PCB科技 - 設計可穿戴設備PCB時必須考慮三個重要因素！

由於尺寸較小, 幾乎沒有現成的 印刷電路板 不斷增長的可穿戴物聯網市場標準. 在這些標準出臺之前, 電路板 工廠工程師必須依靠在板級開發中所學到的知識和製造經驗，並思考如何將其應用於獨特的新興挑戰.

有3個領域需要我們特別關注. 他們是： 電路板 表面資料, 射頻/微波設計與射頻傳輸線.

PCB資料

PCB通常由層壓板組成，層壓板可以由纖維增強環氧樹脂（FR4）、聚醯亞胺、羅傑斯資料或其他層壓板資料製成。 不同層之間的絕緣材料稱為預浸料。

可穿戴設備要求高可靠性, so when PCB designers are faced with the choice of using FR4 (the most cost-effective PCB製造材料) or more advanced and more expensive 材料, 這將成為一個問題.

如果 可穿戴PCB 應用程序需要高速, 高頻資料, FR4可能不是最佳選擇. The dielectric constant (Dk) of FR4 is 4.5., 更先進的Rogers 4003系列資料的介電常數為3.55, 和brother系列的介電常數 羅傑斯4350 是3.66.

圖1：多層電路板的堆疊圖

圖中顯示FR4資料和羅傑斯4350以及芯層厚度

層壓板的介電常數是指層壓板附近一對導體之間的電容或能量與真空中一對導體之間的電容或能量之比。 在高頻下，最好有一個小的損耗。 囙此，介電常數為3.66的Roger 4350比介電常數為4.5的FR4更適合更高頻率的應用。

在正常情况下, 可穿戴設備的PCB層數從4層到8層不等. 層構造的原則是 8層PCB, 它應該能够提供足够的接地和電源層，並夾住佈線層. 以這種管道, the ripple effect in crosstalk can be kept to a minimum and electromagnetic interference (EMI) can be significantly reduced.

在電路板佈局設計階段，佈局方案一般是在配電層附近放置一個較大的接地層。 這可以形成非常低的漣漪效應，並且系統雜訊也可以降低到幾乎為零。 這對於射頻子系統尤為重要。

與Rogers資料相比，FR4具有更高的耗散因數（Df），尤其是在高頻下。 對於高性能FR4層壓板，Df值約為0.002，比普通FR4好一個數量級。 然而，羅傑斯的堆棧只有0.001或更小。 當FR4資料用於高頻應用時，插入損耗將有顯著差异。 插入損耗定義為使用FR4、Rogers或其他資料時，從A點到B點的訊號功率損耗。

製造問題

可穿戴PCB需要更嚴格的阻抗控制，這是可穿戴設備的一個重要因素。 阻抗匹配可以產生更清晰的訊號傳輸。 早些時候，訊號攜帶痕迹的標準公差為±10%。 對於今天的高頻和高速電路，這個名額顯然不够好。 現時的要求是±7%，在某些情况下甚至低於±5%。 該參數和其他變數將嚴重影響具有極其嚴格阻抗控制的可穿戴PCB的製造，從而限制能够製造這些PCB的企業數量。

羅傑斯超高頻資料層壓板的介電常數公差通常保持在±2%，有些產品甚至可以達到±1%。 相比之下，FR4層壓板的介電常數公差高達10%。 囙此，比較這兩種資料可以發現，羅傑斯的插入損耗特別低。 與傳統FR4資料相比，Rogers堆棧的傳輸損耗和插入損耗降低了一半。

在大多數情况下, 成本是最重要的. 然而, Rogers可以以可接受的價位提供相對較低的損耗高頻層壓板效能. 用於商業應用, 羅傑斯可以被製成 混合PCB 含環氧基FR4, 其中一些是由羅傑斯資料製成的, 其他層由FR4製成.

