주파 조작에 이상적인 저손실 성능을 제공할 수 있다.

Rogers 4000 시리즈 재료의 열팽창 계수(CTE)는 우수한 크기 안정성을 제공합니다.이는 PCB가 FR4에 비해 차갑고 뜨겁고 매우 뜨거운 환류 용접 순환을 경험할 때 인쇄회로기판의 팽창과 수축이 더 높은 주파수와 더 높은 온도에서 안정적인 한계를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

혼합 레이어의 경우 일반적인 제조 공정 기술을 사용하여 Rogers를 고성능 FR4와 쉽게 혼합할 수 있으므로 높은 제조 완제품률을 달성하기가 상대적으로 쉽습니다.로저스 스택에는 별도의 구멍 만들기 프로세스가 필요하지 않습니다.

일반적인 FR4는 매우 신뢰할 수 있는 전기 성능을 구현할 수 없지만, 고성능 FR4 재료는 더 높은 Tg와 같은 우수한 신뢰성을 가지고 있으며, 여전히 상대적으로 저렴하며 간단한 오디오 설계에서 복잡한 마이크로파 응용에 이르기까지 광범위한 응용에 사용될 수 있습니다.

PCBRF/마이크로웨이브 PCB 설계 고려사항

휴대용 기술과 Bluetooth는 웨어러블 기기의 무선 주파수/마이크로파 응용 프로그램에 길을 열어줍니다.오늘날의 주파수 범위는 더욱 동적으로 변했다.몇 년 전에는 초고주파(VHF)가 2GHz~3GHz로 정의되었습니다.그러나 이제 초고주파 애플리케이션이 10기가헤르츠에서 25기가헤르츠로 확대되는 것을 볼 수 있습니다.

따라서 웨어러블 PCB의 경우 RF 부분이 지면에서 멀리 떨어진 곳에서 고주파 신호를 생성하기 위해 케이블 연결 문제에 더 세심하게 초점을 맞추고 신호를 분리해야합니다.기타 고려사항에는 바이패스 필터 제공, 충분한 디커플링 용량, 접지 및 거의 동일한 전송선 및 루프 설계가 포함됩니다.

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

고속 전송선과 신호 루프는 소음 신호에서 발생하는 떨림을 부드럽게 하기 위해 전력층 신호 사이의 층을 필요로 한다.높은 신호 속도에서 작은 임피던스 오류는 신호의 전송과 수신의 불균형을 초래하여 왜곡을 초래할 수 있다.따라서 무선 주파수 신호와 관련된 임피던스가 높은 속도와 특별한 허용 한도를 가지고 있기 때문에 특히 주의해야 합니다.

RF 전송 케이블은 특정 IC 기판에서 PCB로 RF 신호를 전송하기 위해 임피던스 제어가 필요합니다.이러한 전송 케이블은 외부, 최상위 및 하위에서 구현되거나 중간 계층에서 설계될 수 있습니다.

PCB RF 설계 레이아웃에 사용되는 방법은 마이크로밴드 선, 서스펜션 밴드 선, 공면 전도 또는 접지입니다.마이크로밴드 선은 고정된 길이의 금속 또는 선과 바로 아래의 전체 또는 일부 평면으로 구성됩니다. 일반적으로 마이크로밴드 구조의 피쳐는 50에서 75_ 사이의 임피던스를 가집니다.

매달린 띠 모양의 선로는 또 다른 배선과 소음 억제 방법이다.이 라인은 내부 레이어의 고정 너비 경로설정과 중심 컨덕터 위쪽과 아래쪽의 큰 접지면으로 구성됩니다.접지 전평은 전원층의 중간에 끼워져 있어 매우 효과적인 접지 효과를 제공한다.이 옵션은 웨어러블 PCB RF 신호 케이블링을 위한 최선의 방법입니다.

공면파도는 RF 회선과 서로 접근해 행진해야 하는 회선 부근에서 더 나은 격리를 제공한다.매체는 중심도체와 그 상하의 접지층으로 구성되어 있다. 무선 주파수 신호를 전송하는 가장 좋은 방법은 띠선이나 공면파도를 매달아 놓는 것이다.이 두 가지 방법은 신호와 RF 회선 사이에서 더 나은 격리를 제공할 수 있다.

공면파도의 양쪽에 이른바'통공 울타리'를 설치하는 것이 좋습니다.이 방법은 중심 도체의 각 금속 바닥에 접지 구멍을 제공합니다.중간에 위치한 주요 노선은 양쪽에 펜스가 있어 환류에 하층으로 가는 지름길을 제공한다.이 방법은 무선 주파수 신호의 고문파 효과와 관련된 소음 수준을 낮출 수 있다.4.5의 개전 상수는 반경화된 FR4 재료와 동일하지만 반경화 필름의 개전 계수 (미대역선, 밴드선 또는 오프셋 밴드선) 는 약 3.8~3.9이다.

지전평을 사용하는 일부 부품에서는 맹공을 사용하여 전력용량의 결합제거성능을 제고하고 부품에서 지까지의 분류경로를 제공할수 있다.땅에 이르는 분기 경로는 구멍의 길이를 줄일 수 있으며, 이는 두 가지 목적을 달성할 수 있다: 분기 또는 접지를 만들 수 있을 뿐만 아니라 작은 패치를 가진 장치의 전송 거리도 줄일 수 있으며, 이는 중요한 RF 설계 요소이다.