لوحات الدوائر عالية التردد

لوحة الدوائر المطبوعة عالية التردد هي نوع من اللوحات تستخدم ركائز مخصصة ذات ثابت عازل منخفض (Dk) وفقدان عازل منخفض (Df)، مثل PTFE وسلسلة Rogers. وتتطلب تحكمًا دقيقًا في المعاوقة وتوصيلات مُحسّنة للحد من المعاملات الشاذة. وهي مصممة خصيصًا لسيناريوهات نقل الإشارات عالية التردد تتراوح بين 300 ميجا هرتز و3 جيجا هرتز. لوحات دوائر مطبوعة عالية الدقة ومتوافقة على نطاق واسع مع المعدات في مجالات مثل الاتصالات، والصناعة العسكرية، والطبية والرعاية الاستهلاكية والإلكترونيات الاستهلاكية.

خصائص اللوحات المطبوعة عالية التردد

تم تصميم خصائص دوائر الاتصالات عالية التردد حول المتطلبات الأساسية الثلاثة المتمثلة في انخفاض الفقد، والاستقرار العالي، والمقاومة للتداخل أثناء نقل الإشارات عالية التردد التي تتراوح بين 300 ميجا هرتز و3 جيجا هرتز. كل خاصية تقابلها اختيار مواد محددة، ومعايير عملية، وقيم تطبيقية. فيما يلي تقسيم مفصل:

خاصية انخفاض الفقد في الطبقة العازلة

عندما تُنقل الإشارات عالية التردد، يحدث فقد للطاقة بسبب الخصائص العازلة للطبقة الأساسية. وهذا هو الاختلاف الجوهري بين الدوائر عالية التردد واللوحات المطبوعة العادية.
المعلمات الرئيسية

· ثابت عازل منخفض (Dk): يحدد الثابت العازل سرعة نقل الإشارة. كلما كان قيمة Dk أقل، زادت سرعة نقل الإشارة وقل تأخير الإشارة. تكون قيمة Dk لركائز ثنائي الفينيل متعدد البروم (PCB) عالية التردد عادة مستقرة بين 2.2 و4.5 (ثابت عازل FR-4 الشائع حوالي 4.6 إلى 4.8)، ومن الضروري ضمان استقرار Dk تحت درجات حرارة وترددات مختلفة لتجنب تشوه الإشارة.

ركائز ثنائي الفينيل متعدد البروم (PCB) عالية التردد تكون عادة مستقرة بين 2.2 و4.5 (ثابت عازل FR-4 الشائع حوالي 4.6 إلى 4.8)، ومن الضروري ضمان استقرار Dk تحت درجات حرارة وترددات مختلفة لتجنب تشوه الإشارة.

· ظل تلف العزل المنخفض (Df): تعكس قيمة Df مباشرة فقدان طاقة الإشارة في الركيزة. كلما كانت قيمة Df أقل، قل الفقد. تكون قيمة Df لركائز ثنائي الفينيل متعدد البروم (PCB) عالية التردد عمومًا أقل من 0.002 (قيمة Df لـ FR-4 العادي حوالي 0.02)، مما يمكن من تقليل توهين الإشارة بفعالية، وهي مناسبة بشكل خاص لنقل الإشارات على مسافات طويلة وعالية التردد.

fR-4 العادي حوالي 0.02)، مما يمكن من تقليل توهين الإشارة بفعالية، وهي مناسبة بشكل خاص لنقل الإشارات على مسافات طويلة وعالية التردد.

الركيزة النموذجية

· PTFE (بوليتيترافلوروإيثيلين): Dk≈2.1، Df≈0.0009، مقاومة للحرارة العالية (أكثر من 260℃)، استقرار كيميائي قوي، وهو الخيار الأول للسيناريوهات ذات المتطلبات العالية مثل الصناعة العسكرية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

· سلسلة Rogers (مثل RO4350B): Dk≈3.48، Df≈0.0037، تتميز باستقرار ممتاز في المعاوقة، مناسبة لمحطات قاعدة 5G ووحدات الترددات الراديوية.

