Kuntoilurannekkeiden piirilevyjen suunnittelu ja piirilevyjen valmistusopas

Aktiivisuusrannekkeen piirilevyn on yhdistettävä anturit, Bluetooth-piirilevyn yhteys, näyttö- tai ilmaisinliitäntä, haptiikka ja akun hallintapiirilevy ohuessa, puettavassa kotelossa. Suunnitteluhaaste ei ole mikään yksittäinen alijärjestelmä, vaan niiden kaikkien rinnakkainen käyttö samalla, kun anturien laatu, langaton suorituskyky ja usean päivän akunkesto säilyvät. Saman piirilevyn on ehkä tuettava optista PPG:tä, IMU:ta, flash-muistia, latausta ja värinämoottoria ilman, että nämä kuormat häiritsevät herkkää mittausreittiä.

Puettavan tekniikan valmistus lisää myös mekaanisia ja ympäristöön liittyviä rajoituksia. Levy voi olla ohut, taipuisa piirilevy tai jäykkä-joustava piirilevy ; komponentit voivat sijaita hyvin lähellä koteloa; hiki ja kosteus voivat päästä epätäydellisiin tiivisteisiin; ja tuotetta ladataan ja käytetään toistuvasti. Onnistunut prototyyppi tarvitsee siksi tuotantosuunnitelman anturien kohdistamista, antennin pitämistä loitolla, hienojakoista SMT-tekniikkaa, pinnoitus- tai tiivistysrajapintoja ja toiminnallista testausta varten.

Highleap Electronics voi valmistaa asiakkaan suunnittelemia fitness-seurantalaitteiden piirilevyjä ja piirilevykokoonpanoja , hankkia komponentteja, koota hienojakoisia paketteja ja taipuisia kokoonpanoja määritysten mukaan sekä suorittaa asiakkaan määrittelemiä ohjelmointeja ja toiminnallisia testejä. Lopullinen biometrinen tarkkuus, algoritmit ja lääketieteelliset tai hyvinvointiin liittyvät väitteet jäävät tavanomaisen piirilevyvalmistuksen ulkopuolelle.

Viisi teknistä prioriteettia määrittelevät kuntoseurantalaitteen piirilevyn

Tämä arkkitehtuuri eroaa älysormuksesta pääasiassa siksi, että ranneseurantalaitteessa on yleensä enemmän tasopinta-alaa ja se voi sisältää näytön. Tämä ylimääräinen alue tekee perinteisistä jäykistä tai ohuista monikerrospiirilevyistä käytännöllisempiä, mutta näyttöliittimet, kosketusrajapinnat ja haptiset kuormat tuovat mukanaan omat reititys- ja virransyöttöhaasteensa. Oikea rakenne tulisi valita kotelon ja pakkaustiheyden perusteella sen sijaan, että oletettaisiin, että jokainen puettava laite tarvitsee jäykkää joustavuutta tai HDI:tä.

Valmistuspaketin tulisi myös määritellä, mitkä toiminnot ovat moduuleja ja mitkä sirutasolla. Esisertifioitu BLE-moduuli voi yksinkertaistaa RF-asettelua pinta-alan kustannuksella; BLE SoC piirilevyantennilla voi säästää tilaa, mutta vaatii tarkempaa referenssiasettelua ja sovitusohjausta. Sama kompromissi koskee integroituja optisia anturimoduuleja verrattuna erillisiin LEDeihin ja fotodiodeihin.

PPG-anturin piirilevyn asettelu ja optinen integrointi

Heijastavaa PPG:tä käytetään laajalti rannelaitteessa. LEDit valaisevat kudosta ja valoilmaisin vastaanottaa moduloidun heijastuneen signaalin. Integroidut puettavat optiset anturit voivat sisältää LED-ajureita, analogisen etuosan ja analogi-digitaalimuuntimen, mutta ne ovat silti riippuvaisia ​​fyysisestä optiikasta. Piirilevy asettaa komponentin sijainnin; kotelo määrittää ihokontaktin, optisen eristyksen ja valon reitin.

