De laatste jaren zijn draagbare apparaten steeds populairder geworden, dankzij de enorme vooruitgang op elektronisch gebied en de beschikbaarheid van sterk geïntegreerde elektronische componenten met toenemende efficiëntie, prestaties en een kleinere voetafdruk. In het hart van elk draagbaar apparaat, of het nu een smartwatch, een fitnesstracker of een elektro-medisch toestel (EMD) is, bevindt zich een gedrukte schakeling waarvan het ontwerp een van de moeilijkste uitdagingen vormt voor elektrotechnici. Kleine afmetingen en een laag gewicht, een lage vermogensabsorptie, betrouwbaarheid en weinig warmteontwikkeling zijn enkele van de eisen waaraan moet worden voldaan om een succesvol draagbaar apparaat te creëren. Door hun uiterst compacte afmetingen en relatief recente introductie op de markt is er nog geen echte standaard die van toepassing is op het printplaatontwerp voor draagbare apparaten. Het is echter wel mogelijk dezelfde technieken en aanbevelingen toe te passen die gelden voor schakelingen met vergelijkbare kenmerken, en daarbij te profiteren van de ervaring die is opgedaan bij de ontwikkeling en productie van geavanceerde printplaten.
Mechanische beperkingen
Het meest in het oog springende verschil tussen een standaard elektronisch apparaat en een draagbaar apparaat is duidelijk de omvang. Draagbare apparaten moeten namelijk zeer klein en licht zijn, terwijl zij toch dezelfde functionaliteit moeten hebben als een groter apparaat. Het minimaliseren van de afmetingen en het gewicht, terwijl de meest geschikte geometrische vorm wordt gekozen, is geen gemakkelijke taak. De positie van de componenten op de printplaat moet immers worden geoptimaliseerd en de sporen moeten efficiënt worden gerouteerd. De autorouteringsfunctie is niet altijd geschikt voor dit doel, zodat manuele routering de voorkeur verdient. De printplaat moet zich kunnen aanpassen aan de vorm van de houder. Het komt namelijk zeer zelden voor dat een printplaat voor een draagbaar apparaat een stijve rechthoekige vorm heeft. Het is gemakkelijker dunne meerlaagse printplaten tegen te komen met gebogen randen, dicht opeengepakt om in de behuizing van het product te passen. De keuze van de componenten speelt een fundamentele rol, waarbij de voorkeur wordt gegeven aan behuizingen met een kleinere voetafdruk en laag-profielpakketten om de dikte van de oplossing te minimaliseren.
Nauw verbonden met de mechanische beperkingen is er nog een ander aspect waarmee de ontwerpers terdege rekening moeten houden: vocht kan de werking van elektronische schakelingen beschadigen of wijzigen, vooral als die een hoge impedantie hebben. Omdat het draagbare apparaat het grootste deel van de tijd in direct contact staat met het menselijk lichaam (dat de neiging heeft vocht af te geven), moet de printplaat bestand zijn tegen vocht. Afhankelijk van het geval kunnen ontwerpers kiezen tussen een overwegend mechanische oplossing, waarbij de behuizing of verpakking van het product hermetisch wordt afgesloten zodat er geen vocht kan binnendringen, of een elektronica-oplossing waarbij de printplaat wordt voorzien van een conforme coating, zodat er geen vocht in het apparaat kan binnendringen.
Bovendien is de onderdrukking van lekstromen bijzonder belangrijk in draagbare toestellen, waar de bedrijfsstroom tot in de nano-ampère-regio [kan oplopen tot enkele nA]. Ook moet worden opgemerkt dat niet goed geïsoleerde componenten elektriciteit kunnen verspreiden in verschillende delen van het apparaat, een situatie die moet worden vermeden gezien de nabijheid tot de huid van de gebruiker. Slechte isolatie kan leiden tot elektrocutie, lekkende batterijen of oververhitting, hetgeen de drager ernstig letsel kan toebrengen.
