Руководство по проектированию и изготовлению печатных плат для фитнес-трекеров

Плата фитнес-трекера должна объединять датчики, Bluetooth- соединение, интерфейс дисплея или индикатора, тактильную обратную связь и плату управления батареей в тонком носимом корпусе. Инженерная задача заключается не в какой-либо одной подсистеме, а в обеспечении их сосуществования при сохранении качества датчиков, производительности беспроводной связи и многодневного времени автономной работы. Одна и та же плата может поддерживать оптическую фотоплетизмографию (PPG), инерциальный измерительный блок (IMU), флэш-память, зарядку и вибромотор, не допуская при этом, чтобы эти нагрузки нарушали чувствительный измерительный процесс.

Производство носимых устройств также накладывает механические и экологические ограничения. Плата может быть тонкой, гибкой или жестко-гибкой ; компоненты могут располагаться очень близко к корпусу; пот и влага могут проникать через негерметичные уплотнения; и изделие многократно заряжается и носится. Поэтому для успешного прототипа необходим производственный план, включающий выравнивание датчиков, защиту антенн, поверхностный монтаж с малым шагом выводов, нанесение покрытий или герметизацию, а также функциональное тестирование.

Компания Highleap Electronics может производить печатные платы и сборки фитнес-трекеров по индивидуальным заказам заказчиков , поставлять компоненты, собирать корпуса с малым шагом выводов и гибкие сборки по требованию, а также выполнять программирование и функциональное тестирование в соответствии с требованиями заказчика. Окончательная точность биометрических данных, алгоритмы и заявления о пользе для здоровья остаются вне рамок обычного производства печатных плат.

Пять инженерных приоритетов определяют печатную плату фитнес-трекера.

Эта архитектура отличается от «умного кольца» главным образом тем, что трекер на запястье обычно имеет большую площадь поверхности и может включать дисплей. Эта дополнительная площадь делает традиционные жесткие или тонкие многослойные печатные платы более практичными, но разъемы для дисплея, сенсорные интерфейсы и тактильные нагрузки создают свои собственные проблемы с трассировкой и питанием. Правильную конструкцию следует выбирать, исходя из плотности корпуса и упаковки, а не предполагая, что каждому носимому устройству необходимы жестко-гибкие или HDI-платы.

В технологической документации также следует указать, какие функции являются модульными, а какие — на уровне микросхемы. Предварительно сертифицированный модуль BLE может упростить компоновку радиочастотного тракта за счет увеличения площади; BLE SoC с антенной на печатной плате может сэкономить площадь, но требует более точной компоновки и контроля согласования. Тот же компромисс применим к интегрированным оптическим сенсорным модулям по сравнению с дискретными светодиодами и фотодиодами.

Разработка печатной платы датчика PPG и оптическая интеграция.

Отражательная фотоплетизмография широко используется в носимых на запястье устройствах. Светодиоды освещают ткани, а фотодетектор принимает модулированный отраженный сигнал. Интегрированные носимые оптические датчики могут включать драйверы светодиодов, аналоговый интерфейс и АЦП, но они по-прежнему зависят от физической оптики. Печатная плата определяет положение компонентов; корпус определяет контакт с кожей, оптическую изоляцию и путь света.

Геометрия светодиод-фотодиод

Расстояние между датчиками и их ориентация должны соответствовать рекомендациям производителя и оптической схеме OEM-производителя. Перемещение датчика для упрощения трассировки может изменить траекторию измерения. Поэтому контуры платы и механические базовые элементы должны обеспечивать повторяемость положения датчика относительно окна, обращенного к запястью.

Оптическая изоляция

Прямая утечка света от светодиода к фотодиоду может уменьшить полезный сигнал. Механические барьеры, темные прокладки и формованные элементы часто дают больший эффект, чем медь на печатной плате. На сборочном чертеже все равно следует обозначить оптические зоны, которые нельзя затрагивать, чтобы паяльная маска, клей, покрытие или расположенные рядом отражающие компоненты не проникали в заданную полость.

Сила и заземление

Импульсы светодиодов создают скачки тока, которые могут влиять на аналоговый входной каскад или питание микроконтроллера. Локальная развязка и обратные пути должны соответствовать эталонной конструкции датчика. Напряжение батареи, которое кажется стабильным при среднем токе, может снижаться во время импульсов светодиодов или радиопередачи, поэтому при тестировании прототипа необходимо фиксировать реальную активную форму сигнала.

