关于可穿戴PCB设计的一些经验

由于它们的尺寸和尺寸较小，对于不断增长的可穿戴物联网市场，几乎没有印刷电路板标准。在它们出现之前，我们必须依赖我们所了解的关于板级开发和制造经验的知识，并仔细考虑如何将它们应用于那里出现的独特挑战。我们应该特别关注的三个领域是：电路板表面材料、射频/微波设计和射频传输线。

PCB 材料PCB 层由层压板组成，层压板可以由 FR4（纤维增强环氧树脂）、聚酰亚胺或 罗杰斯材料或层压板制成。不同层之间的绝缘称为预浸料。可穿戴设备需要高度的可靠性，当 PCB 设计人员面临选择使用 FR4（成本效益的 PCB 制造材料）还是更先进、更昂贵的材料时，这就成为一个问题。

如果可穿戴 PCB 应用需要高速、高频材料，FR4 可能不是答案。FR4 的介电常数 (Dk) 为 4.5，而更先进的罗杰斯 4003 系列材料的介电常数为3.55，而其配套系列罗杰斯 4350 的介电常数为 3.66。

层压板的 Dk 是指与真空中的那对导体相比，层压板附近的一对导体之间的电容或能量。在高频下，希望损耗非常小，因此 Rogers 4350 的 Dk 为3.66 对于高频电路而言更理想，而 FR4 的 Dk 为 4.5

通常，可穿戴设备的层数从四层到八层不等。层结构是这样的，如果它是八层 PCB，它会提供足够的接地层和电源层以将布线层夹在中间。因此，串扰中的纹波效应保持在限度，并且电磁干扰或 EMI 显着降低。

在电路板布局阶段，布局时间表是接地层紧邻配电层。这会产生低纹波效应，系统噪声几乎降至零。这对于 RF 子系统尤为重要。

与罗杰斯的材料相比，FR4 具有较高的耗散因数 (Df)，尤其是在高频时。更高性能 FR4 层压板的 Df 值在 0.002 范围内，比普通 FR4 好一个数量级。然而，罗杰斯的层压板为 0.001 或更小。因此，当 FR4 材料经受高频时，会产生有意义的插入损耗差异。插入损耗定义为在从 A 点到 B 点传输过程中由于使用 FR4、Rogers 或其他材料等层压板而导致的信号功率损耗。
 

制造问题

可穿戴设备 PCB 需要更严格的阻抗控制，这是可穿戴设备的基本要素，可实现更清洁的信号传播。早些时候，信号承载迹线的标准公差为 +/-10%。这对于今天的高频、高速电路来说还不够好。现在的要求是 +/-7%，在某些情况下是 +/-5% 甚至更低。这个和其他变量对那些具有极其严格的阻抗控制的可穿戴设备 PCB 的制造产生负面影响，从而限制了能够制造它们的制造车间的数量。

罗杰斯极高频材料的层压板保持在 +/-2% 的 Dk 公差。有些甚至可以保持 +/-1% 的 DK 公差，而 FR4 层压板的 Dk 公差为 10%，因此当比较这两种材料时，插入损耗极低。与传统的 FR4 材料相比，这会将罗杰斯的传输和插入损耗限制在一半以下。

在大多数情况下，成本是重要的。然而，罗杰斯以可接受的成本提供了一种具有高频性能的相对低损耗层压板。对于商业应用，它可以与基于环氧树脂的 FR4 一起用于混合 PCB，其中一些层是罗杰斯的材料，其他层是 FR4。

选择罗杰斯的层压板时，频率是首要考虑因素。随着频率增加到 500 兆赫兹 (MHz) 以上，PCB 设计人员倾向于使用罗杰斯材料而不是 FR4，尤其是对于射频/微波电路，因为这些材料在迹线受到严格阻抗控制时性能更好。

与 FR4 相比，罗杰斯材料还具有较低的介电损耗，并提供在宽频率范围内稳定的介电常数。此外，它们具有低插入损耗，是高频操作的理想选择。

罗杰斯 4000 系列的热膨胀系数 (CTE) 具有出色的尺寸稳定性。这意味着当 PCB 经历冷、热和非常热的回流焊循环时，与 FR4 相比，电路板的膨胀和收缩在更高的频率和更高的温度循环下保持在一个稳定的极限。

在混合层压堆叠的情况下，罗杰斯可以使用常见的制造工艺技术轻松地与高性能 FR4 混合，从而相对容易地获得良好的制造良率。罗杰斯的层压板不需要专门的通孔准备。

就可靠的电气性能而言，FR4 通常做得不好，但高性能 FR4 材料确实具有良好的可靠性特性，例如更高的 Tg，仍然相对较低的成本，并且它能够用于从简单到广泛的各种应用音频设计到复杂的微波应用。