指導(dǎo)可穿戴PCB設(shè)計(jì)的基本原理

由于它們的尺寸和尺寸較小，對(duì)于不斷增長(zhǎng)的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，幾乎沒(méi)有印刷電路板標(biāo)準(zhǔn)。在它們出現(xiàn)之前，我們必須依賴我們所了解的關(guān)于板級(jí)開(kāi)發(fā)和制造經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)，并仔細(xì)考慮如何將它們應(yīng)用于那里出現(xiàn)的獨(dú)特挑戰(zhàn)。我們應(yīng)該特別關(guān)注的三個(gè)領(lǐng)域是：電路板表面材料、射頻/微波設(shè)計(jì)和射頻傳輸線。

PCB 材料PCB 層由層壓板組成，層壓板可以由 FR4（纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂）、聚酰亞胺或 羅杰斯材料或?qū)訅喊?/p>

制成。不同層之間的絕緣稱為預(yù)浸料。

可穿戴設(shè)備需要高度的可靠性，當(dāng) PCB 設(shè)計(jì)人員面臨選擇使用 FR4（成本效益的 PCB 制造材料）還是更先進(jìn)、更昂貴的材料時(shí)，這就成為一個(gè)問(wèn)題。

如果可穿戴 PCB 應(yīng)用需要高速、高頻材料，F(xiàn)R4 可能不是答案。FR4 的介電常數(shù) （Dk） 為 4.5，而更先進(jìn)的羅杰斯 4003 系列材料的介電常數(shù)為 3.55，而其配套系列羅杰斯 4350 的介電常數(shù)為 3.66。

層壓板的 Dk 是指與真空中的那對(duì)導(dǎo)體相比，層壓板附近的一對(duì)導(dǎo)體之間的電容或能量。在高頻下，希望損耗非常小，因此 Rogers 4350 的 Dk 為 3.66 對(duì)于高頻電路而言更理想，而 FR4 的 Dk 為 4.5

通常，可穿戴設(shè)備的層數(shù)從四層到八層不等。層結(jié)構(gòu)是這樣的，如果它是八層 PCB，它會(huì)提供足夠的接地層和電源層以將布線層夾在中間。因此，串?dāng)_中的紋波效應(yīng)保持在限度，并且電磁干擾或 EMI 顯著降低。

在電路板布局階段，布局時(shí)間表是接地層緊鄰配電層。這會(huì)產(chǎn)生低紋波效應(yīng)，系統(tǒng)噪聲幾乎降至零。這對(duì)于 RF 子系統(tǒng)尤為重要。

與羅杰斯的材料相比，F(xiàn)R4 具有較高的耗散因數(shù) （Df），尤其是在高頻時(shí)。更高性能 FR4 層壓板的 Df 值在 0.002 范圍內(nèi)，比普通 FR4 好一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，羅杰斯的層壓板為 0.001 或更小。因此，當(dāng) FR4 材料經(jīng)受高頻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有意義的插入損耗差異。插入損耗定義為在從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)傳輸過(guò)程中由于使用 FR4、Rogers 或其他材料等層壓板而導(dǎo)致的信號(hào)功率損耗。

制造問(wèn)題

可穿戴設(shè)備 PCB 需要更嚴(yán)格的阻抗控制，這是可穿戴設(shè)備的基本要素，可實(shí)現(xiàn)更清潔的信號(hào)傳播。早些時(shí)候，信號(hào)承載跡線的標(biāo)準(zhǔn)公差為 +/-10%。這對(duì)于今天的高頻、高速電路來(lái)說(shuō)還不夠好。現(xiàn)在的要求是 +/-7%，在某些情況下是 +/-5% 甚至更低。這個(gè)和其他變量對(duì)那些具有極其嚴(yán)格的阻抗控制的可穿戴設(shè)備 PCB 的制造產(chǎn)生負(fù)面影響，從而限制了能夠制造它們的制造車間的數(shù)量。

羅杰斯極高頻材料的層壓板保持在 +/-2% 的 Dk 公差。有些甚至可以保持 +/-1% 的 DK 公差，而 FR4 層壓板的 Dk 公差為 10%，因此當(dāng)比較這兩種材料時(shí)，插入損耗極低。與傳統(tǒng)的 FR4 材料相比，這會(huì)將羅杰斯的傳輸和插入損耗限制在一半以下。

在大多數(shù)情況下，成本是重要的。然而，羅杰斯以可接受的成本提供了一種具有高頻性能的相對(duì)低損耗層壓板。對(duì)于商業(yè)應(yīng)用，它可以與基于環(huán)氧樹(shù)脂的 FR4 一起用于混合 PCB，其中一些層是羅杰斯的材料，其他層是 FR4。

選擇羅杰斯的層壓板時(shí)，頻率是首要考慮因素。隨著頻率增加到 500 兆赫茲 （MHz） 以上，PCB 設(shè)計(jì)人員傾向于使用羅杰斯材料而不是 FR4，尤其是對(duì)于射頻/微波電路，因?yàn)檫@些材料在跡線受到嚴(yán)格阻抗控制時(shí)性能更好。

與 FR4 相比，羅杰斯材料還具有較低的介電損耗，并提供在寬頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定的介電常數(shù)。此外，它們具有低插入損耗，是高頻操作的理想選擇。

羅杰斯 4000 系列的熱膨脹系數(shù) （CTE） 具有出色的尺寸穩(wěn)定性。這意味著當(dāng) PCB 經(jīng)歷冷、熱和非常熱的回流焊循環(huán)時(shí)，與 FR4 相比，電路板的膨脹和收縮在更高的頻率和更高的溫度循環(huán)下保持在一個(gè)穩(wěn)定的極限。

在混合層壓堆疊的情況下，羅杰斯可以使用常見(jiàn)的制造工藝技術(shù)輕松地與高性能 FR4 混合，從而相對(duì)容易地獲得良好的制造良率。羅杰斯的層壓板不需要專門的通孔準(zhǔn)備。

就可靠的電氣性能而言，F(xiàn)R4 通常做得不好，但高性能 FR4 材料確實(shí)具有良好的可靠性特性，例如更高的 Tg，仍然相對(duì)較低的成本，并且它能夠用于從簡(jiǎn)單到廣泛的各種應(yīng)用音頻設(shè)計(jì)到復(fù)雜的微波應(yīng)用。