Przewodnik po projektowaniu PCB i produkcji PCBA trackerów fitness

Płytka PCB trackera fitness musi łączyć czujniki, moduł Bluetooth , interfejs wyświetlacza lub wskaźnika, elementy haptyczne i moduł zarządzania baterią w cienkiej, przenośnej obudowie. Wyzwaniem inżynierskim nie jest pojedynczy podsystem, lecz zapewnienie ich współistnienia przy jednoczesnym zachowaniu jakości czujników, wydajności bezprzewodowej i wielodniowego czasu pracy baterii. Ta sama płytka PCB może wymagać obsługi optycznego PPG, IMU, pamięci flash, ładowania i silnika wibracyjnego, nie pozwalając, aby obciążenia te zakłóciły czułą ścieżkę pomiarową.

Produkcja urządzeń noszonych wiąże się również z ograniczeniami mechanicznymi i środowiskowymi. Płytka drukowana może być cienka, elastyczna lub sztywno-elastyczna ; komponenty mogą znajdować się bardzo blisko obudowy; pot i wilgoć mogą przenikać przez niedoskonałe uszczelnienia; a produkt jest wielokrotnie ładowany i zużywany. Udany prototyp wymaga zatem planu produkcyjnego obejmującego ustawienie czujników, zabezpieczenie anteny przed przebiciem, montaż SMT o małym skoku, powłoki lub uszczelnienia oraz testy funkcjonalne.

Firma Highleap Electronics może produkować płytki PCB i zespoły PCB do trackerów fitness projektowane przez klienta , pozyskiwać komponenty, montować obudowy o małym rozstawie i giętkie zespoły zgodnie ze specyfikacją klienta, a także przeprowadzać programowanie i testy funkcjonalne zgodnie z wymaganiami klienta. Ostateczna dokładność biometryczna, algorytmy oraz wymagania medyczne lub dotyczące dobrego samopoczucia pozostają poza standardową produkcją płytek PCB.

Pięć priorytetów inżynieryjnych definiuje płytkę PCB monitora aktywności fizycznej

Ta architektura różni się od inteligentnego pierścienia głównie tym, że tracker na nadgarstek zazwyczaj ma większą powierzchnię płaską i może zawierać wyświetlacz. Ta dodatkowa powierzchnia sprawia, że ​​konwencjonalne sztywne lub cienkie wielowarstwowe płytki PCB są bardziej praktyczne, ale złącza wyświetlacza, interfejsy dotykowe i obciążenia haptyczne stwarzają własne problemy z trasowaniem i zasilaniem. Prawidłową konstrukcję należy dobrać na podstawie obudowy i gęstości upakowania, a nie zakładać, że każdy model urządzenia noszonego wymaga sztywności i elastyczności lub HDI.

Pakiet produkcyjny powinien również określać, które funkcje są modułowe, a które na poziomie układu scalonego. Wstępnie certyfikowany moduł BLE może uprościć układ RF kosztem zajmowanej powierzchni; układ SoC BLE z anteną PCB może zaoszczędzić miejsce, ale wymaga ściślejszego układu referencyjnego i kontroli dopasowania. Ten sam kompromis dotyczy zintegrowanych modułów czujników optycznych w porównaniu z dyskretnymi diodami LED i fotodiodami.

Układ PCB czujnika PPG i integracja optyczna

Odblaskowe PPG jest szeroko stosowane w urządzeniach noszonych na nadgarstku. Diody LED oświetlają tkankę, a fotodetektor odbiera modulowany sygnał odbity. Zintegrowane czujniki optyczne urządzeń noszonych na nadgarstku mogą obejmować sterowniki LED, analogowy interfejs i przetwornik ADC, ale nadal zależą od fizycznej optyki. Płytka PCB ustala położenie komponentów; obudowa określa kontakt ze skórą, izolację optyczną i ścieżkę światła.

