기본 안내 웨어러블 PCB 설계

크기와 치수가 작기 때문에 성장하는 웨어러블 사물 인터넷 시장을 위한 인쇄 회로 기판 표준은 거의 없습니다. 그것들이 나타날 때까지 우리는 우리가 보드 레벨 개발 및 제조 경험에 대해 배운 것에 의존해야 하고 그곳에서 나타나는 고유한 문제에 어떻게 적용할지 신중하게 고려해야 합니다. 특히 주의를 기울여야 하는 세 가지 영역은 기판 표면 재료, RF/마이크로웨이브 설계 및 RF 전송 라인입니다.

PCB 재료
PCB 레이어는 FR4(섬유 강화 에폭시), 폴리이미드 또는 Rogers 재료 또는 라미네이트로 만들 수 있는 라미네이트로 구성됩니다. 서로 다른 층 사이의 단열재를 프리프레그라고 합니다.

웨어러블은 높은 수준의 신뢰성을 요구하며, 이는 PCB 설계자가 가장 비용 효율적인 PCB 제조 재료인 FR4를 사용하거나 더 고급스럽고 더 비싼 재료를 사용하는 선택에 직면할 때 문제가 됩니다.

웨어러블 PCB 애플리케이션에 고속, 고주파 재료가 필요한 경우 FR4가 최선의 답이 아닐 수 있습니다. FR4의 유전 상수(Dk)는 4.5인 반면, 고급 Rogers 4003 시리즈 재료의 Dk는 3.55이며, 동반 시리즈인 Rogers 4350의 Dk는 3.66입니다.

적층체의 Dk는 진공 상태의 도체 쌍과 비교하여 적층체 부근의 도체 쌍 사이의 정전용량 또는 에너지를 나타냅니다. 고주파수에서는 손실이 매우 작은 것이 바람직하므로 Dk가 4.5인 FR4에 비해 Rogers 4350의 Dk 3.66이 고주파수 회로에 더 적합합니다.

일반적으로 레이어 수는 웨어러블 장치의 경우 4개에서 8개까지 다양합니다. 레이어 구조화는 8레이어 PCB인 경우 라우팅 레이어를 사이에 둘 수 있는 충분한 접지와 전원 플레인을 제공하는 방식입니다. 따라서 누화의 파급 효과가 최소화되고 전자파 간섭이나 EMI가 크게 감소합니다.

보드 레이아웃 단계에서 레이아웃 일정은 접지 플레인이 배전 레이어 옆에 고정되도록 하는 것입니다. 이것은 낮은 리플 효과를 생성하고 시스템 노이즈는 거의 0으로 감소합니다. 이것은 RF 하위 시스템에 특히 중요합니다.

FR4는 특히 고주파에서 Rogers의 재료에 비해 높은 손실 계수(Df)를 가지고 있습니다. 고성능 FR4 라미네이트에 대한 Df 값은 0.002 범위에 있으며 이는 일반 FR4보다 10배 더 우수합니다. 그러나 Rogers의 라미네이트는 0.001 이하입니다. 따라서 FR4 재료가 고주파수에 노출될 때 삽입 손실의 의미 있는 차이가 생성됩니다. 삽입 손실은 FR4, Rogers 또는 기타 재료와 같은 라미네이트 사용으로 인해 A 지점에서 B 지점으로 전송되는 신호 전력의 손실로 정의됩니다.

제작 문제
웨어러블 PCB는 훨씬 더 엄격한 임피던스 제어가 필요하며 이는 웨어러블 기기의 필수 요소이므로 신호 전파가 더 깨끗해집니다. 이전에는 신호 전달 트레이스에 대한 표준 허용 오차가 +/-10%였습니다. 이것은 오늘날의 고주파, 고속 회로에는 충분하지 않습니다. 현재 요구 사항은 +/-7%이며 일부 경우에는 +/-5% 또는 그 이하입니다. 이 변수와 기타 변수는 임피던스 제어가 매우 엄격한 웨어러블 PCB의 제조에 부정적인 영향을 미치므로 이를 제작할 수 있는 제조 공장의 수를 제한합니다.

Rogers의 극도로 고주파수 재료로 만든 라미네이트는 Dk 허용 오차의 +/-2%로 유지됩니다. 일부는 FR4 라미네이트의 10% Dk 허용 오차에 비해 DK 허용 오차의 +/-1%를 유지할 수 있으므로 두 재료를 비교할 때 삽입 손실이 매우 낮습니다. 이렇게 하면 Rogers의 전송 및 삽입 손실이 기존 FR4 재료에 비해 절반 미만으로 제한됩니다.

대부분의 경우 비용이 가장 중요합니다. 그러나 Rogers는 허용 가능한 비용 지점에서 고주파 성능과 함께 상대적으로 손실이 적은 라미네이트를 제공합니다. 상업용 애플리케이션의 경우 일부 레이어는 Rogers의 재료이고 다른 레이어는 FR4인 하이브리드 PCB용 에폭시 기반 FR4와 함께 사용할 수 있습니다.

Rogers의 라미네이트를 선택할 때 빈도가 가장 중요한 고려 사항입니다. 주파수가 500MHz 이상으로 증가함에 따라 PCB 설계자는 FR4보다 Rogers 재료를 선호하는 경향이 있습니다. 특히 RF/마이크로웨이브 회로의 경우 이러한 재료는 트레이스가 엄격하게 임피던스 제어될 때 더 나은 성능을 발휘하기 때문입니다.

Rogers 재료는 또한 FR4에 비해 낮은 유전 손실을 제공하고 광범위한 주파수에서 안정적인 Dk를 제공합니다. 또한 고주파 작동에 이상적인 낮은 삽입 손실을 제공합니다.

Rogers 4000 시리즈의 열팽창 계수(CTE)는 탁월한 치수 안정성을 제공합니다. 즉, PCB가 Cold, Hot, Very Hot의 reflow 사이클을 거치면 FR4에 비해 높은 주파수와 높은 온도 사이클에서 회로 기판의 팽창 및 수축이 안정적인 한계로 유지됩니다.

하이브리드 라미네이트 스택업 상황에서 Rogers는 일반적인 제조 공정 기술을 사용하여 고성능 FR4와 쉽게 혼합될 수 있으므로 양호한 제조 수율을 비교적 쉽게 얻을 수 있습니다. Rogers의 라미네이트는 전처리를 통해 전문화할 필요가 없습니다.

FR4는 일반적으로 신뢰할 수 있는 전기적 성능만큼 좋지 않지만 고성능 FR4 재료는 높은 Tg, 여전히 상대적으로 저렴한 비용과 같은 우수한 신뢰성 특성을 가지고 있으며 간단한 복잡한 마이크로웨이브 응용 프로그램에 오디오 디자인.

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