· لوحة راتنجات الإيبوكسي عالية التردد: تكلفة أقل، Dk≈3.5-4.0، تلبي المتطلبات الأساسية لمكونات الترددات الراديوية في الإلكترونيات الاستهلاكية.

خصائص التحكم الدقيقة في المعاوقة

الإشارات عالية التردد حساسة للغاية لتغيرات المعاوقة. يمكن أن يؤدي عدم تطابق المعاوقة إلى انعكاس الإشارة، والموجات الثابتة، والتشويه، مما يؤثر مباشرة على أداء المعدات.

· معايير التحكم في المعاوقة: القيم الشائعة للمعاوقة في لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد هي 50 أوم (لنقل الترددات الراديوية/الميكروويف) و75 أوم (لنقل الفيديو/الكابلات المحورية). يجب التحكم في تسامح المعاوقة

ضمن ±3٪ إلى ±5٪ (عادةً ما يكون تسامح المعاوقة للوحات الدوائر المطبوعة العادية ±10٪).

· طريقة التنفيذ: من خلال تصميم دقيق لأربع معلمات رئيسية - عرض الخط، المسافة بين الخطوط، سماكة الركيزة، وسماكة رقعة النحاس - والتحقق منها باستخدام برنامج محاكاة كهرومغناطيسية (مثل ADS، HFSS)،

يتم ضمان اتساق المعاوقة. على سبيل المثال، قيمة معاوقة هيكل الخط الميكروستريب تتناسب طرديًا مع عرض الخط وعكسيًا مع سماكة الركيزة. ويجب تعديلها مرارًا وتكرارًا حتى

تبلغ القيمة المستهدفة.

خصائص منخفضة المعاملات الشاذة ومقاومة التداخل

في الدوائر عالية التردد، يمكن أن تُحدث السعة والمحاثة الشاذة للأسلاك مصادر تداخل إضافية، مما يؤدي إلى تداخل الإشارات أو الإشعاع الكهرومغناطيسي (EMI). لذلك، يجب تصميم لوحات الدوائر عالية التردد

وتحسينها لتقليل الآثار الشاذة.

تصميم منخفض المعاملات الشاذة

تقصير طول السلك، وتقليل التوجيه الدائري، وخفض الحث المغناطيسي غير المرغوب فيه؛

زيادة المسافة بين خطوط الإشارة أو استخدام أحزمة عزل أرضية لتقليل السعة الكهربائية غير المرغوبة؛

اعتماد هياكل خطوط نقل خاصة مثل خطوط الميكروستريب وخطوط الشريط لتقليل الاقتران الكهرومغناطيسي بين الإشارات والعالم الخارجي.

قدرة مضادة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

زيادة عدد طبقات التأريض لتكوين "تجويف تدريع" يحجب التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي؛

إجراء تدريع موضعي للمكونات الحساسة (مثل رقائق الترددات الراديوية) لتقليل إشعاع الإشارات الداخلية؛

تحسين تخطيط مصدر الطاقة ونظام التأريض لتقليل تأثير ضجيج الطاقة على الإشارات عالية التردد.

خصائص ممتازة في التكيف مع البيئة والمتغيرات الفيزيائية

تُستخدم لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد عادةً في مجالات تتسم بمتطلبات بيئية صارمة مثل التحكم الصناعي، والرعاية الطبية، والصناعات العسكرية. لذلك، يجب أن تفي مادة القاعدة والعملية بـ

متطلبات إضافية للأداء الفيزيائي

· مقاومة درجات الحرارة العالية: يمكن لبعض مواد القاعدة (مثل PTFE، Rogers) تحمل درجات حرارة تزيد عن 260°م، مما يلبي متطلبات المعالجة الخاصة باللحام بالانصهار واللحام الموجي، كما أنها مناسبة لـ

التشغيل المستمر للمعدات في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

· مقاومة المواد الكيميائية: يجب أن تتمتع مادة القاعدة بخصائص مقاومة للأحماض والقلويات ومقاومة للرطوبة، لمنع تشقق مادة القاعدة وأكسدة رقائق النحاس في البيئات القاسية.