Geometria diody LED-fotodioda

Odstępy i orientacja powinny być zgodne z zaleceniami producenta czujnika oraz konstrukcją optyczną producenta OEM. Przesunięcie czujnika w celu ułatwienia prowadzenia może zmienić ścieżkę pomiaru. Obrys płytki i dane mechaniczne powinny zatem umożliwiać powtarzalność położenia czujnika względem okna skierowanego w stronę nadgarstka.

Izolacja optyczna

Bezpośrednie przenikanie światła z diody LED do fotodiody może osłabić użyteczny sygnał. Bariery mechaniczne, ciemne uszczelki i elementy formowane często działają lepiej niż miedź PCB. Rysunek montażowy powinien nadal oznaczać optyczne wycięcia, aby maska ​​lutownicza, klej, powłoka lub pobliskie elementy odblaskowe nie wnikały do ​​zdefiniowanej wnęki.

Moc i uziemienie

Impulsy LED generują stany przejściowe prądu, które mogą być sprzężone z analogowym front-endem lub zasilaniem MCU. Lokalne odsprzęganie i ścieżki powrotne powinny być zgodne z projektem referencyjnym czujnika. Szyna akumulatora, która wydaje się stabilna przy średnim natężeniu prądu, może opadać podczas impulsów LED lub transmisji radiowej, dlatego testy prototypu powinny odzwierciedlać rzeczywisty przebieg aktywny.

Unikaj przekształcania czujnika dobrego samopoczucia w niepotwierdzone oświadczenie medyczne

Produkcja PCBA może zweryfikować komunikację z czujnikiem i zdefiniowaną przez klienta reakcję optyczną. Nie stanowi to jednak potwierdzenia dokładności klinicznej ani statusu prawnego. Artykuł i wycena fabryczna powinny jasno określać te granice, zwłaszcza gdy tracker obejmuje długości fal optycznych związanych z SpO2 lub funkcje pomiaru tętna.

Architektura zasilania zapewniająca wielodniową żywotność baterii

Żywotność baterii jest wynikiem profilu operacyjnego ważonego czasowo. Urządzenie śledzące może spędzać większość czasu w trybie uśpienia z niskim poborem mocy, okresowo się wybudzać w celu pobrania próbek z czujników, pulsowania diod LED PPG, odświeżania wyświetlacza, rejestrowania danych i transmisji przez BLE. Dlatego projekt powinien optymalizować zarówno prąd spoczynkowy, jak i energię aktywnych impulsów.

Wybór regulatora

Układ LDO może zapewnić prostą, cichą szynę, gdy napięcie akumulatora i obciążenia są zbliżone. Przetwornica buck lub buck-boost może uzyskać więcej użytecznej energii podczas rozładowywania akumulatora, ale wprowadza szum przełączania i własny prąd spoczynkowy. Noszone układy PMIC mogą łączyć ładowanie i wiele szyn. Najlepsza architektura zależy od zakresu napięcia akumulatora, czułości czujnika i współczynnika wypełnienia, a nie od uniwersalnej preferencji dotyczącej LDO lub DC-DC.

Test prądu produkcyjnego

Prąd uśpienia jest przydatnym parametrem w procesie produkcyjnym, ponieważ mostki lutownicze, nieprawidłowe wartości komponentów, upływ prądu lub konfiguracja oprogramowania sprzętowego mogą go znacznie zwiększyć. Urządzenie powinno definiować stan oprogramowania sprzętowego i czas stabilizacji. Limity prądu aktywnego można również mierzyć podczas działania czujnika lub BLE. Testy te są bardziej wiarygodne niż samo sprawdzenie, czy płytka się włącza.

Układ anteny BLE, obciążenie nadgarstka i zabezpieczenie przed zakłóceniami RF

Urządzenie noszone na nadgarstku działa blisko ciała, wyświetlacza, baterii i obudowy. Materiały te wpływają na antenę. Jeśli tracker korzysta z anteny PCB, uziemienie i masa odniesienia wokół niej są częścią projektu RF. Elastyczny ogon, metalowa ramka lub przesunięcie baterii mogą zmienić strojenie, nawet jeśli schemat radia pozostaje ten sam.