LED-fotodiodi-geometria

Välimatkan ja suunnan tulee noudattaa anturitoimittajan ohjeita ja alkuperäisen laitevalmistajan (OEM) optista suunnittelua. Anturin siirtäminen reitityksen helpottamiseksi voi muuttaa mittausreittiä. Levyn ääriviivojen ja mekaanisten datupisteiden tulisi siksi tehdä anturin sijainnista toistettavissa ranteeseen päin olevaan ikkunaan nähden.

Optinen eristys

Suora valon vuotaminen LEDistä fotodiodiin voi heikentää hyödyllistä signaalia. Mekaaniset esteet, tummat tiivisteet ja valetut osat tekevät usein enemmän kuin piirilevyn kupari. Kokoonpanopiirustukseen tulisi silti merkitä optiset esteet, jotta juotosmaski, liima, pinnoite tai lähellä olevat heijastavat komponentit eivät tunkeudu määriteltyyn onteloon.

Virta ja maadoitus

LED-pulssit luovat virtatransientteja, jotka voivat kytkeytyä analogiseen etupäähän tai MCU-syöttöön. Paikallisten irtikytkentä- ja paluureittien tulisi noudattaa anturin referenssisuunnittelua. Keskimääräisellä virralla vakaalta vaikuttava akkukisko saattaa roikkua LED-pulssien tai radiolähetyksen aikana, joten prototyyppitestauksen tulisi tallentaa todellinen aktiivinen aaltomuoto.

Vältä hyvinvointisensorin muuttamista perusteettomaksi lääketieteelliseksi väitteeksi

Piirilevyjen valmistus voi varmistaa anturitiedonsiirron ja asiakkaan määrittelemän optisen vasteen. Se ei kuitenkaan määritä kliinistä tarkkuutta tai sääntelystatusta. Artikkelin ja tehtaan tarjouksen tulisi pitää nämä rajat selkeinä, erityisesti silloin, kun seurantalaite sisältää SpO2-ominaisuuksia optisia aallonpituuksia tai sykemittausominaisuuksia.

Virtalähteenä toimiva arkkitehtuuri monipäiväiseen akunkestoa varten

Akun kesto on aikapainotetun käyttöprofiilin tulos. Seurantalaite voi viettää suurimman osan ajastaan ​​virransäästötilassa, herätä säännöllisesti ottamaan mittaustuloksia antureista, pulssittamaan PPG-LEDejä, päivittämään näyttöä, kirjaamaan tietoja ja lähettämään tietoja BLE-verkon kautta. Siksi suunnittelun tulisi optimoida sekä lepovirta että aktiivisten purskeiden energia.

Säätimen valinta

LDO voi tarjota yksinkertaisen hiljaisen kiskon, kun akun ja kuorman jännite ovat lähellä toisiaan. Buck- tai buck-boost-muunnin voi ottaa lisää käyttökelpoista energiaa akun purkautuessa, mutta se aiheuttaa kytkentäkohinaa ja oman lepovirtansa. Puettavat PMIC-piirit voivat yhdistää latauksen ja useita kiskoja. Paras arkkitehtuuri riippuu akun jännitealueesta, anturin herkkyydestä ja käyttösuhteesta pikemminkin kuin yleisestä LDO:n tai DC-DC:n suosiosta.

Tuotantovirran testi

Lepovirran tarkistaminen valmistusvaiheessa on hyödyllinen testi, koska juotokset, väärät komponenttiarvot, vuoto tai laiteohjelmiston konfigurointi voivat nostaa sitä dramaattisesti. Kiinnittimen tulisi määrittää laiteohjelmiston tila ja asettumisaika. Pätövirran rajat voidaan mitata myös anturin tai BLE:n toiminnan aikana. Nämä testit ovat merkityksellisempiä kuin vain piirilevyn käynnistymisen tarkistaminen.

BLE-antennin asettelu, ranteen kuormitus ja radiotaajuusalueen pitäminen loitolla

Rannelaite toimii lähellä kehoa, näyttöä, akkua ja koteloa. Nämä materiaalit vaikuttavat antenniin. Jos seurantalaitteessa käytetään piirilevyantennia, sen ympärillä oleva eristys ja referenssimaadoitus ovat osa radiotaajuussuunnittelua. Taipuisa häntä, metallinen kehys tai akunsiirto voivat muuttaa viritystä, vaikka radiokytkentäkaavio pysyisi samana.

