Плата Smart Ring | Компактная гибкая печатная плата для носимых устройств

Плата «умного кольца» должна вмещать датчики, BLE-модули, питание и зарядку в изогнутый корпус, практически без свободного места. Для OEM-производителя или команды разработчиков вопрос производства заключается не просто в том, насколько маленькой может быть плата, а в том, можно ли изготовить, собрать, проверить и воспроизвести выпущенную конструкцию с требуемым уровнем выхода годной продукции.

Гибкие или жестко-гибкие конструкции, HDI, микропереходы и корпуса с малым шагом могут решить реальные проблемы, связанные с ограниченным пространством, но каждая из них вносит свой вклад в технологический процесс и увеличивает стоимость. Правильную комбинацию следует выбирать, исходя из механических габаритов, шага компонентов, зон изгиба и объема производства, а не задавать по умолчанию.

Компания Highleap Electronics оказывает поддержку заказчикам в разработке носимой электроники, предоставляя услуги по электронному производству , включая изготовление печатных плат, производство гибких и жестко-гибких плат, поиск компонентов, сборку SMT с малым шагом выводов, контроль качества, программирование и функциональное тестирование по запросу заказчика. Мы можем поддерживать прототипирование, пилотное и серийное производство, при этом заказчик сохраняет за собой ответственность за настройку антенн, биометрические алгоритмы, проектирование корпуса и окончательную проверку продукта.

Архитектура печатной платы Smart Ring определяется механическими характеристиками корпуса.

Полезный запрос предложений для интеллектуальных кольцевых плат начинается с механического сечения, готовой конструкции печатной платы и целевого этапа сборки. На основе этих данных производитель может оценить, действительно ли необходима традиционная многослойная, гибкая, жестко-гибкая или HDI-печать, и где будут основные риски выхода годных изделий. Компания Highleap может проанализировать производственный пакет с этой точки зрения до начала сборки прототипа или опытного образца.

Решения по гибкости и жестко-гибкости, влияющие на сборку.

Гибкость важна, когда схема должна повторять окружность кольца, в то время как жестко-гибкая структура позволяет создавать стабильные островки компонентов без использования миниатюрных межплатных соединителей. На производственном чертеже должны быть четко обозначены зоны изгиба, ребра жесткости, переходы между жестко-гибкой структурой, а также указано, формируется ли гибкая структура однократно во время сборки или многократно изгибается в процессе эксплуатации.

При закупках полезно сравнивать не только цену самой платы. Более дорогая конструкция с жесткой и гибкой структурой может снизить общую стоимость сборки, если она исключает разъемы, уменьшает высоту по оси Z и сокращает объем ручной работы по соединению. Компания Highleap может проанализировать опубликованные требования к структуре и формовке, а также процесс сборки, чтобы выбранная конструкция была пригодна для многократного использования.

Используйте индекс высокой плотности (HDI) там, где это действительно необходимо.

В корпусах WLCSP, BGA и небольших LGA может потребоваться использование микропереходных отверстий или отверстий в контактных площадках, особенно когда диаметр кольца оставляет мало места для трассировки. Но технология HDI должна решать реальные проблемы с выходом или пространством, а не добавляться в качестве стандартной спецификации. Если традиционное сверление может соответствовать механическим параметрам и плотности трассировки, оно может предложить более простой процесс и большую гибкость в выборе поставщиков.

При необходимости использования технологии HDI (High-Design Instruction — высокая плотность размещения компонентов) изготовление и сборка печатных плат должны рассматриваться совместно. Заполнение переходных отверстий и выравнивание, поддержка тонких плат, нанесение пасты, оплавление припоя, доступ для осмотра и депанирование — все это влияет на конечный выход годных изделий из печатных плат. Именно здесь ранний анализ DFM (проектирование для технологичности производства) может предотвратить превращение плотной конструкции в сложную для стабильной сборки.

Сохранение геометрии радиочастотного тракта на протяжении всего производственного процесса.