· الثبات الميكانيكي: يتمتع رقائق النحاس بقوة التصاق قوية مع الركيزة، مما يجعلها أقل عرضة للالتواء أو التشوه، ويضمن موثوقية المعدات في ظل ظروف الاهتزاز والصدمات.

خصائص الدقة العالية في التصنيع

دقة تقنية تصنيع لوحات الدوائر عالية التردد أعلى بكثير من تلك الخاصة باللوحات العادية. وتشمل متطلبات العملية الأساسية ما يلي:

· عرض الخط الدقيق/المسافة بين الخطوط: يمكن تحقيق عروض خطوط ومسافات بقياس 3 ميل/3 ميل (0.076 مم/0.076 مم) أو حتى أرق، لتلبية متطلبات توصيلات الدوائر ذات الكثافة العالية وعالية التردد.

· الحفر الدقيق: يمكن أن يصل القطر الأدنى للثقب إلى 0.1 مم، ويتم التحكم في تحمل موقع الثقب ضمن ±0.01 مم، تجنبًا للتغيرات في الممانعة الناتجة عن الانحراف في موقع الثقب.

· معالجة السطح: تُستخدم عمليات الطلاء بالذهب والطلاء بالفضة على نطاق واسع لتقليل فقد الإشارة على سطح الموصل (حيث يؤدي تأثير الجلد إلى تركز الإشارات عالية التردد على سطح الموصل، ويمكن أن تقلل المعالجة السلسة من الفقد).

يمكن أن تقلل المعالجة السلسة من الفقد.

المادة الأساسية

تُعد المادة الأساسية هي الأساس الذي تُبنى عليه ثنائيات الفينيل متعددة الكلور عالية التردد، وتؤثر بشكل مباشر على فقد إرسال الإشارة واستقرارها. وتتمثل الأنواع والمعايير السائدة فيما يلي:

مادة رقائق النحاس

تتميز الإشارات عالية التردد بتأثير الجلد (تتركز الإشارات على سطح الموصل للنقل)، لذا يجب أخذ كفاءة التوصيل ونعومة السطح في الاعتبار عند اختيار رقاعة النحاس:

رقاقة النحاس الإلكتروليتية: تكلفة منخفضة، وخشونة سطحية معتدلة، مناسبة لمعظم سيناريوهات لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد (PCB)؛

رقاقة النحاس المدرفلة: سطح أكثر نعومة، وفقدان أقل بسبب تأثير الجلد، مناسبة للمعدات الراديوية عالية التردد وعالية الحساسية؛

سمك رقاعة النحاس: الشائع هو 1 أونصة (35 ميكرومتر) أو ½ أونصة (17.5 ميكرومتر). يمكن للرقاقة الرقيقة من النحاس تقليل الحث المكافئ، وهي أكثر ملاءمة للتوصيلات الكثيفة عالية التردد.

مواد المعالجة السطحية

يجب أن تهدف المعالجة السطحية للوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد إلى تقليل مقاومة التلامس، ومنع أكسدة رقاعة النحاس، وتجنب التأثير على نقل الإشارات عالية التردد

· طلاء الذهب (ENIG): سطح أملس، مقاومة قوية للتآكل، مقاومة تماس منخفضة، وتأثير ضئيل على فقد الإشارة عالية التردد، مناسبة لواجهات RF عالية الدقة.

· طلاء الفضة: يتمتع بموصلية كهربائية أفضل مقارنةً بطلاء الذهب وفقد أقل، لكنه عرضة للأكسدة ويجب دمجه مع طبقة واقية من الأكسدة. وهو مناسب للدوائر المايكروويفية عالية التردد.

· قناع اللحام العضوي (OSP): يتميز بتكلفة منخفضة وعملية بسيطة، لكن مقاومته للحرارة العالية متوسطة. وهو مناسب للوحات PCB عالية التردد في الإلكترونيات الاستهلاكية الحساسة للتكلفة.