Postępuj zgodnie z układem odniesienia radiowego

Układ PCB RF : sieć dopasowująca SoC BLE i geometria zasilania powinny pozostać zbliżone do zatwierdzonego odniesienia. Miedziane wylewki, przelotki i pady testowe dodane wokół anteny mogą zmieniać pojemność pasożytniczą i impedancję. DFM powinien określić strefę RF jako kontrolowaną przez projekt, aby zmiany w zakresie możliwości produkcyjnych mogły być wprowadzane w innym miejscu, chyba że inżynierowie je zatwierdzą.

Obciążenie ciała

Wydajność RF powinna być walidowana na zmontowanym urządzeniu noszonym lub odpowiednim uchwycie, ponieważ nadgarstek zmienia środowisko anteny. Test zasięgu na płytce PCB jest przydatny do debugowania, ale nie reprezentuje warunków końcowych. Test produkcyjny może wykryć brakujące/nieprawidłowo umieszczone elementy RF i potwierdzić komunikację, natomiast pełne dostrojenie anteny należy do walidacji inżynieryjnej.

Współistnienie z wyświetlaczem i czujnikami

Szybkie krawędzie wyświetlacza i regulatory przełączające mogą generować szumy w radiu, a impulsy radiowe mogą oddziaływać na wrażliwe obwody optyczne lub analogowe. Rozmieszczenie fizyczne, płaszczyzny odniesienia i harmonogramowanie mogą ograniczyć interakcję. Dokładne ograniczenie zależy od produktu; zadaniem produkcyjnym jest zachowanie zwolnionego rozmieszczenia i dopasowania komponentów.

Cienka płytka PCB, giętka, sztywno-gięta i kiedy HDI pomaga

Monitory aktywności fizycznej mogą wykorzystywać cienką, sztywną płytkę wielowarstwową, gdy elektronika mieści się w centralnej obudowie. Technologia Flex może łączyć wyświetlacz, przyciski boczne, złącza ładowania lub płytkę czujnika skierowaną w stronę nadgarstka. Technologia Rigid-Flex pozwala zmniejszyć liczbę złączy i grubość, co korzystnie wpływa na architekturę mechaniczną. Żadnej z tych technologii nie należy zakładać wyłącznie na podstawie tego, że produkt jest noszony.

Technologia HDI staje się użyteczna, gdy układ BGA o małym rozstawie lub duże ograniczenia powierzchniowe sprawiają, że standardowe prowadzenie przelotek jest niepraktyczne. Mikroprzelotki i przelotki w padach mogą poprawić gęstość wyprowadzeń, ale zwiększają złożoność produkcji. Zespół projektowy powinien porównać nieco większą obudowę lub inne rozmieszczenie komponentów, zanim zdecyduje się na zastosowanie technologii HDI wyłącznie w celach modowych.

Prototyp i wersja seryjna powinny wykorzystywać tę samą konstrukcję, co w praktyce. Gruba, sztywna płytka ewaluacyjna może sprawdzić działanie oprogramowania sprzętowego, ale ujawnia niewiele na temat anteny, ustawienia optycznego ani naprężenia zginającego urządzenia noszonego w produkcji. Sprzęt do testów DVT/pilotażowych przeznaczony do produkcji jest niezbędny przed sfinalizowaniem oprzyrządowania i testów niezawodności.

Monitor aktywności fizycznej PCBA: czujniki BGA/QFN/LGA, wyświetlacz i haptyka

W urządzeniach noszonych często stosuje się obudowy QFN lub BGA MCU/SoC, małe czujniki inercyjne LGA, moduły optyczne, złącza wyświetlaczy FPC oraz miniaturowe elementy pasywne. Ryzyko związane z ich montażem jest różne. Obudowy z końcówkami od dołu wymagają dobrej kontroli objętości pasty, natomiast złącza elastyczne wymagają wyrównania i podparcia mechanicznego. Czujniki optyczne wymagają czystych okienek i precyzyjnej orientacji.