選擇羅傑斯堆棧時，頻率是首要考慮因素。 當頻率超過500MHz時，PCB設計人員傾向於選擇Rogers資料，尤其是射頻/微波電路，因為當上跡線由阻抗嚴格控制時，這些資料可以提供更高的效能。

與FR4資料相比，Rogers資料還可以提供更低的介電損耗，並且其介電常數在較寬的頻率範圍內穩定。 此外，羅傑斯資料可以提供高頻操作所需的理想低插入損耗效能。

羅傑斯4000系列資料的熱膨脹係數（CTE）具有優异的尺寸穩定性。 這意味著與FR4相比，當PCB經歷冷、熱和極熱回流迴圈時，電路板的熱膨脹和收縮可以在更高頻率和更高溫度迴圈下保持在穩定極限。

在混合堆疊的情况下，很容易使用常見的制造技術科技將Rogers和高性能FR4混合在一起，囙此相對容易實現較高的製造成品率。 羅傑斯堆棧不需要特殊的通孔準備過程。

普通FR4無法實現非常可靠的電力效能，但高性能FR4資料確實具有良好的可靠性特性，例如更高的Tg，仍然相對較低的成本，並且可以在廣泛的應用中使用，從簡單的音訊設計到複雜的微波應用。

射頻/微波

設計注意事項

可擕式科技和藍牙技術為可穿戴設備中的射頻/微波應用鋪平了道路。 今天的頻率範圍變得越來越動態。 幾年前，甚高頻（VHF）被定義為2GHz～3GHz。 但現在我們可以看到從10GHz到25GHz的超高頻（UHF）應用。

囙此，對於可穿戴PCB，射頻部分需要更多注意佈線問題，訊號應分開，產生高頻訊號的痕迹應遠離地面。 其他考慮因素包括：提供旁路濾波器、足够的去耦電容器、接地，以及將傳輸線和回流線設計為幾乎相等。

旁路濾波器可以抑制雜訊含量和串擾的波紋效應。 去耦電容器需要放置在更靠近承載功率訊號的設備引脚的位置。

高速傳輸線和訊號環路需要在功率層訊號之間放置一個接地層，以平滑雜訊訊號產生的抖動。 在較高的訊號速度下，較小的阻抗失配將導致訊號的傳輸和接收不平衡，從而導致失真。 囙此，必須特別注意與射頻訊號相關的阻抗匹配問題，因為射頻訊號具有高速和特殊公差。

射頻傳輸線需要控制阻抗，以便將射頻訊號從特定IC基板傳輸到PCB。 這些傳輸線可以在外層、頂層和底層實現，也可以在中間層設計。

PCB RF設計佈局期間使用的方法有微帶線、浮動條線、共面波導或接地。 微帶線由固定長度的金屬或跡線以及整個接地層或其正下方接地層的一部分組成。 一般微帶線結構的特性阻抗範圍為50Ω至75Ω。

圖2：共面波導可以在射頻線上佈線，需要佈線

在非常近的線路附近提供更好的隔離

懸掛帶狀線是佈線和抑制雜訊的另一種方法. 該線路由內層的固定寬度佈線和中心導體上方和下方的大接地層組成. 地平面夾在電源平面之間, so it can provide a very effective 根植 effect. This is the preferred method 對於 可穿戴PCB 射頻訊號接線.

共面波導可以在射頻線和需要佈線更近的線之間提供更好的隔離. 該介質由中央導體和兩側或下方的接地層組成. 傳輸射頻訊號的最佳管道是懸掛帶狀線或共面波導. 這兩種方法可以在訊號和射頻記錄道之間提供更好的隔離.

建議在共面波導的兩側使用所謂的“過孔圍欄”。 這種方法可以在中心導體的每個金屬接地板上提供一排接地過孔。 在中間運行的主要線路兩側都有圍欄，囙此為回流到地面提供了一條捷徑。 這種方法可以降低與射頻訊號的高紋波效應相關的雜訊水准。 4.5的介電常數與預浸料的FR4資料保持相同，而微帶、帶狀線或偏移帶狀線預浸料的介電常數約為3.8至3.9。

圖3：建議在共面波導的兩側設定通孔圍欄。

在某些使用地平面的設備中, 盲孔可用於改善電源電容器的去耦效能，並提供從設備到地面的分流路徑. 接地分流路徑可以縮短過孔的長度, 這可以實現兩個目的：您不僅可以創建分流器或接地, 同時也减少了小面積設備的傳輸距離, 這是一個重要的 射頻設計 因素.