Keuze van de printplaatmaterialen
De afzonderlijke lagen van de printplaat, van elkaar geïsoleerd door pre-preg, kunnen bestaan uit laminaten van FR4, polyimide, of Rogers-materiaal. Aangezien draagbare apparaten een hoge graad van betrouwbaarheid vereisen en vaak signalen met hoge snelheid en hoge frequentie moeten verwerken, worden meer technologisch geavanceerde materialen gebruikt dan FR4, de meest gebruikelijke en economische oplossing. FR4 heeft een diëlektrische constante (Dk) van 4,5, terwijl geavanceerde materialen zoals Rogers 4003 en Rogers 4350 een Dk van respectievelijk 3,55 en 3,66 hebben. Bij de verwerking van hoogfrequente signalen is het noodzakelijk de vermogensverliezen te beperken en daarom verdient een materiaal als Rogers 4350 de voorkeur. Bovendien heeft FR4 een hogere dissipatiefactor (Df) dan Rogers-materialen, vooral bij hoge frequenties. Dit betekent dat bij gebruik van een FR4-laminaat bij hoogfrequente signalen niet te verwaarlozen insertieverliezen ontstaan, waardoor het vermogen en de transmissiecapaciteit van de elektrische signalen afnemen. Hoewel het drukken van de productiekosten een belangrijke factor is bij de ontwikkeling van een draagbaar product, moet worden opgemerkt dat een printplaat gemaakt met Rogers-laminaten superieure prestaties en een betere betrouwbaarheid biedt ten opzichte van traditioneel FR4, tegen een over het algemeen aanvaardbare kostprijs. Voor consumententoepassingen, waarbij de concurrentie heviger is, kan nog steeds een hybride printplaatoplossing worden gebruikt, die wordt verkregen door op epoxy gebaseerde FR4 te combineren met Rogers- en andere standaard FR4-materiaallagen. Rogers-materialen, zoals die van de 4000-serie, hebben bovendien een bijzonder stabiele thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Dit betekent dat wanneer de printplaat een reflow-cyclus ondergaat van koud, heet en zeer heet, de uitzetting en inkrimping van de gedrukte schakeling binnen zeer nauwe grenzen worden gehouden, vooral in vergelijking met die van standaard FR4-materiaal. Deze stabiliteit blijft ook behouden bij toenemende frequentie en temperatuur.
Wat de printplaatstructuur betreft, worden voor draagbare apparaten meestal vier tot acht lagen gebruikt, zodat er voldoende aardings- en voedingsvlak is voor de routeringslagen. Op die manier worden de overspraakeffecten tussen aangrenzende sporen tot een minimum beperkt en wordt de elektromagnetische compatibiliteit verbeterd door de effecten van elektromagnetische interferentie (EMI) te beperken. Bij het bepalen van de lay-out van de printplaat wordt het aardingsvlak dicht bij het stroomverdelingsniveau geplaatst. Hierdoor wordt de ruis vrijwel tot nul gereduceerd, een zeer belangrijk aspect, vooral in radiofrequentie(RF)-subsystemen.
Ontwerp van de printplaten
De realisatie van de elektronische schakeling van een draagbaar apparaat is niet beperkt tot de printplaat, maar omvat ook andere materialen zoals stof, plastic, stijve-flexibele platen en mesh. In tegenstelling tot traditionele stijve printplaten zijn flexibele en stijve-flexibele printplaten duurzamer en bieden ze meer weerstand tegen hitte, vochtigheid, weersinvloeden en trillingen. Geavanceerde oplossingen zoals flexibele en stijve-flexibele printplaten hebben niet alleen het voordeel dat ze flexibel zijn, maar ze nemen ook minder ruimte in beslag, zijn lichter en duurzamer. Figuur 1 toont een voorbeeld van een stijve-flexibele printplaat die geschikt is voor draagbare apparaten.
Figuur 1: voorbeeld van een stijve-flexibele printplaat
Het gebruik van een stijve-flexibele printplaat vereist echter enkele trucs en voorzorgsmaatregelen. In de eerste plaats moet goed worden gelet op de perfecte uitlijning die moet bestaan tussen de onderdelen waaruit de schakeling bestaat, rekening houdend met het feit dat de printplaat de beperkte beschikbare ruimte binnen de 3D-verpakking zal innemen. Een ander bijzonder verraderlijk aspect betreft het ontwerp van de stackup. Zowel de flexibele als de stijve delen van de schakeling moeten worden geïntegreerd, waarbij hun uiteindelijke positie in het apparaat moet worden voorspeld. Deze operatie wordt vergemakkelijkt door de beschikbaarheid van geschikte software-instrumenten, waarmee een 3D-model van de printplaat of van het gehele apparaat kan worden gemaakt. Sporen voor hoogfrequente signalen mogen niet dicht bij de aardingsvlakken worden geplaatst, maar moeten tussen de signalen van de voedingslaag [voedingsbus] worden aangebracht om de door het ruissignaal opgewekte jitter af te vlakken. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan de impedantieregeling, rekening houdend met het feit dat bij hoge frequenties een zeer kleine discrepantie in de impedantie problemen kan veroorzaken bij de transmissie en ontvangst van signalen, met de daaruit voortvloeiende vervorming.
Bij het ontwerp van een printplaat voor draagbare apparaten wordt veel gebruik gemaakt van microstriplijnen, hangende striplijnen en coplanaire golfgeleiders, omdat deze verbindingsmethoden in staat zijn de ruis te onderdrukken die typisch is voor RF-systemen. Als algemene regel is het ook raadzaam om bypassfilters, ontkoppelingscondensatoren en voldoende aardingsvlakken in te bouwen. De bypassfilter onderdrukt de door ruis veroorzaakte rimpel en vermindert overspraakverschijnselen; de ontkoppelingscondensator moet dicht bij de voedingslijnen worden geplaatst. Figuur 2 toont de printplaat van een commerciële smartwatch: de hoge dichtheid van de componenten, waaronder CPU, RF-zendontvanger, audiocodec, energiebeheer, basisbandprocessor en meerdere draadloze antennes.
Figuur 2: de printplaat van een commerciële smartwatch (Bron: Samsung)
