Průvodce návrhem desek plošných spojů a výrobou desek plošných spojů pro fitness trackery

Deska plošných spojů (PCB) fitness trackeru musí v tenkém nositelném pouzdře kombinovat senzory, připojení Bluetooth PCB , rozhraní displeje nebo indikátoru, haptické senzory a PCB pro správu baterie . Inženýrskou výzvou není žádný jeden subsystém; jde o to, aby všechny existovaly koexistenčně a zároveň byla zachována kvalita senzorů, bezdrátový výkon a několikadenní výdrž baterie. Stejná deska plošných spojů může vyžadovat podporu optického PPG, IMU, flash paměti, nabíjení a vibračního motoru, aniž by tyto zátěže narušily citlivou měřicí cestu.

Výroba nositelných materiálů také přidává mechanická a environmentální omezení. Deska může být tenká, s flexibilními plošnými spoji nebo s pevně flexibilními plošnými spoji ; součástky mohou být umístěny velmi blízko pouzdra; pot a vlhkost mohou dosáhnout nedokonalého těsnění; a produkt je opakovaně nabíjen a opotřebováván. Úspěšný prototyp proto potřebuje výrobní plán pro zarovnání senzorů, ochranu antény, jemnou montáž SMT, povrchovou úpravu nebo těsnění rozhraní a funkční test.

Společnost Highleap Electronics může vyrábět desky plošných spojů (PCB) a sestavy PCB pro fitness trackery navržené zákazníkem , dodávat komponenty, sestavovat pouzdra s jemnou roztečí a flexibilní sestavy dle specifikace a provádět zákaznické programování a funkční testování. Konečná biometrická přesnost, algoritmy a zdravotní nebo wellness tvrzení zůstávají mimo rámec běžné výroby PCB.

Pět technických priorit definuje desku plošných spojů fitness trackeru

Tato architektura se liší od chytrého prstenu hlavně proto, že náramkový tracker má obvykle větší rovinnou plochu a může obsahovat displej. Tato dodatečná plocha činí konvenční pevné nebo tenké vícevrstvé desky plošných spojů praktičtějšími, ale konektory displeje, dotyková rozhraní a haptické zátěže s sebou nesou vlastní problémy s trasováním a napájením. Správná konstrukce by měla být vybrána na základě hustoty krytu a balení, spíše než předpokládat, že každé nositelné zařízení potřebuje pevné a flexibilní provedení nebo HDI.

Výrobní balíček by měl také definovat, které funkce jsou moduly a které jsou na úrovni čipu. Předcertifikovaný BLE modul může zjednodušit rozvržení RF na úkor prostoru; BLE SoC s anténou na desce plošných spojů může ušetřit prostor, ale vyžaduje přesnější rozvržení referencí a řízení přizpůsobení. Stejný kompromis platí pro integrované optické senzorové moduly oproti diskrétním LED diodám a fotodiodám.

Rozvržení plošných spojů a optická integrace senzoru PPG

Reflexní PPG se široce používá v nositelných zařízeních na zápěstí. LED diody osvětlují tkáň a fotodetektor přijímá modulovaný odražený signál. Integrované nositelné optické senzory mohou zahrnovat LED ovladače, analogový vstupní obvod a ADC, ale stále závisí na fyzické optice. Deska plošných spojů určuje polohu součástek; kryt určuje kontakt s kůží, optickou izolaci a dráhu světla.

Geometrie LED diody a fotodiody

Rozteč a orientace by měly odpovídat referenčním pokynům dodavatele senzoru a optickému návrhu výrobce originálního vybavení (OEM). Posunutí senzoru pro snazší směrování může změnit dráhu měření. Obrys desky s deskou a mechanické vztažné body by proto měly umožnit opakovatelné umístění senzoru vzhledem k oknu směřujícímu na zápěstí.

Optická izolace

Přímý únik světla z LED diody do fotodiody může snížit užitečný signál. Mechanické bariéry, tmavá těsnění a lisované prvky často dělají více než měď na desce plošných spojů. Montážní výkres by měl stále vyznačit optické bariéry, aby do definované dutiny nezasahovala pájecí maska, lepidlo, povlak nebo blízké reflexní komponenty.