Noudata radion viiteasettelua

RF-piirilevyn asettelu: BLE SoC -sovitusverkon ja syöttögeometrian tulisi pysyä lähellä validoitua referenssiä. Antennin ympärille lisätyt kuparivalut, läpiviennit ja testialueet voivat muuttaa loiskapasitanssia ja impedanssia. DFM:n tulisi tunnistaa RF-alue suunnittelun ohjaamaksi, jotta valmistettavuuden muutokset tapahtuvat muualla, ellei suunnittelu hyväksy niitä.

Kehon kuormitus

Radiotaajuussuorituskyky tulisi validoida kootulla puettavalla laitteella tai sopivalla kiinnikkeellä, koska ranne muuttaa antennin ympäristöä. Paljaan piirilevyn kantamatesti on hyödyllinen virheenkorjauksessa, mutta se ei edusta lopullisia olosuhteita. Tuotantotestillä voidaan seuloa puuttuvia/väärin sijoitettuja radiotaajuuskomponentteja ja varmistaa tiedonsiirto, kun taas täydellinen antennin viritys kuuluu tekniseen validointiin.

Näytön ja antureiden rinnakkaiselo

Nopeat näyttöreunat ja kytkentäsäätimet voivat aiheuttaa kohinaa radion ympärille, kun taas radiopurskaukset voivat kytkeytyä herkkiin optisiin tai analogisiin piireihin. Fyysinen sijoittelu, referenssitasot ja ajoitus voivat vähentää vuorovaikutusta. Tarkka lieventäminen on tuotekohtaista; valmistuksen tehtävänä on säilyttää vapautettu sijoittelu ja vastaavat komponentit.

Ohut piirilevy, Flex, Rigid-Flex ja kun HDI auttaa

Aktiivisuusrannekkeet voivat käyttää ohutta, jäykkää monikerroslevyä, kun elektroniikka mahtuu keskikoteloon. Joustava rakenne voi yhdistää näytön, sivupainikkeet, latauskoskettimet tai rannetta vasten olevan anturilevyn. Jäykkä jousto voi vähentää liittimiä ja paksuutta mekaanisen arkkitehtuurin eduksi. Mitään näistä teknologioista ei pitäisi olettaa pelkästään siksi, että tuote on puettava.

HDI:stä tulee hyödyllinen, kun tiheä BGA-väli tai tiukka pinta-alarajoite tekee standardin mukaisen läpivientireitityksen epäkäytännölliseksi. Mikroviat ja läpivienti padissa voivat parantaa pakoreikien tiheyttä, mutta ne lisäävät valmistuksen monimutkaisuutta. Suunnittelutiimin tulisi vertailla hieman suurempaa koteloa tai erilaista komponenttien sijoittelua ennen kuin sitoutuu HDI:hin pelkästään muodin vuoksi.

Prototyypin ja volyymiversion tulisi käyttää samaa suunniteltua rakennetta niin pian kuin käytännössä mahdollista. Paksu ja jäykkä arviointilevy voi testata laiteohjelmiston, mutta paljastaa vain vähän tuotantokäyttöön tarkoitetun puettavan laitteen antennista, optisesta linjauksesta tai joustojännityksestä. Tuotantokäyttöön tarkoitettu DVT/pilot-laitteisto on välttämätön ennen työkalujen ja luotettavuustestien viimeistelyä.

Aktiivisuusrannekkeen piirilevy: BGA/QFN/LGA-anturit, näyttö ja haptiikka

Puettaviin kokoonpanoihin käytetään usein QFN- tai BGA-MCU/SoC-koteloita, pieniä LGA-inertia-antureita, optisia moduuleja, FPC-näyttöliittimiä ja miniatyyripassiivisia komponentteja. Niiden kokoonpanoon liittyvät riskit vaihtelevat. Pohjaan kytketyt kotelot tarvitsevat hyvän liitosten äänenvoimakkuuden säädön, kun taas joustavat liittimet tarvitsevat kohdistusta ja mekaanista tukea. Optiset anturit tarvitsevat puhtaat ikkunat ja tarkan suuntauksen.