Не позволяйте превратить датчик здоровья в необоснованное медицинское утверждение.

Производство печатных плат позволяет проверить связь датчиков и заданный заказчиком оптический отклик. Однако оно не устанавливает клиническую точность или соответствие нормативным требованиям. В описании товара и в коммерческом предложении завода следует четко указывать эти границы, особенно если трекер включает оптические длины волн, связанные с SpO2, или функции измерения частоты сердечных сокращений.

Архитектура энергоснабжения для обеспечения многодневного срока службы батареи.

Время работы от батареи зависит от временного режима работы. Трекер может большую часть времени находиться в режиме энергосбережения, периодически просыпаться для считывания показаний датчиков, импульсного включения светодиодов PPG, обновления дисплея, регистрации данных и передачи по BLE. Поэтому конструкция должна оптимизировать как ток покоя, так и энергию активных импульсов.

выбор регулятора

LDO-регулятор может обеспечить простой и тихий источник питания, когда напряжение батареи и нагрузки близки. Понижающий или повышающе-понижающий преобразователь может извлекать больше полезной энергии по мере разряда батареи, но вносит помехи при переключении и собственный ток покоя. Носимые PMIC-контроллеры могут объединять зарядку и несколько источников питания. Наилучшая архитектура зависит от диапазона напряжения батареи, чувствительности датчика и коэффициента заполнения, а не от универсального предпочтения LDO или DC-DC преобразователя.

Тестирование производственного тока

Измерение тока в спящем режиме — полезный производственный тест, поскольку перемычки из припоя, неправильные значения компонентов, утечки или конфигурация прошивки могут значительно его повысить. Приспособление должно определять состояние прошивки и время стабилизации. Ограничения по активному току также можно измерять во время работы датчика или BLE. Эти тесты более информативны, чем просто проверка включения платы.

Схема расположения BLE-антенн, нагрузка на запястье и защита от радиочастотного излучения.

Наручное носимое устройство работает в непосредственной близости от тела, дисплея, батареи и корпуса. Эти материалы влияют на антенну. Если трекер использует антенну на печатной плате, то зона ограничения доступа и опорная земля вокруг нее являются частью радиочастотной схемы. Гибкий проводник, металлический ободок или смещение батареи могут изменить настройку, даже если схема радиомодуля остается неизменной.

Следуйте схеме расположения радиоприёмников.

Разводка ВЧ-платы : согласующая сеть BLE SoC и геометрия питания должны оставаться близкими к проверенному эталонному образцу. Добавление медных заливок, переходных отверстий и тестовых площадок вокруг антенны может изменить паразитную емкость и импеданс. При проектировании с учетом технологичности производства следует указать, что ВЧ-зона является контролируемой зоной проектирования, поэтому изменения в технологичности должны производиться в других местах, если только инженерный отдел не одобрит их.

Загрузка тела

Рабочие характеристики радиочастотного сигнала следует проверять на собранном носимом устройстве или на соответствующем приспособлении, поскольку положение запястья изменяет условия работы антенны. Тестирование на голой печатной плате полезно для отладки, но не отражает окончательные условия. Производственное тестирование позволяет выявить отсутствующие/неправильно расположенные радиочастотные компоненты и подтвердить работоспособность связи, в то время как полная настройка антенны относится к инженерной проверке.

Сосуществование с дисплеем и датчиками

Быстрые фронты сигналов на дисплее и импульсные стабилизаторы могут создавать помехи вокруг радиомодуля, а радиоимпульсы могут проникать в чувствительные оптические или аналоговые схемы. Физическое размещение, опорные плоскости и планирование могут уменьшить взаимодействие. Точный способ снижения помех зависит от конкретного продукта; задача производителя состоит в сохранении исходного расположения и согласования компонентов.

Тонкие печатные платы, гибкие платы, жестко-гибкие платы и когда помогает технология HDI.

В фитнес-трекерах может использоваться тонкая жесткая многослойная плата, если электроника помещается в центральный корпус. Гибкая плата может соединять дисплей, боковые кнопки, контакты зарядки или плату датчика, расположенного на запястье. Сочетание жесткой и гибкой платы позволяет уменьшить количество разъемов и толщину корпуса там, где это выгодно с точки зрения механической конструкции. Ни одна из этих технологий не должна использоваться исключительно потому, что изделие является носимым.