Urządzenia rozpływowe i wrażliwe na wilgoć

Obchodzenie się z komponentami powinno być zgodne z wymaganiami producenta dotyczącymi wilgotności i lutowania rozpływowego. Cienkie płytki mogą się odkształcać podczas nagrzewania, zwłaszcza gdy rozkład miedzi jest nierównomierny. Szyny panelowe i elementy mocujące mogą poprawić płaskość podczas drukowania i montażu. Jeśli w zestawie znajduje się sekcja elastyczna, panel montażowy może wymagać tymczasowego usztywnienia lub użycia narzędzi nośnych.

Silnik wibracyjny

Silnik haptyczny jest prosty pod względem elektrycznym, ale ma duże znaczenie mechaniczne. Pobiera impuls prądowy i może generować zakłócenia magnetyczne lub wibracyjne dla czujników. Płytka i obudowa powinny odprowadzać prąd silnika z dala od wrażliwych punktów odniesienia i zapewniać odciążenie przewodów lub złączy. Test funkcjonalny powinien sprawdzić działanie silnika, ponieważ nieprawidłowe podłączenie może zaliczyć wszystkie testy czujników cyfrowych.

Złącze wyświetlacza

Orientacja FPC jest częstym ryzykiem produkcyjnym. Rysunki montażowe powinny przedstawiać stronę wprowadzenia kabla, położenie pinu pierwszego i zatrzasku. Sygnały wyświetlacza o dużej szybkości powinny zachować swoją ścieżkę odniesienia przez wyjście złącza, a DFM nie powinien dodawać dużych odcinków testowych do ścieżek wrażliwych na synchronizację.

Kontrola

AOI może monitorować widoczne lutowanie i polaryzację. W uzasadnionych przypadkach można użyć promieni rentgenowskich do wykrywania ukrytych połączeń BGA/QFN/LGA. Okienka czujników optycznych mogą wymagać oddzielnej kontroli zanieczyszczenia. Te kroki kontroli powinny być dostosowane do rzeczywistego ryzyka związanego z obudową, a nie wymieniane bezkrytycznie dla każdej płytki drukowanej.

Niezawodność urządzeń noszonych: pot, wilgoć, wstrząsy i codzienne ładowanie

Monitory aktywności fizycznej są narażone na działanie bardziej agresywnego środowiska niż stacjonarne płytki czujników. Pot i kondensacja mogą przedostać się do elektroniki, jeśli uszczelnienia ulegną zniszczeniu. Urządzenie jest upuszczane, zginane w nadgarstku, poddawane cyklicznym zmianom temperatury i wielokrotnie ładowane. Projekt i montaż PCB mogą poprawić odporność, ale obudowa pozostaje główną barierą środowiskową.

Powłoka ochronna

Powłoka może chronić wybrane obwody przed wilgocią lub zanieczyszczeniami, ale musi być odpowiednio zamaskowana, aby nie przylegała do złączy, styków ładowania, anten, czujników optycznych i punktów testowych. Grubość i skład chemiczny powłoki mogą wpływać na przeróbki i działanie fal radiowych/optycznych. Powinny być one określone w projekcie produktu, a nie dodawane automatycznie, ponieważ produkt jest przeznaczony do noszenia.

Wsparcie złącza i połączenia lutowanego

Styki ładowania, złącza USB w niektórych modelach oraz przewody silnika powinny być podparte mechanicznie, aby codzienne obciążenia użytkownika nie były przenoszone wyłącznie przez cienkie luty. Przejścia giętkie powinny unikać ostrych zagięć na krawędziach usztywnień. Do walidacji tych struktur niezbędne są testy wytrzymałości na upadek i skręcanie na poziomie produktu.

Korozja i pozostałości

Pozostałości jonowe mogą przyspieszać korozję w obecności wilgoci. Wymagania dotyczące czyszczenia powinny zatem odpowiadać ryzyku środowiskowemu produktu oraz kompatybilności czujników i złączy. Oznaczenie topnika „no-clean” nie oznacza automatycznie, że zespół nadaje się do każdego zastosowania w wilgotnych urządzeniach noszonych; producent OEM powinien określić akceptowalny proces.