На производительность умного кольца BLE сильно влияют пользователь, батарея, корпус и находящиеся рядом металлические предметы. Производство не может заменить окончательную проверку антенны, но оно может защитить выпущенную радиочастотную конструкцию, сохраняя зоны ограничения доступа антенны, геометрию заземления, согласованные компоненты и их размещение.

В спецификации материалов также следует строго контролировать компоненты, обеспечивающие согласование ВЧ-сигнала. Аналогичный по номиналу заменитель может иметь другие характеристики на высоких частотах, поэтому альтернативные варианты должны соответствовать утвержденному заказчиком списку или одобрению инженера по ВЧ-оборудованию. Функциональное тестирование в процессе производства позволяет выявлять сбои связи, недостающие детали и грубые дефекты сборки, в то время как окончательная оценка характеристик антенны остается задачей проверки на уровне продукта.

После стабилизации проектной и тестовой базовых параметров компания Highleap может перевести утвержденную сборку на этап крупномасштабной сборки печатных плат с контролируемыми изменениями спецификации материалов, повторяемым контролем качества и функциональным тестированием, определяемым заказчиком.

Размещение датчика PPG и его оптические характеристики

Для «умного» кольца эффективность фотограмметрии зависит не только от выбора оптического датчика. Печатная плата должна удерживать светодиод, фотодетектор и вспомогательные компоненты в заданной геометрии, а готовое кольцо должно обеспечивать желаемый контакт с кожей, оптический барьер и выравнивание окна. В производстве приоритетом является повторяемость: размещение, чистота и механические опорные точки должны оставаться неизменными от прототипа до серийного производства.

Оптический датчик может объединять фотодиод, аналоговый входной каскад и АЦП, или использовать отдельные светодиоды и приемные компоненты. В любом случае, плата может пройти цифровую связь, но при этом выйти из строя в готовом кольце, если остатки флюса, клей, защитная пленка или механическое смещение влияют на оптический путь. Поэтому при проверке печатных плат необходимо убедиться как в электрической работоспособности, так и в соответствии с требованиями к выпущенному оптическому узлу.

Обеспечьте выравнивание печатной платы и механических контактных площадок.

Компания Highleap Electronics может контролировать размещение и сборку, опираясь на предоставленные данные о печатной плате, однако окончательные биометрические характеристики по-прежнему зависят от соответствия корпуса, контакта с кожей и проверки алгоритма. Если оптическая калибровка является частью производственного процесса, то на соответствующем этапе сборки следует применять метод, определенный заказчиком, а не определять его только на основании проверки печатной платы.

Архитектура батареи, зарядки и питания для «умного кольца»

Емкость батареи в интеллектуальном кольце ограничена, поэтому важны как ток в спящем режиме, так и кратковременные события с высоким током. При анализе цепи питания следует учитывать передачу данных по BLE, импульсы светодиодов PPG, выборку данных с датчиков и активность памяти. Производитель печатной платы может проверить выпущенную схему питания и заданные состояния тока, в то время как планирование работы встроенного ПО и итоговое время выполнения остаются обязанностью на уровне продукта.

Расчет на пиковый ток, а не только на ток в спящем режиме.

Батарея, микросхема управления питанием (PMIC) и локальная развязка должны выдерживать пиковые значения тока радио- и оптического сигнала без падения напряжения или сброса. В производственной среде заданные заказчиком ограничения тока в спящем режиме и в активном режиме могут служить полезными контрольными тестами для выявления неисправных компонентов, утечек, дефектов пайки или проблем с конфигурацией.

Способ зарядки меняет производственный процесс.

Для контактной зарядки необходимы контролируемые размеры контактных площадок, качество обработки, очистка и обращение с ними, поскольку эти поверхности также могут подвергаться воздействию герметизации и коррозии. Индукционная зарядка устраняет открытые контакты, но добавляет положение катушки, магнитные компоненты и тепловыделение при зарядке. В обоих случаях производственная упаковка должна определять геометрию зоны зарядки, чтобы изменения в сборке не влияли на электрические или тепловые характеристики.