Технология HDI становится полезной, когда малый шаг выводов BGA или жесткие ограничения по площади делают стандартную трассировку через переходные отверстия нецелесообразной. Микропереходные отверстия и переходные отверстия в контактных площадках могут повысить плотность выводов, но они увеличивают сложность изготовления. Перед тем как принять решение об использовании HDI исключительно из эстетических соображений, команда разработчиков должна сравнить несколько больший корпус или другое размещение компонентов.

Прототип и серийное производство должны использовать одну и ту же конструкцию как можно раньше. Толстая жесткая оценочная плата может подтвердить работоспособность прошивки, но мало что расскажет об антенне, оптической настройке или деформации при изгибе серийного носимого устройства. Аппаратное обеспечение для предварительного тестирования/пилотного образца, предназначенное для серийного производства, необходимо до завершения разработки оснастки и проведения испытаний на надежность.

Плата фитнес-трекера: датчики BGA/QFN/LGA, дисплей и тактильная обратная связь.

В носимых устройствах часто используются корпуса MCU/SoC QFN или BGA, небольшие инерциальные датчики LGA, оптические модули, разъемы FPC для дисплеев и миниатюрные пассивные компоненты. Риски при их сборке различаются. Для корпусов с нижним выводом требуется хороший контроль объема пасты, в то время как для гибких разъемов необходимы выравнивание и механическая поддержка. Оптические датчики требуют чистых окон и точной ориентации.

Устройства, чувствительные к припою и влаге

При работе с компонентами следует соблюдать требования производителя к влажности и оплавлению припоя. Тонкие платы могут деформироваться при нагреве, особенно при неравномерном распределении меди. Направляющие панели и опорные приспособления могут улучшить плоскостность для печати и установки компонентов. Если в сборочной панели присутствует гибкий элемент, может потребоваться временное усиление или использование несущей оснастки.

Вибромоторы

Тактильный двигатель имеет простую электрическую структуру, но оказывает значительное механическое воздействие. Он потребляет импульс тока и может создавать магнитные или вибрационные помехи для датчиков. Плата и корпус должны отводить ток двигателя от чувствительных эталонных точек и обеспечивать защиту проводов или разъемов от механических повреждений. Функциональное тестирование должно проверять работу двигателя, поскольку неправильное подключение может привести к прохождению всех тестов цифровых датчиков.

Разъем дисплея

Ориентация гибкой печатной платы (FPC) — частый производственный риск. На сборочных чертежах должна быть указана сторона ввода кабеля, положение первого контакта и защелки. Сигналы высокоскоростного дисплея должны сохранять свой опорный путь через выходной канал разъема, а при проектировании для производства (DFM) не следует добавлять большие тестовые шлейфы к линиям, чувствительным к синхронизации.

Инспекция

AOI позволяет проверять видимые следы пайки и полярность. Рентгеновский контроль может использоваться для проверки скрытых соединений BGA/QFN/LGA, если это необходимо. Для окон оптических датчиков может потребоваться отдельная проверка на загрязнение. Эти этапы проверки должны определяться фактическим риском для корпуса, а не перечисляться без разбора для каждой носимой платы.

Надежность при ношении: пот, влажность, удары и ежедневная зарядка.

Фитнес-трекеры подвергаются более агрессивному воздействию окружающей среды, чем настольные сенсорные платы. При повреждении уплотнений к электронике могут попадать пот и конденсат. Устройство роняют, сгибают запястьем, подвергают перепадам температур и многократно заряжают. Конструкция и сборка печатной платы могут повысить устойчивость, но корпус остается основным барьером, препятствующим воздействию окружающей среды.

Защитное покрытие

Покрытие может защитить отдельные печатные платы от влаги или загрязнений, но его необходимо закрывать защитной пленкой, предотвращая контактирование разъемов, контактов зарядки, антенн, оптических датчиков и контрольных точек. Толщина и химический состав покрытия могут влиять на необходимость доработки и радиочастотные/оптические характеристики. Это должно быть указано в конструкции изделия, а не добавляться автоматически, поскольку изделие является износостойким.

