PCB 블로그 - 웨어러블 PCB 보드 디자인은 기초 소재에 주목해야 한다

크기가 작기 때문에 늘어나는 웨어러블 사물인터넷 시장에서 기존 인쇄회로기판 표준은 거의 없다.이러한 표준이 나오기 전에 이사회 차원의 개발 및 제조 경험에 의존하고 독특한 새로운 도전에 어떻게 적용할지 고민해야 합니다.회로 기판 표면 재료, 무선 주파수 / 마이크로파 설계, 무선 주파수 전송선 등 세 가지 분야에 특히 관심을 기울여야 합니다.

PCB 보드 재료

PCB 보드는 일반적으로 레이어 프레스로 구성되며 레이어 프레스는 섬유 강화 에폭시 수지 (FR4), 폴리이미드 또는 Rogers 재료 또는 기타 레이어 프레스로 만들 수 있습니다.서로 다른 층 사이의 절연 재료를 예침재라고 한다.웨어러블 기기는 높은 수준의 신뢰성을 필요로 하기 때문에 PCB 보드 디자이너가 FR4 (비용 효율적인 PCB 제조 재료) 또는 더 선진적이고 더 비싼 재료를 사용하는 선택에 직면했을 때 문제가 된다.웨어러블 PCB 보드 응용에 고속, 고주파 소재가 필요하다면 FR4는 선택이 아닐 수 있다.FR4의 개전 상수(Dk)는 4.5이고 더 진보된 Rogers 4003 시리즈 재료의 개전 계수는 3.55입니다.반면 형제 로저스 4350은 3.66의 개전 상수를 가지고 있다. 중첩의 개전 계수는 중첩 부근의 한 쌍의 도체 사이의 용량이나 에너지와 진공에서 이 쌍의 도체 사이의 용량이나 에너지의 비율을 말한다.고주파에서는 손실이 매우 적기 때문에 개전 상수가 4.5인 FR4보다 개전 상수 3.66인 Roger 4350이 고주파 응용에 더 적합하다.정상적인 상황에서 웨어러블 기기의 PCB 층수는 4층에서 8층까지 다양하다.계층형 구조의 원칙은 8층 PCB의 경우 충분한 접지와 전원 평면을 제공하고 케이블 레이어를 중간에 끼워야 한다는 것이다.이를 통해 직렬 교란에서 텍스쳐 효과를 보존하고 전자기 간섭(EMI)을 크게 줄일 수 있습니다.회로기판 배치 설계 단계에서 배치 방안은 일반적으로 배전층에 가까운 곳에 큰 지층을 놓는다.이로 인해 매우 낮은 텍스쳐 효과가 발생하며 시스템 노이즈는 거의 0으로 감소할 수 있습니다.이는 특히 RF 서브시스템에 중요합니다.FR4는 로저스 소재에 비해 특히 고주파에서 더 높은 소비 계수 (Df) 를 가지고 있습니다.더 높은 성능의 FR4 스택의 경우 Df 값은 약 0.002로 일반 FR4보다 한 단계 더 좋습니다.하지만 로저스의 스택은 0.001 이하에 불과하다.FR4 재료가 고주파 응용에 사용될 때 삽입 손실에 큰 차이가 있습니다.삽입손실은 FR4, Rogers 또는 기타 재료를 사용할 때 A점에서 B점까지의 신호전송에서의 전력손실을 말한다.

문제를 만들다

웨어러블 PCB 보드는 더 엄격한 임피던스 제어가 필요합니다. 임피던스 일치가 더 깨끗한 신호 전송을 가능하게 하기 때문에 웨어러블 장치의 중요한 요소입니다.일찍이 신호 전송 흔적선의 표준 공차는 ± 10% 였다.오늘날의 고주파 고속 회로에 대해 말하자면, 이 지표는 분명히 좋지 않다.현재 요구 사항은 ± 7%이며 어떤 경우에는 ± 5% 이하입니다.이 매개변수 및 기타 변수는 이러한 임피던스 제어가 특히 엄격한 웨어러블 PCB의 제조에 심각한 영향을 미쳐 이러한 PCB를 제조할 수 있는 사업자의 수를 제한합니다.로저스의 초고주파 재료로 만든 층압판의 개전 상수 공차는 보통 ± 2% 를 유지하며, 일부 제품은 ± 1% 에 이를 수도 있다.이 두 가지 재료를 사용하면 Rogers가 비정상적으로 낮은 삽입 손실을 가지고 있음을 알 수 있습니다.로저스 레이어는 기존 FR4 소재에 비해 전송 및 삽입 손실의 절반을 가지고 있습니다.대부분의 경우 비용이 중요합니다.그러나 Rogers는 상대적으로 낮은 손실의 고주파 중첩 성능을 수용 가능한 가격으로 제공 할 수 있습니다.상업응용의 경우 Rogers는 에폭시 FR4와 결합하여 혼합PCB를 제조할수 있는데 그중 일부 층은 Rogers 재료를 사용하고 다른 일부 층은 FR4를 사용한다.로저스 스택을 선택할 때 주파수는 가장 중요한 고려 요소이다.주파수가 500MHz를 초과할 때 PCB 보드 설계자는 Rogers 재료, 특히 RF/마이크로파 회로를 선택하는 경향이 있습니다. 위의 흔적선이 임피던스에 의해 엄격하게 제어될 때 이 재료들은 더 높은 성능을 제공할 수 있기 때문입니다.Rogers 재료는 FR4 재료에 비해 개전 손실도 낮으며 개전 상수는 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 우수한 크기 안정성을 제공합니다.이는 FR4에 비해 판이 냉, 열, 매우 열의 환류 순환을 겪을 때 판의 열팽창과 수축은 더 높은 주파수와 더 높은 온도 순환에서 안정 한계를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.혼합 스택의 경우 Rogers와 고성능 FR4는 일반적인 제조 공정 기술을 사용하여 쉽게 혼합 될 수 있으므로 상대적으로 높은 제조 생산량을 달성하기가 쉽습니다.Rogers 스택에는 별도의 오버홀 준비 프로세스가 필요하지 않습니다.일반 FR4는 매우 신뢰할 수 있는 전기 성능을 구현할 수 없지만, 고성능 FR4 재료는 더 높은 Tg와 같은 신뢰성 특성을 가지고 있으며, 비용은 여전히 상대적으로 낮으며, 간단한 오디오 설계에서 복잡한 마이크로파 응용에 이르기까지 다양한 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다.무선 주파수 / 마이크로웨이브 설계 고려 사항