Зарядка также может нагревать очень маленький корпус и влиять на показания датчиков температуры, расположенных рядом. Производство может проверить ток заряда, базовое согласование и заданные заказчиком функциональные ограничения, в то время как окончательная проверка безопасности батареи, температурных ограничений и времени работы остается частью плана квалификации готового продукта.

Smart Ring PCBA: сборка с малым шагом выводов, обработка гибких выводов и контроль качества.

В высокоминиатюрном интеллектуальном кольце могут использоваться пассивные компоненты 0201 или 01005, корпуса WLCSP/BGA и небольшие датчики LGA. При наличии таких корпусов в выпущенном проекте выход годных изделий зависит не только от возможности установки. Стабильность панели, снятие трафарета, вспомогательные инструменты, поведение при пайке оплавлением и доступ для осмотра — все это должно работать как единый процесс сборки.

Контролируйте технологический процесс обработки тонких и гибких листов.

Для тонких гибких или жестко-гибких панелей может потребоваться специальная поддержка во время нанесения, размещения и оплавления пасты. Очень маленькие отверстия требуют надежного отделения трафарета, а неравномерная тепловая масса может увеличить вариативность пайки. Поэтому конструкцию направляющих панели, баланса меди и крепления следует проверять перед выпуском первой партии продукции, а не исправлять после появления повторяющихся дефектов.

Используйте метод проверки, соответствующий упаковке.

AOI полезен для проверки видимой полярности, отсутствующих компонентов и дефектов пайки. Рентгеновский контроль может быть целесообразен для WLCSP/BGA или скрытых контактных площадок, в то время как для окон оптических датчиков может потребоваться отдельная проверка чистоты. Ни один метод контроля не гарантирует радиочастотные или биометрические характеристики, поэтому производственный контроль следует сочетать с определенным заказчиком объемом электрических и функциональных испытаний.

Во время работы обеспечьте защиту гибких и сенсорных поверхностей.

Небольшие гибкие узлы могут быть повреждены из-за сгибания, загрязнения или неконтролируемого изгиба. В рабочих инструкциях должны быть указаны зоны захвата, ориентация лотка и пределы формования, чтобы операторы не использовали область антенны или оптического датчика в качестве опорной поверхности.

Проблемы, возникающие при производстве прототипов «умных колец»

Прототип «умного кольца» должен доказать, что конструкция выдержит реальный процесс сборки, а не просто будет ровно лежать на верстаке. Прежде чем переходить к пилотному или серийному производству, необходимо ответить на производственные вопросы, которые с наибольшей вероятностью приведут к доработкам или снижению выхода годных изделий.

• Можно ли сформировать гибкий кабель внутри корпуса, не создавая при этом нагрузки на контактные площадки компонентов или на переходы между жестким и гибким кабелями?
• Сохраняет ли батарея целостность антенны и оптического резонатора после окончательной сборки?
• Соответствуют ли функции BLE и PPG критериям приемки, определенным заказчиком, в собранном кольцевом соединении?
• Можно ли выполнить зарядку, программирование и функциональное тестирование после сборки платы?
• Можно ли перемещать, разбирать и упаковывать собранный модуль без повреждения гибких или оптических поверхностей?

Для отладочных площадок или разъемов, предназначенных только для прототипов, также должен быть разработан четкий план замены в серийном производстве. Компания Highleap Electronics может использовать ранние этапы сборки для выявления проблем, связанных со сборкой, оснасткой, контролем качества и тестированием, прежде чем проект будет передан в пилотное или серийное производство. Заказчику не требуется идеальный пакет документов для начала обсуждения; доступные файлы Gerber/ODB++, спецификации материалов, чертежи гибких модулей, целевые объемы и требования к тестированию могут быть рассмотрены поэтапно.