Napájení a uzemnění

Pulzy LED diod vytvářejí proudové přechodové jevy, které se mohou propojit s analogovým vstupem nebo napájením MCU. Lokální oddělovací a zpětné cesty by měly odpovídat referenčnímu návrhu senzoru. Kolejnice baterie, která se při průměrném proudu jeví stabilní, může během pulzů LED diod nebo rádiového přenosu poklesnout, proto by testování prototypu mělo zachytit skutečný aktivní průběh.

Vyhněte se tomu, abyste ze senzoru pohody udělali nepodložené lékařské tvrzení.

Výroba desek plošných spojů (PCBA) může ověřit komunikaci senzorů a zákazníkem definovanou optickou odezvu. Nestanovuje klinickou přesnost ani regulační status. Článek a cenová nabídka výrobce by měly tyto hranice jasně stanovit, zejména pokud sledovací zařízení obsahuje optické vlnové délky související se SpO2 nebo funkce srdeční frekvence.

Architektura napájení pro vícedenní výdrž baterie

Výdrž baterie je výsledkem časově váženého provozního profilu. Sledovač může trávit většinu času v režimu spánku s nízkou spotřebou energie, pravidelně se probouzet pro měření senzorů, pulzování LED diod PPG, obnovování displeje, zaznamenávání dat a přenos přes BLE. Návrh by proto měl optimalizovat jak klidový proud, tak energii aktivních pulzů.

Výběr regulátoru

LDO může poskytnout jednoduchou tichou sběrnici, když jsou napětí baterie a zátěže blízké. Snižující nebo zvyšující měnič může při vybíjení baterie extrahovat více využitelné energie, ale zavádí spínací šum a vlastní klidový proud. Nositelné PMIC mohou kombinovat nabíjení a více sběrnic. Nejlepší architektura závisí spíše na rozsahu napětí baterie, citlivosti senzoru a pracovním cyklu než na univerzální preferenci LDO nebo DC-DC.

Zkouška výrobního proudu

Proud v klidu je užitečnou kontrolou při výrobě, protože jej mohou dramaticky zvýšit pájecí můstky, nesprávné hodnoty součástek, úniky nebo konfigurace firmwaru. Zařízení by mělo definovat stav firmwaru a dobu ustálení. Limity aktivního proudu lze také měřit během provozu senzoru nebo BLE. Tyto testy jsou smysluplnější než pouhá kontrola, zda je deska zapnuta.

Rozložení antény BLE, zatížení zápěstí a ochrana před RF signálem

Náramkové zařízení se nachází v blízkosti těla, displeje, baterie a krytu. Tyto materiály ovlivňují anténu. Pokud tracker používá anténu na desce plošných spojů, je ochrana proti vyzařování a referenční uzemnění kolem ní součástí RF návrhu. Ohebný konec, kovový rámeček nebo posun baterie mohou změnit ladění, i když schéma rádia zůstane stejné.

Řiďte se rozložením rádiových referencí

Rozvržení RF PCB : přizpůsobovací síť SoC BLE a geometrie napájení by měly zůstat blízké validované referenci. Měděné odlitky, prostupy a testovací plošky přidané kolem antény mohou změnit parazitní kapacitu a impedanci. DFM by měl označit RF zónu jako konstrukčně řízenou, aby se změny vyrobitelnosti mohly provádět i jinde, pokud je inženýr neschválí.

Zatížení těla

VF výkon by měl být validován na sestaveném nositelném zařízení nebo vhodném příslušenství, protože zápěstí mění prostředí antény. Test dosahu na holé desce plošných spojů je užitečný pro ladění, ale nepředstavuje konečné podmínky. Výrobní test může odhalit chybějící/špatně umístěné VF komponenty a potvrdit komunikaci, zatímco úplné ladění antény patří k technickému ověření.

Koexistence s displejem a senzory

Rychlé hrany displeje a spínací regulátory mohou vytvářet šum v okolí rádia, zatímco rádiové záblesky se mohou prolínat s citlivými optickými nebo analogovými obvody. Fyzické umístění, referenční roviny a plánování mohou interakci omezit. Přesné zmírnění je specifické pro daný produkt; úkolem výrobce je zachovat uvolněné umístění a odpovídající komponenty.

Tenké desky plošných spojů, flexibilní, pevně flexibilní a když HDI pomáhá

Fitness trackery mohou používat tenkou, pevnou vícevrstvou desku, pokud se elektronika vejde do centrálního krytu. Flexibilní deska může propojit displej, boční tlačítka, nabíjecí kontakty nebo desku senzoru na zápěstí. Pevná a flexibilní deska může snížit počet konektorů a tloušťku tam, kde z toho těží mechanická architektura. Žádná z těchto technologií by neměla být předpokládána pouze proto, že je produkt nositelný.

