ウェアラブルPCB設計の基礎ガイド

サイズと寸法が小さいため、成長するウェアラブルモノのインターネット市場向けのプリント回路基板規格はほとんどありません。それらが出現するまで、ボードレベルの開発と製造の経験について学んだことに依存し、そこで出現する固有の課題にそれらがどのように適用されるかを慎重に検討する必要があります。特に注意を払う必要がある3つの領域は、基板表面材料、RF /マイクロ波設計、およびRF伝送線路です。

PCB材料
PCB層はラミネートで構成されており、FR4（繊維強化エポキシ）、ポリイミド、またはRogersの材料またはラミネートで作成できます。異なる層間の断熱はプリプレグと呼ばれます。

ウェアラブルには高度な信頼性が要求されます。これは、PCB設計者が、最も費用効果の高いPCB製造材料であるFR4を使用するか、より高度で高価な材料を使用するかの選択に直面したときに問題になります。

ウェアラブルPCBアプリケーションが高速、高周波材料を必要とする場合、FR4は最良の答えではないかもしれません。 FR4の誘電率（Dk）は4.5ですが、より高度なRogers 4003シリーズの材料のDkは3.55ですが、コンパニオンシリーズのRogers4350のDkは3.66です。

FR4材料とRogers4350の両方をコアの厚さとともに示した多層基板のスタック。

ラミネートのDkは、真空中の導体のペアと比較した、ラミネートの近くにある導体のペア間の静電容量またはエネルギーを指します。高周波では、損失が非常に小さいことが望ましいため、Rogers 4350のDkが4.5であるFR4と比較して、高周波回路ではDkが3.66の方が望ましいでしょう。

通常、ウェアラブルデバイスの場合、レイヤー数は4〜8レイヤーです。層の構造化は、8層のPCBの場合、ルーティング層を挟むのに十分なグラウンドと電源プレーンを提供するようなものです。したがって、クロストークの波及効果が最小限に抑えられ、電磁干渉またはEMIが大幅に減少します。

ボードのレイアウト段階では、配電層の隣のグランドプレーンが安定するようにレイアウトスケジュールが設定されます。これによりリップル効果が低くなり、システムノイズが実質的にゼロになります。これはRFサブシステムにとって特に重要です。

FR4は、特に高周波で、ロジャースの材料と比較して高い誘電正接（Df）を持っています。高性能FR4ラミネートのDf値は0.002の範囲であり、通常のFR4よりも1桁優れています。ただし、ロジャースのラミネートは0.001以下です。したがって、FR4材料が高周波にさらされると、挿入損失に意味のある違いが生じます。挿入損失は、FR4、Rogers、またはその他の材料などのラミネートを使用した結果として生じる、ポイントAからBへの伝送における信号電力の損失として定義されます。

製造の問題
ウェアラブルPCBは、より厳密なインピーダンス制御を必要とします。これは、ウェアラブルデバイスに不可欠な要素であり、よりクリーンな信号伝搬を実現します。以前は、信号伝送トレースの標準許容誤差は+/- 10％でした。これは、今日の高周波、高速回路には十分ではありません。現在の要件は+/- 7％であり、場合によっては+/- 5％以下です。この変数やその他の変数は、非常に厳密なインピーダンス制御を備えたウェアラブルPCBの製造に悪影響を及ぼし、それによってそれらを製造できる製造工場の数を制限します。

Rogersの非常に高い周波数の材料からのラミネートは、Dk許容値の+/- 2％に保持されます。 FR4ラミネートの10％Dk許容値と比較して、DK許容値の+/- 1％を保持できるものもあるため、2つの材料を比較すると挿入損失は非常に低くなります。これにより、従来のFR4材料と比較して、ロジャースの伝送損失と挿入損失が半分未満に制限されます。

ほとんどの場合、コストが最も重要です。ただし、Rogersは、許容可能なコストポイントで高周波性能を備えた比較的低損失のラミネートを提供しています。商用アプリケーションでは、エポキシベースのFR4と組み合わせてハイブリッドPCBに使用でき、一部の層はロジャースの材料で、他の層はFR4です。

Rogersのラミネートを選択するときは、頻度が最重要事項です。周波数が500メガヘルツ（MHz）を超えると、PCB設計者はFR4よりもロジャース材料を好む傾向があります。特にRF /マイクロ波回路では、トレースが厳密にインピーダンス制御されている場合にこれらの材料のパフォーマンスが向上するためです。

ロジャースの材料はまた、FR4と比較して低い誘電損失を提供し、広範囲の周波数に対して安定したDkを提供します。さらに、高周波動作に理想的な低挿入損失を提供します。

Rogers 4000シリーズの熱膨張係数（CTE）は、並外れた寸法安定性を備えています。これは、PCBが低温、高温、および非常に高温のリフローサイクルを経るとき、回路基板の膨張と収縮がFR4と比較してより高い周波数とより高い温度サイクルで安定した限界に保たれることを意味します。

ハイブリッドラミネートスタックアップの状況では、Rogersは、一般的な製造処理技術を使用して高性能FR4と簡単に混合できるため、良好な製造歩留まりを比較的簡単に得ることができます。 Rogersのラミネートは、特別な準備を必要としません。

FR4は通常、信頼性の高い電気的性能に関してはうまく機能しませんが、高性能FR4材料は、Tgが高く、コストが比較的低く、単純なものからさまざまなアプリケーションで使用できるなど、優れた信頼性特性を備えています。複雑なマイクロ波アプリケーションへのオーディオ設計。

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