Dasar-Dasar Desain PCB Wearable: Material, RF, dan Kontrol Impedansi

Seiring berkembangnya perangkat IoT wearable yang semakin kecil, standar industri untuk papan sirkuit cetak (PCB) masih langka. Sementara itu, desainer harus bergantung pada praktik pengembangan dan manufaktur PCB yang teruji sambil menyesuaikannya dengan kebutuhan yang berbeda dari wearable. Area fokus utama meliputi material substrat, performa RF/mikrogelombang, dan desain garis transmisi.

Material Substrat PCB
Tumpukan PCB terdiri dari lapisan laminat—umumnya FR-4, poliamida, atau material frekuensi tinggi Rogers. Material isolasi antara lapisan disebut pre-preg.

Wearable memerlukan keandalan yang luar biasa. Desainer sering menghadapi trade-off antara FR-4 yang murah, standar industri, dan material frekuensi tinggi premium yang menawarkan performa yang lebih baik.

Untuk sirkuit kecepatan tinggi atau frekuensi tinggi, konstanta dielektrik FR-4 (Dk = 4.5) dapat mengintroduksi kerugian yang tidak diinginkan. Sebaliknya, Rogers 4003 (Dk = 3.55) dan Rogers 4350 (Dk = 3.66) menyediakan nilai Dk yang lebih rendah, mengurangi distorsi sinyal.

Konstanta dielektrik mengukur seberapa banyak kapasitansi yang dapat disimpan material relatif terhadap vakum. Nilai Dk yang lebih rendah menghasilkan kerugian dielektrik yang lebih rendah, terutama pada frekuensi mikrogelombang. Akibatnya, Rogers 4350 (Dk = 3.66) lebih unggul daripada FR-4 (Dk = 4.5) dalam aplikasi frekuensi tinggi.

PCB wearable biasanya memiliki empat hingga delapan lapis. Tumpukan delapan lapis menawari lapisan ground dan daya khusus yang melingkupi lapisan sinyal, meminimalkan crosstalk dan mengurangi EMI.

Selama tata letak, ground plane ditempatkan berdekatan langsung dengan power plane. Pengaturan ini menekan riak dan menurunkan kebisingan sistem ke hampir nol—krusial untuk subsistem RF.

Kerugian frekuensi tinggi diatur oleh faktor disipasi (Df). Variasi FR-4 premium menunjukkan Df ≈ 0.002, sementara laminat Rogers mencapai ≤ 0.001. Kerugian penyisipan yang engg—definisi sebagai kerugian daya sinyal di seluruh jalur transmisi—yang engg membuat Rogers menjadi pilihan yang diutamakan untuk sirkuit mikrogelombang.

Tantangan Fabrikan
PCB wearable memerlukan kontrol impedansi yang ketat—biasanya ±5% hingga ±7%—untuk menjaga integritas sinyal. Toleransi awal ±10% tidak mencukupi untuk desain kecepatan tinggi dan frekuensi tinggi modern, menyempitkan kumpulan produsen yang mampu.

Laminat frekuensi tinggi Rogers mempertahankan toleransi Dk ±2% (dan terkadang ±1%), sedangkan FR-4 biasanya mengizinkan ±10%. Presisi ini mengurangi kerugian penyisipan menjadi kurang dari separuh dari FR-4.

Meskipun material Rogers memiliki harga prima, kerugian rendah dan kemampuan frekuensi tinggi dapat diseimbangkan dengan FR-4 standar dalam tumpukan hybrid—menawarkan solusi hemat biaya untuk wearable komersial.

Untuk frekuensi di atas 500 MHz, laminat Rogers adalah pilihan default untuk desain RF dan mikrogelombang, karena mereka mempertahankan impedansi yang stabil saat jejak dikontrol secara ketat.

Substrat Rogers menggabungkan kerugian dielektrik rendah, Dk yang stabil di seluruh frekuensi, dan kerugian penyisipan minimal—membuatnya ideal untuk operasi frekuensi tinggi.

Rogers 4000 Series menawarkan stabilitas CTE yang luar biasa, memastikan integritas dimensi melalui ekstrem temperatur yang dihadapi selama proses reflow—krusial untuk wearable frekuensi tinggi dan suhu tinggi.

Tumpukan hybrid yang menggabungkan Rogers dengan FR-4 performa tinggi dapat dengan mudah dipabrikasi menggunakan proses standar; laminat Rogers tidak memerlukan persiapan via khusus, yang mendukung rendemen tinggi.

Sementara FR-4 konvensional mungkin kurang dalam keandalan, variasi FR-4 performa tinggi menawarkan temperatur transisi kaca (Tg) yang lebih tinggi dan kemampuan serbaguna hemat biaya—dari sirkuit audio hingga modul mikrogelombang canggih.

Halaman selanjutnya >