Reflow- ja kosteusherkät laitteet

Komponenttien käsittelyssä tulee noudattaa valmistajan kosteus- ja sulatusvaatimuksia. Ohuet levyt voivat vääntyä kuumennuksen aikana, erityisesti jos kuparin jakautuminen on epätasaista. Paneelin kiskot ja tukikiinnikkeet voivat parantaa tasaisuutta tulostusta ja sijoittelua varten. Jos kokoonpanopaneelissa on taipuisa osa, se saattaa tarvita tilapäistä jäykistämistä tai kannatintyökaluja.

Värähtelymoottori

Haptinen moottori on sähköisesti yksinkertainen, mutta mekaanisesti vaikuttava. Se ottaa virtapulssin ja voi aiheuttaa magneettisia tai värähtelyhäiriöitä antureille. Levyn ja kotelon tulisi ohjata moottorin virta pois herkistä referensseistä ja tarjota vedonpoisto johdoille tai liittimille. Toiminnallisen testin tulisi rasittaa moottoria, koska väärä kytkentä voi läpäistä kaikki digitaaliset anturitestit.

Näyttöliitin

FPC-suuntaus on yleinen tuotantoriski. Kokoonpanopiirustuksissa tulisi näkyä kaapelin sisäänvientipuoli, pinnien yksi ja salvan asento. Nopeasti toimivien näyttösignaalien tulisi säilyttää referenssireittinsä liittimen ulostulon kautta, eikä DFM:n tulisi lisätä suuria testipäitä ajoitusherkille kaivoille.

tarkastus

AOI voi tarkistaa näkyvät juotokset ja napaisuuden. Röntgenkuvausta voidaan käyttää BGA/QFN/LGA-piiloliitoksiin, kun se on perusteltua. Optisten anturien ikkunat saattavat vaatia erillisen kontaminaatiotarkastuksen. Nämä tarkastusvaiheet tulisi suorittaa todellisen pakkausriskin perusteella, eikä niitä tulisi luetella erottelematta jokaiselle puettavalle piirilevylle.

Käyttövarmuus: Hiki, kosteus, iskut ja päivittäinen lataus

Aktiivisuusrannekkeet altistuvat aggressiivisemmalle ympäristölle kuin pöytätietokoneen anturilevy. Hiki ja kondensaatio voivat päästä elektroniikkaan, jos tiivisteet heikkenevät. Laite pudotetaan, sitä taivutetaan ranteessa, se altistetaan lämpötilavaihteluille ja sitä ladataan toistuvasti. Piirilevyn suunnittelu ja kokoonpano voivat parantaa kestävyyttä, mutta kotelo on edelleen ensisijainen ympäristöeste.

Muodollinen pinnoite

Pinnoite voi suojata valittuja piirejä kosteudelta tai likaantumiselta, mutta se on tarpeen mukaan peitettävä erillään liittimistä, latauskoskettimista, antenneista, optisista antureista ja testipisteistä. Pinnoitteen paksuus ja kemia voivat vaikuttaa jälkikäsittelyyn ja radiotaajuus/optiseen käyttäytymiseen. Se tulisi määrittää tuotesuunnittelussa, eikä sitä tulisi lisätä automaattisesti tuotteen puettavuuden vuoksi.

Liittimen ja juotosliitoksen tuki

Latauskoskettimet, joidenkin mallien USB-liittimet ja moottorijohdot tulee tukea mekaanisesti, jotta päivittäinen käyttövoima ei kohdistu pelkästään hienoihin juotosliitoksiin. Joustavien liitosten kohdalla tulisi välttää teräviä taivutuksia jäykisteiden reunoilla. Näiden rakenteiden validointi edellyttää pudotus- ja vääntökokeita tuotteessa.

Korroosio ja jäämät

Ionijäämät voivat kiihdyttää korroosiota kosteuden läsnä ollessa. Puhdistusvaatimusten tulisi siksi vastata tuotteen ympäristöriskiä ja antureiden ja liittimien yhteensopivuutta. Fluksimerkintä "ei puhdistettava" ei automaattisesti tarkoita, että kokoonpano soveltuu kaikkiin kosteisiin puettaviin sovelluksiin; laitevalmistajan on määriteltävä hyväksyttävä prosessi.

