設(shè)計(jì)可穿戴PCB需要考慮的材料問題

由于體積和尺寸都很小，對(duì)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(jí)開發(fā)中所學(xué)的知識(shí)和制造經(jīng)驗(yàn)，并思考如何將它們應(yīng)用于獨(dú)特的新興挑戰(zhàn)。有三個(gè)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(jì)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(qiáng)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(jì)師面臨著使用FR4(具有最高性價(jià)比的PCB制造材料)或更先進(jìn)更昂貴材料的選擇時(shí)，這將成為一個(gè)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(gè)疊層的介電常數(shù)指的是疊層附近一對(duì)導(dǎo)體之間的電容或能量與真空中這對(duì)導(dǎo)體之間電容或能量的比值。在高頻時(shí)，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(jì)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(duì)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(shí)候。對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(shí)，就會(huì)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(shí)信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)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(duì)可穿戴設(shè)備來說這是一個(gè)重要的因素，阻抗匹配可以產(chǎn)生更加干凈的信號(hào)傳輸。在較早前，信號(hào)承載走線的標(biāo)準(zhǔn)公差是±10%。這個(gè)指標(biāo)對(duì)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(gè)參數(shù)以及其它變量會(huì)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(jià)位提供相對(duì)低損耗的高頻疊層性能。對(duì)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(shí)，頻率是首要考慮因素。當(dāng)頻率超過500MHz時(shí)，PCB設(shè)計(jì)師傾向于選擇Rogers材料，特別是對(duì)射頻/微波電路來說，因?yàn)樯厦娴淖呔€受到嚴(yán)格的阻抗控制時(shí)，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(shí)，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(gè)穩(wěn)定的限值。

在混合疊層情形下，可以輕松地使用通用制造工藝技術(shù)將Rogers和高性能FR4混合在一起使用，因此也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)高的制造良率。Rogers疊層不需要專門的過孔準(zhǔn)備工序。

普通FR4無法實(shí)現(xiàn)非?？煽康碾姎庑阅?，但高性能FR4材料確實(shí)有良好的可靠特性，比如更高的Tg，仍然相對(duì)較低的成本，并能用于種類廣泛的應(yīng)用，從簡單的音頻設(shè)計(jì)到復(fù)雜的微波應(yīng)用。

射頻/微波設(shè)計(jì)考慮

便攜式技術(shù)和藍(lán)牙為可穿戴設(shè)備中的射頻/微波應(yīng)用鋪平了道路。今天的頻率范圍正變得越來越動(dòng)態(tài)。還在幾年前，甚高頻(VHF)被定義為2GHz~3GHz。但現(xiàn)在我們可以見到范圍在10GHz到25GHz之間的超高頻(UHF)應(yīng)用。

因此對(duì)可穿戴PCB來說，射頻部分要求更加密切地關(guān)注布線方面的問題，要把信號(hào)單獨(dú)分開，使產(chǎn)生高頻信號(hào)的走線遠(yuǎn)離地。其它考慮因素包括：提供旁路濾波器，足夠的去耦電容，接地，將傳輸線和回路線設(shè)計(jì)的幾乎相等。

旁路濾波器可以抑制噪聲內(nèi)容和串?dāng)_的紋波效應(yīng)。去耦電容需要放置在更靠近承載電源信號(hào)的器件引腳旁邊。

高速傳輸線和信號(hào)回路要求在電源層信號(hào)間布置一個(gè)地層，用于平滑噪聲信號(hào)產(chǎn)生的抖動(dòng)。在較高的信號(hào)速度時(shí)，很小的阻抗失配都會(huì)造成不平衡的傳輸和接收信號(hào)，從而產(chǎn)生失真。因此必須特別留意與射頻信號(hào)有關(guān)的阻抗匹配問題，因?yàn)樯漕l信號(hào)具有很高的速度和特殊的容限。

射頻傳輸線要求控制阻抗以便將射頻信號(hào)從特定的IC基底傳送到PCB。這些傳輸線可以在外層、頂層和底層實(shí)現(xiàn)，也可以設(shè)計(jì)在中間層。

在PCB射頻設(shè)計(jì)版圖期間使用的方法有微帶線、懸浮的帶狀線、共面型波導(dǎo)或接地。微帶線由固定長度的金屬或走線以及位于正下方的整個(gè)地平面或部分地平面組成。一般微帶線結(jié)構(gòu)中的特征阻抗從50Ω到75Ω。

圖2：共面波導(dǎo)可以在射頻線路和需要走線靠很近的線路附近提供更好的隔離

懸浮帶狀線是另外一種布線和抑制噪聲的方法。這種線由內(nèi)層上固定寬度的布線和中心導(dǎo)體上下的大塊地平面組成。地平面夾在電源層中間，因此可以提供非常有效的接地效果。對(duì)可穿戴PCB射頻信號(hào)布線來說這是優(yōu)選的一種方法。

共面波導(dǎo)可以在射頻線路和需要走線靠近的線路附近提供更好的隔離。這種介質(zhì)由一段中心導(dǎo)體和兩旁或下方的地平面組成。傳送射頻信號(hào)的最佳方法是懸浮帶狀線或共面波導(dǎo)。這兩種方法可以在信號(hào)和射頻走線之間提供更好的隔離。

在共面波導(dǎo)兩邊推薦使用所謂的“過孔圍欄”。這種方法可以在中心導(dǎo)體的每個(gè)金屬地平面上提供一排接地過孔。在中間運(yùn)行的主要走線在每邊都有圍欄，因此給返回電流提供了到下面地層的捷徑。這種方法可以減少與射頻信號(hào)高紋波效應(yīng)有關(guān)的噪聲電平。4.5的介電常數(shù)保持與半固化片F(xiàn)R4材料相同，而半固化片—從微帶線、帶狀線或偏移帶狀線—的介電常數(shù)約3.8到3.9。

圖3：在共面波導(dǎo)的兩側(cè)推薦使用過孔圍欄

在使用地平面的某些設(shè)備中，可能會(huì)使用盲孔來提高電源電容的去耦性能，并提供從器件到地的分流路徑。到地的分流路徑可以縮短過孔的長度，這樣可以達(dá)成兩個(gè)目的：你不僅創(chuàng)建了分流或地，而且可以減少具有小塊地的器件的傳輸距離，這是一個(gè)重要的射頻設(shè)計(jì)因素。