HDI se stává užitečným, když jemné rozteče BGA nebo silná plošná omezení znemožňují standardní směrování průchozích otvorů. Mikroprochodky a průchodky v kontaktní plošce mohou zlepšit hustotu úniků, ale zvyšují složitost výroby. Konstrukční tým by měl porovnat mírně větší pouzdro nebo jiné umístění součástek, než se rozhodne pro HDI čistě z designových důvodů.

Prototyp i sériový výrobek by měly používat stejnou zamýšlenou konstrukci, jakmile je to prakticky možné. Silná pevná vyhodnocovací deska může prokázat firmware, ale odhalí jen málo o anténě, optickém uspořádání nebo ohybovém namáhání sériově vyráběného nositelného zařízení. Před dokončením nástrojů a testování spolehlivosti je nezbytný hardware pro DVT/pilotní testování zamýšlené výroby.

Deska plošných spojů pro fitness tracker: senzory BGA/QFN/LGA, displej a haptika

Nositelné sestavy často používají pouzdra QFN nebo BGA MCU/SoC, malé LGA inerciální senzory, optické moduly, FPC konektory displejů a miniaturní pasivní součástky. Rizika při jejich montáži se liší. Pouzdra s koncovkami na spodním konci vyžadují dobrou kontrolu objemu pasty, zatímco flexibilní konektory vyžadují zarovnání a mechanickou oporu. Optické senzory potřebují čistá okna a přesnou orientaci.

Zařízení pro reflow a citlivá na vlhkost

Manipulace se součástkami by měla splňovat požadavky výrobce na vlhkost a reflow. Tenké desky se mohou během zahřívání deformovat, zejména pokud je rozložení mědi nerovnoměrné. Kolejnice panelu a podpůrné úchyty mohou zlepšit rovinnost pro tisk a umístění. Pokud je součástí dodávky ohebná sekce, může být nutné dočasné zpevnění montážního panelu nebo nosné nástroje.

Vibrační motory

Haptický motor je elektricky jednoduchý, ale mechanicky ovlivňuje. Odebírá proudový impuls a může vytvářet magnetické nebo vibrační rušení se senzory. Deska a kryt by měly odvádět proud motoru od citlivých referencí a poskytovat odlehčení od tahu pro vodiče nebo konektory. Funkční test by měl motor procvičit, protože nesprávné připojení může projít všemi testy digitálních senzorů.

Konektor displeje

Orientace FPC je častým výrobním rizikem. Montážní výkresy by měly zobrazovat stranu zasouvání kabelu, pin jedna a polohu západky. Signály vysokorychlostního displeje by si měly zachovat svou referenční cestu skrz výstup konektoru a DFM by neměl přidávat velké testovací pahýly do časově citlivých drah.

Inspekce

AOI dokáže zobrazit viditelné pájení a polaritu. Pro skryté spoje BGA/QFN/LGA lze v odůvodněných případech použít rentgen. Okénka optických senzorů mohou vyžadovat samostatnou kontrolu kontaminace. Tyto kroky kontroly by měly být řízeny skutečným rizikem pouzdra, spíše než aby byly uváděny bez rozdílu pro každou nositelnou desku.

Spolehlivost nositelného zařízení: Pot, vlhkost, nárazy a každodenní nabíjení

Fitness trackery jsou vystaveny agresivnějšímu prostředí než stolní senzorové desky. Pot a kondenzace se mohou dostat k elektronice, pokud se opotřebují těsnění. Zařízení je upuštěno, ohýbáno zápěstím, vystaveno teplotním cyklům a opakovaně nabíjeno. Konstrukce a montáž desky plošných spojů mohou zvýšit odolnost, ale kryt zůstává primární bariérou prostředí.

Konformní povlak

Povlak může chránit vybrané obvody před vlhkostí nebo kontaminací, ale musí být dle potřeby maskován a zakryt před konektory, nabíjecími kontakty, anténami, optickými senzory a testovacími body. Tloušťka a chemické složení povlaku mohou ovlivnit jeho přepracování a chování při RF/optice. Mělo by to být specifikováno konstrukcí produktu, nikoli automaticky přidáno, protože je produkt nositelný.