Поддержка разъемов и паяных соединений

Контакты для зарядки, USB-разъемы в некоторых конструкциях и провода двигателя должны быть механически закреплены, чтобы ежедневная нагрузка от пользователя не распределялась исключительно на тонкие паяные соединения. Переходы при изгибе должны избегать резких изгибов по краям ребер жесткости. Для подтверждения надежности этих конструкций необходимы испытания на падение и кручение на уровне изделия.

Коррозия и остатки

Ионные остатки могут ускорять коррозию при наличии влаги. Поэтому требования к очистке должны соответствовать экологическим рискам изделия и совместимости датчиков и разъемов. Обозначение флюса как «не требующего очистки» не означает автоматически, что данная сборка подходит для любого применения во влажных носимых устройствах; производитель оборудования должен определить допустимый процесс.

Факторы, влияющие на стоимость печатной платы фитнес-трекера, и планирование от прототипа до серийного производства.

Стоимость самой печатной платы — это лишь одна составляющая затрат на носимые устройства. Оптические датчики, BLE SoC, дисплей, батарея, гибкая конструкция и трудозатраты на тестирование могут составлять значительную часть стоимости. Поэтому при снижении затрат следует учитывать общую стоимость сборки и выход годных изделий, а не стремиться к минимально возможному количеству слоев.

На этапе создания прототипов необходимо проверить оптическую юстировку, производительность BLE на запястье, время работы от батареи, тепловыделение при зарядке, ток в спящем режиме и соответствие корпуса. На этапе пилотных сборок следует зафиксировать этапы панельной сборки, гибкой формовки, нанесения покрытия/маскировки, программирования и тестовых приспособлений. Затем на этапе серийного производства основное внимание уделяется обеспечению целостности спецификации материалов, утверждению альтернативных вариантов, отслеживаемости и выходу годной продукции.

Одобренные альтернативные варианты заслуживают инженерной проверки, поскольку внешне эквивалентные компоненты носимых устройств могут изменять высоту корпуса, энергопотребление, радиочастотные характеристики или оптические свойства. Контролируемый альтернативный вариант, внедренный в ходе пилотного производства, гораздо безопаснее, чем автоматическая замена в случае дефицита.

Время тестирования часто является недооцененным фактором, влияющим на стоимость. Прибор, который программирует микропрограмму, измеряет ток в спящем режиме, опрашивает датчики, проверяет зарядку и подтверждает работоспособность BLE в одной автоматизированной последовательности, может быстро оправдать затраты на разработку по сравнению с ручной проверкой каждого устройства.

Как выбрать производителя печатных плат для фитнес-трекера

Производственный партнер должен хорошо разбираться в сборке миниатюрных датчиков, гибкой обработке и управлении изменениями в низковольтных/радиочастотных системах, но не должен брать на себя ответственность за биометрические алгоритмы или точность контроля состояния готового изделия. Наилучшие отношения с поставщиком обеспечивают четкую границу: инженеры определяют систему измерения и радиочастотную систему; производство сохраняет утвержденный проект и проверяет сборку на соответствие определенным тестам.

• Тонкие многослойные, гибкие или жестко-гибкие конструкции, соответствующие выпущенной модели.
• Возможность использования HDI/микропереходных отверстий, когда это действительно необходимо для трассировки с малым шагом.
• Сборка разъемов BGA/QFN/LGA и FPC с проверкой на соответствие требованиям безопасности.
• Контролируемый контроль качества компонентов для оптических датчиков, BLE SoC, PMIC и согласующих радиочастотных устройств.
• Программирование, измерение тока в спящем режиме и функциональное тестирование датчиков/BLE, определяемое заказчиком.
• Перенос технологического процесса от прототипов к серийному производству с использованием спецификации материалов и контроля версий.

Пакет запроса коммерческого предложения

Компания Highleap Electronics может проанализировать этот пакет для изготовления печатных плат, поиска компонентов и составления сметы на сборку печатных плат. Цель состоит в том, чтобы сохранить проверенную геометрию датчика, архитектуру с низким энергопотреблением, радиочастотную схему и процесс сборки по мере увеличения объемов производства — без добавления ненужных производственных сложностей.

Часто задаваемые вопросы

Производственные требования следует сверять с выпущенными проектными файлами, спецификациями производителей компонентов и применимыми требованиями к валидации или регулированию конечного продукта.