Kuntoiluseurantalaitteiden piirilevyjen kustannusajurit ja prototyypistä tuotantoon -suunnittelu

Paljas piirilevy on vain yksi osa puettavien laitteiden kustannuksista. Optiset anturit, BLE SoC, näyttö, akku, joustava rakenne ja testaustyö voivat olla hallitsevia tekijöitä. Kustannusten alentamisessa tulisi siksi keskittyä kokonaiskokoonpanoon ja saantoon sen sijaan, että pakotettaisiin mahdollisimman pieneen kerrosmäärään.

Prototyyppien rakentamisessa tulisi validoida optinen kohdistus, BLE-suorituskyky ranteessa, akunkesto, latauslämpö, ​​univirta ja kotelon sopivuus. Pilottirakenteiden tulisi lukita panelointi, taivutusmuovaus, pinnoitus/maskaus, ohjelmointi ja testauskiinnikkeet. Määräkokoisten rakennusten tulisi keskittyä sitten osaluettelon jatkuvuuteen, vaihtoehtoisten hyväksyntöjen hyväksyntään, jäljitettävyyteen ja prosessin saantoon.

Hyväksytyt vaihtoehdot ansaitsevat teknisen tarkastelun, koska näennäisesti samanarvoiset puettavat komponentit voivat muuttaa pakkauksen korkeutta, virrankulutusta, radiotaajuuskäyttäytymistä tai optista vastetta. Pilottierän aikana käyttöön otettu hallittu vaihtoehto on paljon turvallisempi kuin automaattinen korvaus volyymipulan aikana.

Testausaika on usein unohdettu kustannustekijä. Laite, joka ohjelmoi laiteohjelmiston, mittaa lepovirtaa, kyselee antureita, tarkistaa latauksen ja varmistaa BLE:n yhdessä automatisoidussa sekvenssissä, voi perustella kehityskustannuksensa nopeasti verrattuna jokaisen yksikön manuaaliseen testaamiseen.

Kuinka valita kuntoseurantalaitteen piirilevykokoonpanon valmistaja

Valmistuskumppanin tulisi olla tottunut pienoiskokoisten anturien kokoonpanoon, taipuisaan käsittelyyn ja vähän virtaa kuluttavaan/radiotaajuusmuutosten hallintaan, mutta hänen ei tule ottaa vastuuta biometristen algoritmien tai valmiin tuotteen kuntotietojen tarkkuudesta. Paras toimittajasuhde pitää rajat selkeinä: suunnittelu määrittelee mittaus- ja radiotaajuusjärjestelmän; valmistus säilyttää julkaistun suunnittelun ja varmistaa kokoonpanon määriteltyjä testejä vasten.

• Ohut monikerros-, taipuisa- tai jäykkä-taipuisa valmistus, joka vastaa vapautettua rakennetta.
• HDI/microvia-ominaisuus, kun hienojyrsintä sitä todella vaatii.
• BGA/QFN/LGA- ja FPC-liittimien kokoonpano riskinmukaisella tarkastuksella.
• Optisten antureiden, BLE SoC:n, PMIC:n ja RF-sovituskomponenttien hallittu hankinta.
• Ohjelmointi, univirran mittaus ja asiakkaan määrittämä anturin/BLE:n toiminnallinen testaus.
• Prosessien siirto prototyypeistä toistuvaan tuotantoon osaluetteloiden ja revisioiden hallinnan avulla.

Tarjouspyyntöpaketti

Highleap Electronics voi tarkistaa kyseisen paketin piirilevyjen valmistusta, komponenttien hankintaa ja piirilevytarjouksia varten. Tavoitteena on säilyttää validoitu anturigeometria, pienitehoinen arkkitehtuuri, RF-asettelu ja kokoonpanoprosessi määrien kasvaessa – lisäämättä kuitenkaan valmistuksen monimutkaisuutta, jota tuotteen ei tarvitse tehdä.

Usein Kysytyt Kysymykset

Valmistusvaatimukset tulee vahvistaa julkaistuja suunnittelutiedostoja, komponenttivalmistajien spesifikaatioita ja lopputuotteeseen sovellettavia validointi- tai sääntelyvaatimuksia vasten.