휴대용 기술과 Bluetooth는 웨어러블 기기의 무선 주파수/마이크로파 응용 프로그램에 길을 열어줍니다.오늘날의 주파수 범위는 점점 더 동적으로 변하고 있다.몇 년 전에는 초고주파(VHF)가 2GHz~3GHz로 정의되었습니다.그러나 이제 10GHz에서 25GHz 범위의 UHF(Ultra High Fracture) 애플리케이션을 볼 수 있습니다.따라서 웨어러블 PCB 보드의 경우 RF 부분은 배선 문제에 더욱 관심을 기울여 신호를 분리하고 고주파 신호를 발생시키는 흔적선을 지상에서 멀리 떨어뜨려야 한다.기타 고려 사항으로는 바이패스 필터 제공, 충분한 디커플링 콘덴서, 접지 및 설계가 거의 동일한 전송선 및 환류선이 있습니다.바이패스 필터는 노이즈 함량과 간섭을 억제하는 텍스쳐 효과입니다.디커플링 콘덴서는 전력 신호를 가진 장치의 핀에 더 가깝게 배치해야 한다.고속 전송선과 신호 루프는 소음 신호의 떨림을 부드럽게 하기 위해 출력 평면 신호 사이의 접지 평면이 필요합니다.높은 신호 속도에서 작은 임피던스 미스매치는 송신과 수신 신호의 불균형을 초래하여 왜곡을 초래할 수 있다.따라서 높은 속도와 특수 공차를 가진 RF 신호와 관련된 임피던스 일치 문제에 특히 주의해야합니다.RF 전송 케이블은 특정 IC 기판에서 PCB 보드로 RF 신호를 전송하기 위해 제어 임피던스가 필요합니다.이러한 전송 케이블은 외부, 최상위 및 하위에서 구현되거나 중간 계층에서 설계될 수 있습니다.PCB의 무선 주파수 설계 레이아웃에 사용되는 방법으로는 마이크로밴드, 부동 밴드선, 공면 전도 또는 접지가 있습니다.마이크로밴드 선은 고정된 길이의 금속이나 흔적선과 바로 아래 전체 접지평면 또는 부분 접지평면으로 구성된다. 일반 마이크로밴드 구조의 특징 임피던스는 50~75이다. 밴드 라인을 거는 것은 또 다른 배선과 소음 억제 방법이다.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 보드에서 RF 신호 라우팅을 수행하는 가장 좋은 방법입니다.공면도파는 RF 라인과 긴밀한 추적이 필요한 라인 근처에서 더 나은 격리를 제공합니다.미디어는 한 면 또는 아래의 중심 컨덕터와 접지 평면으로 구성됩니다.RF 신호를 전송하는 방법은 매달린 밴드선 또는 동면 전도입니다.이 두 가지 방법은 신호와 RF 흔적선 사이에서 더 나은 격리를 제공합니다.일직선 웨이브의 양쪽에 소위 "과격자" 를 사용하는 것이 좋습니다.이 방법은 중심 컨덕터의 각 금속 접지 평면에 접지 통과 구멍을 제공합니다.중간에 운행하는 주요 궤적은 각 쪽에 울타리가 있기 때문에 반환 전류에 아래 지층으로 통하는 단축키를 제공한다.이 방법은 RF 신호의 고문파 효과와 관련된 노이즈 수준을 낮춥니다.4.5의 개전 상수는 예비 침전재 벽돌 FR4 재료와 동일하지만, 마이크로밴드, 밴드라인 또는 오프셋 밴드라인에서 온 예비 침전재 벽돌은 약 3.8~3.9의 개전 계수를 가지고 있다.접지 평면을 사용하는 일부 부품에서는 블라인드 오버홀을 사용하여 전원 콘덴서의 디커플링 성능을 향상시키고 부품에서 바닥까지의 분류 경로를 제공할 수 있다.땅에 도착하는 분로 경로는 구멍의 길이를 줄일 수 있습니다. 이것은 두 가지 목적이 있습니다. 분로나 접지를 만들 수 있을 뿐만 아니라 작은 접지를 가진 장치의 전송 거리도 줄일 수 있습니다. 이것은 PCB 보드 무선 주파수 설계의 중요한 요소입니다.