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(shù)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(chēng)為半固化片。

可穿戴設備要求很高的可靠性，因此當PCB設計師面臨著(zhù)使用FR4(具有最高性?xún)r(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(wèn)題。

如果可穿戴PCB應用要求高速、高頻材料，FR4可能不是最佳選擇。FR4的介電常數(Dk)是4.5，更先進(jìn)的Rogers 4003系列材料的介電常數是3.55，而兄弟系列Rogers 4350的介電常數是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)疊層的介電常數指的是疊層附近一對導體之間的電容或能量與真空中這對導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，介電系數為3. 66的Roger 4350比介電常數是4.5的FR4更適合更高頻率的應用。

正常情況下，可穿戴設備用的PCB層數從4層到8層。層的構建原則是，如果是8層PCB，它應能提供足夠的地層和電源層并將布線(xiàn)層夾在中間。這樣，串擾中的紋波效應就能保持最小，并能顯著(zhù)減少電磁干擾(EMI)。

在電路板版圖設計階段，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，系統噪聲也能被減小到幾乎為零。這對射頻子系統來(lái)說(shuō)尤其重要。

與Rogers材料相比，FR4具有較高的耗散因數(Df)，特別是在高頻的時(shí)候。對于更高性能的FR4疊層來(lái)說(shuō)，Df值在0.002左右，比普通FR4要好一個(gè)數量級。不過(guò)Rogers的疊層只有0.001或更小。當將FR4材料用于高頻應用時(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)信號從A點(diǎn)傳輸到B點(diǎn)的功率損失。

制造問(wèn)題

可穿戴PCB要求更加嚴格的阻抗控制，對可穿戴設備來(lái)說(shuō)這是一個(gè)重要的因素，阻抗匹配可以產(chǎn)生更加干凈的信號傳輸。在較早前，信號承載走線(xiàn)的標準公差是±10%。這個(gè)指標對今天的高頻高速電路來(lái)顯然不夠好�，F在的要求是±7%，在有些情況下甚至達±5%或更小。這個(gè)參數以及其它變量會(huì )嚴重影響這些阻抗控制特別嚴格的可穿戴PCB的制造，進(jìn)而限制了能夠制造它們的商家數量。

采用Rogers特高頻材料做的疊層的介電常數公差一般保持在±2%，有些產(chǎn)品甚至可以達到±1%，相比之下FR4疊層的介電常數公差高達10%，因此，比較這兩種材料可以發(fā)現Rogers的插損特別低。與傳統的FR4材料相比，Rogers疊層的傳輸損耗和插損要低一半。

在大多數情況下，成本最重要。然而，Rogers能以可接受的價(jià)位提供相對低損耗的高頻疊層性能。對商業(yè)應用來(lái)說(shuō)，Rogers可以和基于環(huán)氧樹(shù)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。當頻率超過(guò)500MHz時(shí)，PCB設計師傾向于選擇Rogers材料，特別是對射頻/微波電路來(lái)說(shuō)，因為上面的走線(xiàn)受到嚴格的阻抗控制時(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，其介電常數在很寬的頻率范圍內都很穩定。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(CTE)具有優(yōu)異的尺寸穩定性。這意味著(zhù)與FR4相比，當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，因此也相對容易實(shí)現高的制造良率。Rogers疊層不需要專(zhuān)門(mén)的過(guò)孔準備工序。

普通FR4無(wú)法實(shí)現非�？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，仍然相對較低的成本，并能用于種類(lèi)廣泛的應用，從簡(jiǎn)單的音頻設計到復雜的微波應用。

射頻/微波設計考慮

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

因此對可穿戴PCB來(lái)說(shuō)，射頻部分要求更加密切地關(guān)注布線(xiàn)方面的問(wèn)題，要把信號單獨分開(kāi)，使產(chǎn)生高頻信號的走線(xiàn)遠離地。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(xiàn)和回路線(xiàn)設計的幾乎相等。

旁路濾波器可以抑制噪聲內容和串擾的紋波效應。去耦電容需要放置在更靠近承載電源信號的器件引腳旁邊。

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

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

在PCB射頻設計版圖期間使用的方法有微帶線(xiàn)、懸浮的帶狀線(xiàn)、共面型波導或接地。微帶線(xiàn)由固定長(cháng)度的金屬或走線(xiàn)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(xiàn)結構中的特征阻抗從50Ω到75Ω。

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

懸浮帶狀線(xiàn)是另外一種布線(xiàn)和抑制噪聲的方法。這種線(xiàn)由內層上固定寬度的布線(xiàn)和中心導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。對可穿戴PCB射頻信號布線(xiàn)來(lái)說(shuō)這是優(yōu)選的一種方法。

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

在共面波導兩邊推薦使用所謂的“過(guò)孔圍欄”。這種方法可以在中心導體的每個(gè)金屬地平面上提供一排接地過(guò)孔。在中間運行的主要走線(xiàn)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高紋波效應有關(guān)的噪聲電平。4.5的介電常數保持與半固化片FR4材料相同，而半固化片—從微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)或偏移帶狀線(xiàn)—的介電常數約3.8到3.9。 

      圖3：在共面波導的兩側推薦使用過(guò)孔圍欄。

在使用地平面的某些設備中，可能會(huì )使用盲孔來(lái)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(guò)孔的長(cháng)度，這樣可以達成兩個(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)重要的射頻設計因素。