От прототипа «умного кольца» до серийного производства

В серийном производстве акцент смещается с вопроса «можем ли мы это изготовить?» на вопрос «можем ли мы изготавливать одно и то же многократно?». Спецификация материалов должна содержать утвержденные альтернативные варианты. Необходимо контролировать свойства и толщину гибкого материала. Приспособления для поверхностного монтажа, оплавление припоя и депанелизация должны обеспечивать повторяемость. Программирование и тестирование должны соответствовать целевым показателям времени цикла. Именно эти области определяют выход годной продукции и стоимость в большей степени, чем маркетинговые характеристики кольца.

ДФМ и ДФА

Перед запуском в производство необходимо проверить зазор между компонентами и краями, геометрию перехода гибкого кабеля, границу раздела между паяльной маской и контактной площадкой, крепление батареи, контакты зарядки, оптические отверстия и зоны, препятствующие установке антенн. Также следует проверить, могут ли операторы правильно сориентировать сформированный гибкий кабель и можно ли установить батарею или корпус, не надавливая на компоненты.

Наличие спецификации материалов

Носимые датчики и миниатюрные корпуса могут иметь длительные сроки поставки или ограниченный выбор альтернатив. Риски, связанные с закупкой, следует выявить до того, как будет определен конкретный корпус. Альтернативный вариант может потребовать другого оптического окна, согласования антенны или габаритов, поэтому «второй поставщик» часто представляет собой инженерный проект, а не замену товара.

Функциональное тестирование и выход годных изделий

В процессе производства можно проверить программирование, ток в спящем режиме, связь с датчиками, BLE-соединение, зарядку и базовые оптические характеристики. Данные тестирования должны быть привязаны к версии платы и серийному номеру, если требуется прослеживаемость. Целевые показатели выхода годной продукции следует измерять отдельно для голой печатной платы, SMT, гибкого формования и окончательного функционального тестирования, чтобы команда знала, где происходит потеря средств.

Компания Highleap Electronics может оказывать поддержку на этапах изготовления печатных плат и сборки печатных плат. Окончательная герметизация кольцевых элементов, радиочастотная характеристика, проверка биометрических алгоритмов и сертификация продукции должны оставаться за OEM-производителем или другими специально квалифицированными партнерами, если иное не оговорено в отдельном договоре.

Как выбрать производителя печатных плат и сборок для умного кольца

Поставщику интеллектуальных кольцевых микросхем требуется нечто большее, чем просто стандартные SMT-платы малого размера. Производственный партнер должен понимать, как взаимодействуют гибкая конструкция, HDI (высокая плотность размещения компонентов), миниатюрные корпуса, геометрия антенн и размещение оптических датчиков. Наиболее полезная обратная связь от производителя поступает до того, как будут окончательно утверждены оснастка и панельная обработка, когда конструкция еще может учитывать изменения, связанные с DFM (проектированием для производства), без ущерба для корпуса.

• Изготовление гибких и жестко-гибких конструкций для выпуска готовой к применению многослойной структуры.
• Обработка HDI/microvia/via-in-pad, когда этого требует выход из корпуса.
• SMT-компоненты с малым шагом выводов и приспособления для тонких или гибких сборок.
• Контролируемый доступ к источникам поставок компонентов BLE SoC, датчика PPG, IMU, PMIC и компонентов согласования радиочастот.
• Выбор метода контроля — AOI/рентгеновский/оптический — зависит от риска, связанного с упаковкой и датчиками.
• Программирование, проверка тока в спящем режиме, тестирование BLE и функциональное тестирование, определяемое заказчиком.
• Документированный переход от прототипной панели/технологического процесса к серийному производству.

Пакет запроса коммерческого предложения

При наличии этих данных Highleap может оценить фактические производственные риски и предоставить коммерческое предложение по печатным платам/сборкам печатных плат. Цель состоит не в том, чтобы каждое кольцо использовало самые передовые технологии печатных плат; а в том, чтобы использовать только ту сложность, которая необходима для соответствия заявленным механическим, радиочастотным, оптическим требованиям и требованиям к надежности при стабильном уровне выхода годной продукции.

Часто задаваемые вопросы