Podpora konektorů a pájených spojů

Nabíjecí kontakty, USB konektory u některých provedení a vodiče motoru by měly být mechanicky podepřeny, aby každodenní uživatelská síla nebyla přenášena pouze jemnými pájenými spoji. Flexibilní přechody by se měly vyhýbat ostrým ohybům na hranách výztuh. ​​Pro ověření těchto struktur jsou nezbytné pádové a torzní zkoušky na úrovni výrobku.

Koroze a zbytky

Iontové zbytky mohou urychlit korozi, pokud je přítomna vlhkost. Požadavky na čištění by proto měly odpovídat riziku produktu pro životní prostředí a kompatibilitě senzorů a konektorů. Označení tavidla „bez čištění“ automaticky neznamená, že sestava je vhodná pro každou aplikaci s vlhkým opotřebením; přijatelný proces by měl definovat výrobce originálního vybavení (OEM).

Vliv nákladů na desky plošných spojů fitness trackerů a plánování od prototypu po výrobu

Holá deska plošných spojů (PCB) je pouze jednou částí ceny nositelných komponent. Dominovat mohou optické senzory, BLE SoC, displej, baterie, konstrukce flexibility a testovací práce. Snižování nákladů by proto mělo zohlednit celkovou montáž a výtěžnost, spíše než vynucování nejnižšího možného počtu vrstev.

Prototypové konstrukce by měly ověřit optické zarovnání, výkon BLE na zápěstí, výdrž baterie, teplotu nabíjení, proud v režimu spánku a usazení krytu. Pilotní konstrukce by měly zajistit panelizaci, flexibilní tvarování, povlakování/maskování, programování a testování přípravků. Hromadné konstrukce se poté zaměří na kontinuitu kusovníku, schvalování alternativ, sledovatelnost a výtěžnost procesu.

Schválené alternativy si zaslouží technickou kontrolu, protože zdánlivě ekvivalentní komponenty nositelné elektroniky mohou změnit výšku pouzdra, spotřebu energie, chování rádiových vln nebo optickou odezvu. Řízená alternativa zavedená během pilotní šarže je mnohem bezpečnější než automatická náhrada během nedostatku objemu.

Doba testování je často přehlíženým faktorem z hlediska nákladů. Zařízení, které v jedné automatizované sekvenci programuje firmware, měří proud v režimu spánku, dotazuje se senzorů, kontroluje nabíjení a ověřuje BLE, může rychleji ospravedlnit náklady na vývoj ve srovnání s manuálním testováním každé jednotky.

Jak vybrat výrobce desek plošných spojů pro fitness trackery

Výrobní partner by měl být obeznámen s miniaturní montáží senzorů, manipulací s ohebnými prvky a nízkopříkonovým/RF řízením změn, ale neměl by si nárokovat odpovědnost za biometrické algoritmy ani za přesnost stavu hotového výrobku. Nejlepší vztah s dodavatelem udržuje hranice jasné: inženýrství definuje měření a RF systém; výroba zachovává vydaný návrh a ověřuje montáž podle definovaných testů.

• Tenká vícevrstvá, flexibilní nebo tuho-flexibilní konstrukce odpovídající uvolněné konstrukci.
• Možnost použití HDI/mikrovia kabelů, když to jemné směrování skutečně vyžaduje.
• Sestava konektorů BGA/QFN/LGA a FPC s kontrolou odpovídající riziku.
• Řízené zdroje pro optické senzory, BLE SoC, PMIC a RF přizpůsobovací komponenty.
• Programování, měření proudu v režimu spánku a zákaznicky definovaný funkční test senzoru/BLE.
• Přenos procesů z prototypů do opakované výroby s kusovníkem a kontrolou revizí.

Balíček RFQ

Společnost Highleap Electronics může tento balíček posoudit z hlediska výroby desek plošných spojů, zajištění zdrojů součástek a cenové nabídky na desky plošných spojů (PCBA). Cílem je zachovat ověřenou geometrii senzoru, nízkopříkonovou architekturu, rozvržení rádiových obvodů a proces montáže i při rostoucím množství – bez zvyšování výrobní složitosti, kterou produkt nepotřebuje.

Často kladené dotazy

Výrobní požadavky by měly být potvrzeny na základě vydaných konstrukčních souborů, specifikací výrobců součástí a příslušných validačních nebo regulačních požadavků konečného produktu.