指導(dǎo)可穿戴 PCB 設(shè)計的基本原理

    由于它們的尺寸和尺寸較小，對于不斷增長的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)市場，幾乎沒有印刷電路板標準。在它們出現(xiàn)之前，我們必須依賴我們所了解的關(guān)于板級開發(fā)和制造經(jīng)驗的知識，并仔細考慮如何將它們應(yīng)用于那里出現(xiàn)的獨特挑戰(zhàn)。我們應(yīng)該特別關(guān)注的三個領(lǐng)域是：電路板表面材料、射頻/微波設(shè)計和射頻傳輸線。
    PCB 材料PCB 層由層壓板組成，層壓板可以由 FR4（纖維增強環(huán)氧樹脂）、聚酰亞胺或 羅杰斯材料或?qū)訅喊?br>    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 PCB 設(shè)計人員面臨選擇使用 FR4（成本效益的 PCB 制造材料）還是更先進、更昂貴的材料時，這就成為一個問題。
    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導(dǎo)體相比，層壓板附近的一對導(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，它會提供足夠的接地層和電源層以將布線層夾在中間。因此，串擾中的紋波效應(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，布局時間表是接地層緊鄰配電層。這會產(chǎn)生低紋波效應(yīng)，系統(tǒng)噪聲幾乎降至零。這對于 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。更高性能 FR4 層壓板的 Df 值在 0.002 范圍內(nèi)，比普通 FR4 好一個數(shù)量級。然而，羅杰斯的層壓板為 0.001 或更小。因此，當 FR4 材料經(jīng)受高頻時，會產(chǎn)生有意義的插入損耗差異。插入損耗定義為在從 A 點到 B 點傳輸過程中由于使用 FR4、Rogers 或其他材料等層壓板而導(dǎo)致的信號功率損耗。
    制造問題
    可穿戴設(shè)備 PCB 需要更嚴格的阻抗控制，這是可穿戴設(shè)備的基本要素，可實現(xiàn)更清潔的信號傳播。早些時候，信號承載跡線的標準公差為 +/-10%。這對于今天的高頻、高速電路來說還不夠好。現(xiàn)在的要求是 +/-7%，在某些情況下是 +/-5% 甚至更低。這個和其他變量對那些具有極其嚴格的阻抗控制的可穿戴設(shè)備 PCB 的制造產(chǎn)生負面影響，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%，因此當比較這兩種材料時，插入損耗極低。與傳統(tǒng)的 FR4 材料相比，這會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低損耗層壓板。對于商業(yè)應(yīng)用，它可以與基于環(huán)氧樹脂的 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，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)計人員傾向于使用羅杰斯材料而不是 FR4，尤其是對于射頻/微波電路，因為這些材料在跡線受到嚴格阻抗控制時性能更好。
    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 PCB 經(jīng)歷冷、熱和非常熱的回流焊循環(huán)時，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的制造工藝技術(shù)輕松地與高性能 FR4 混合，從而相對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，并且它能夠用于從簡單到廣泛的各種應(yīng)用音頻設(shè)計到復(fù)雜的微波應(yīng)用。