Koszty PCB monitora aktywności fizycznej i planowanie od prototypu do produkcji

Goła płytka PCB to tylko część kosztów urządzeń noszonych. Dominować mogą czujniki optyczne, układ SoC BLE, wyświetlacz, bateria, elastyczna konstrukcja i praca testowa. Redukcja kosztów powinna zatem uwzględniać cały montaż i wydajność, a nie wymuszać jak najmniejszą liczbę warstw.

Wersje prototypowe powinny uwzględniać poprawność ustawienia optycznego, wydajność BLE na nadgarstku, czas pracy baterii, temperaturę ładowania, prąd uśpienia i dopasowanie obudowy. Wersje pilotażowe powinny blokować panelizację, formowanie zginane, powlekanie/maskowanie, programowanie i testowanie osprzętu. Wersje seryjne powinny koncentrować się na ciągłości zestawienia materiałów (BOM), zatwierdzaniu alternatywnych rozwiązań, identyfikowalności i wydajności procesu.

Zatwierdzone zamienniki wymagają przeglądu technicznego, ponieważ pozornie równoważne komponenty urządzeń noszonych mogą zmieniać wysokość obudowy, pobór mocy, charakterystykę częstotliwości radiowych (RF) lub reakcję optyczną. Kontrolowany zamiennik wprowadzony podczas partii pilotażowej jest znacznie bezpieczniejszy niż automatyczna substytucja w przypadku niedoboru ilości.

Czas testowania jest często pomijanym czynnikiem kosztowym. Urządzenie, które programuje oprogramowanie sprzętowe, mierzy prąd w stanie uśpienia, odpytuje czujniki, sprawdza ładowanie i weryfikuje BLE w jednej zautomatyzowanej sekwencji, może szybko uzasadnić koszty rozwoju w porównaniu z ręcznym testowaniem każdego urządzenia.

Jak wybrać producenta płytek PCB do trackerów fitness

Partner produkcyjny powinien być przyzwyczajony do miniaturowego montażu czujników, elastycznej obsługi oraz kontroli zmian przy niskim poborze mocy/RF, ale nie powinien brać odpowiedzialności za algorytmy biometryczne ani dokładność stanu gotowego produktu. Najlepsza relacja z dostawcą zapewnia jasne granice: inżynieria definiuje system pomiarowy i RF; produkcja zachowuje wydany projekt i weryfikuje montaż pod kątem zdefiniowanych testów.

• Cienka, wielowarstwowa, elastyczna lub sztywno-elastyczna konstrukcja dopasowana do konstrukcji wydania.
• Możliwość stosowania HDI/microvia, gdy wymaga tego precyzyjne trasowanie.
• Montaż złączy BGA/QFN/LGA i FPC z kontrolą ryzyka.
• Kontrolowane zaopatrzenie w czujniki optyczne, układy SoC BLE, PMIC i komponenty dopasowujące RF.
• Programowanie, pomiar prądu podczas snu i test funkcjonalności czujnika/BLE zdefiniowanego przez klienta.
• Przeniesienie procesu z prototypów do produkcji powtarzalnej z uwzględnieniem zestawienia materiałów i kontroli wersji.

Pakiet RFQ

Firma Highleap Electronics może dokonać przeglądu tego pakietu pod kątem produkcji PCB, zaopatrzenia w komponenty i wyceny PCBA. Celem jest zachowanie sprawdzonej geometrii czujnika, architektury energooszczędnej, układu RF i procesu montażu w miarę wzrostu ilości – bez zwiększania złożoności produkcyjnej, której produkt nie potrzebuje.

Najczęściej zadawane pytania

Wymagania produkcyjne należy potwierdzić na podstawie opublikowanych plików projektowych, specyfikacji producentów komponentów oraz obowiązujących wymagań walidacyjnych lub regulacyjnych dotyczących produktu końcowego.