可穿戴PCB設(shè)計要考慮這三大問題

由于體積和尺寸都很小，對日益增長的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)市場來說幾乎沒有現(xiàn)成的印刷電路板標(biāo)準(zhǔn)。在這些標(biāo)準(zhǔn)面世之前，我們不得不依靠在板級開發(fā)中所學(xué)的知識和制造經(jīng)驗，并思考如何將它們應(yīng)用于獨特的新興挑戰(zhàn)。有三個領(lǐng)域需要我們特別加以關(guān)注，它們是：電路板表面材料，射頻/微波設(shè)計和射頻傳輸線。
　　PCB材料
　　PCB一般由疊層組成，這些疊層可能用纖維增強型環(huán)氧樹脂（FR4）、聚酰亞胺或羅杰斯（Rogers）材料或其它層壓材料制造。不同層之間的絕緣材料被稱為半固化片。
　　可穿戴設(shè)備要求很高的可靠性，因此當(dāng)PCB設(shè)計師面臨著使用FR4（具有最高性價比的PCB制造材料）或更先進(jìn)更昂貴材料的選擇時，這將成為一個問題。
　　如果可穿戴PCB應(yīng)用要求高速、高頻材料，F(xiàn)R4可能不是最佳選擇。FR4的介電常數(shù)（Dk）是4.5，更先進(jìn)的Rogers 4003系列材料的介電常數(shù)是3.55，而兄弟系列Rogers 4350的介電常數(shù)是3.66。
　　
　　圖1：多層電路板的疊層圖，圖中展示了FR4材料和Rogers 4350以及核心層厚度。
　　一個疊層的介電常數(shù)指的是疊層附近一對導(dǎo)體之間的電容或能量與真空中這對導(dǎo)體之間電容或能量的比值。在高頻時，最好是有很小的損耗，因此，介電系數(shù)為3. 66的Roger 4350比介電常數(shù)是4.5的FR4更適合更高頻率的應(yīng)用。
　　正常情況下，可穿戴設(shè)備用的PCB層數(shù)從4層到8層。層的構(gòu)建原則是，如果是8層PCB，它應(yīng)能提供足夠的地層和電源層并將布線層夾在中間。這樣，串?dāng)_中的紋波效應(yīng)就能保持最小，并能顯著減少電磁干擾（EMI）。
　　在電路板版圖設(shè)計階段，版圖安排方案一般是將大塊地層緊靠電源分配層。這樣可以形成很低的紋波效應(yīng)，系統(tǒng)噪聲也能被減小到幾乎為零。這對射頻子系統(tǒng)來說尤其重要。
　　與Rogers材料相比，F(xiàn)R4具有較高的耗散因數(shù)（Df），特別是在高頻的時候。對于更高性能的FR4疊層來說，Df值在0.002左右，比普通FR4要好一個數(shù)量級。不過Rogers的疊層只有0.001或更小。當(dāng)將FR4材料用于高頻應(yīng)用時，就會在插損方面產(chǎn)生明顯的差異。插損被定義為在使用FR4、Rogers或其它材料時信號從A點傳輸?shù)紹點的功率損失。
　　制造問題
　　可穿戴PCB要求更加嚴(yán)格的阻抗控制，對可穿戴設(shè)備來說這是一個重要的因素，阻抗匹配可以產(chǎn)生更加干凈的信號傳輸。在較早前，信號承載走線的標(biāo)準(zhǔn)公差是±10%。這個指標(biāo)對今天的高頻高速電路來顯然不夠好?，F(xiàn)在的要求是±7%，在有些情況下甚至達(dá)±5%或更小。這個參數(shù)以及其它變量會嚴(yán)重影響這些阻抗控制特別嚴(yán)格的可穿戴PCB的制造，進(jìn)而限制了能夠制造它們的商家數(shù)量。
　　采用Rogers特高頻材料做的疊層的介電常數(shù)公差一般保持在±2%，有些產(chǎn)品甚至可以達(dá)到±1%，相比之下FR4疊層的介電常數(shù)公差高達(dá)10%，因此，比較這兩種材料可以發(fā)現(xiàn)Rogers的插損特別低。與傳統(tǒng)的FR4材料相比，Rogers疊層的傳輸損耗和插損要低一半。
　　在大多數(shù)情況下，成本最重要。然而，Rogers能以可接受的價位提供相對低損耗的高頻疊層性能。對商業(yè)應(yīng)用來說，Rogers可以和基于環(huán)氧樹脂的FR4一起做成混合PCB，其中一些層采用Rogers材料，其它層采用FR4。
　　在選擇Rogers疊層時，頻率是首要考慮因素。當(dāng)頻率超過500MHz時，PCB設(shè)計師傾向于選擇Rogers材料，特別是對射頻/微波電路來說，因為上面的走線受到嚴(yán)格的阻抗控制時，這些材料可以提供更高的性能。
　　與FR4材料相比，Rogers材料還能提供更低的介電損耗，其介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)都很穩(wěn)定。另外，Rogers材料可以提供高頻工作要求的理想低插損性能。
　　Rogers 4000系列材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。這意味著與FR4相比，當(dāng)PCB經(jīng)歷冷、熱和非常熱的回流焊循環(huán)時，電路板的熱脹冷縮可以在更高頻率和更高溫度循環(huán)下保持在一個穩(wěn)定的限值。