يتمثل جوهر تصميم لوحات PCB عالية التردد في ضمان سلامة الإشارة، وانخفاض الفقد، والأداء المقاوم للتداخل، للإشارات التي تتراوح بين 300 ميغاهيرتز و 3 جيجاهيرتز. ومن الضروري التحكم بدقة في أبعاد متعددة مثل اختيار المادة الأساسية، والتحكم في المعاوقة، وتخطيط التوصيلات، ودرع التأريض. وتشمل الاحتياطات المحددة ما يلي:

الاختيار الدقيق للمواد الأساسية

أعط الأولوية لاختيار ركائز مخصصة ذات معامل ثابت عازل منخفض (Dk 2.2-4.5) ومعامل فقد منخفض (Df < 0.002) (مثل PTFE، Rogers RO4350B)، وتجنب استخدام ركائز FR-4 العادية لمنع التوهين المفرط للإشارات عالية التردد.

من الضروري التأكد من استقرار قيمة Dk للركيزة ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل والتردد المستخدم لتجنب انحراف المعاوقة الناتج عن التغيرات البيئية.

التحكم في المعاوقة صارم طوال العملية بأكملها

تُحسب العلاقة المقابلة بين عرض الخط، والمسافة بين الخطوط، وسمك الركيزة والمعاوقة مسبقًا من خلال برامج المحاكاة الكهرومغناطيسية (مثل ADS، HFSS). وتكون المعاوقات المستهدفة الشائعة

50 أوم (للإرسال الإذاعي) و75 أوم (للإرسال المرئي).

يجب التحكم في تسامح المعاوقة ضمن حدود ±3% إلى ±5%. عند التوصيل، تجنب التغيرات المفاجئة في عرض الخط والانحناءات الزاوية القائمة لمنع انعكاس الإشارة الناتج عن عدم استمرارية المعاوقة.

يجب ترتيب خطوط الإشارات عالية التردد كخطوط ميكروستريب سطحية أو كخطوط سترايبلين داخلية قدر الإمكان، للحد من تقلبات المعاوقة الناتجة عن الوسائط غير المنتظمة.

تحسين المعاملات الشاذة لتنسيق التوصيلات

تقصير طول المسارات عالية التردد: تجنب الدوائر الطويلة، والحد من الحث الشاذ، وتقليل تأخر الإشارة والإشعاع.

زيادة المسافة بين خطوط الإشارة: يجب أن تكون المسافة بين خطوط التردد العالي ≥ 3 أضعاف عرض الخط، أو استخدام حزام عزل أرضي لتقليل السعة الشاذة والتداخل بين الإشارات.

تجنب الخطوط المتوازية والمتقاطعة: يسهل التوجيه المتوازي حدوث تشويش تفاعلي، أما التوجيه المتقاطع فيتطلب العزل عبر طبقة أرضية أو اعتماد طريقة تقاطع عمودية.

ترتيب المكونات القريبة: ينبغي ترتيب الأجهزة عالية التردد مثل رقاقات الموجات الراديوية (RF) والهوائيات وموصلات الاتصال بشكل مكثف لتقليل طول المسارات عالية التردد.

يُحسّن تصميم التأريض والتحصين من قدرة مقاومة التداخل

بالنسبة للوحات متعددة الطبقات، يُنصح بإعطاء الأولوية لتصميم طبقات أرضية كاملة: يمكن أن تُستخدم الطبقة الأرضية كمسار عودة للإشارات، مما يقلل من عُرقلة الحلقة ويحجز في الوقت نفسه التداخل الإشاري بين الطبقات.

يجب تغطية مساحة كبيرة في اللوحات أحادية الطبقة لتقليل مقاومة التأريض.

التحصين الموضعي للمكونات الحساسة: بالنسبة للمكونات الأساسية مثل مضخمات الترددات الراديوية والمذبذبات، يمكن تصميم أغطية تحصين معدنية لحجب التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي (EMI) والإشعاع الإشاري الداخلي.

عزل الأرضية الرقمية والأرضية عالية التردد: يجب توصيل أرضية الإشارة عالية التردد وأرضية الدائرة الرقمية بنقطة واحدة لمنع الضوضاء الرقمية من الاقتران في مسار إشارة التردد العالي.

يقلل تصميم مصدر الطاقة والمرشح من الضوضاء

تُعد الدوائر عالية التردد حساسة لضوضاء مصدر الطاقة. ولذلك، يجب توصيل مكثفات تصفية عالية التردد (مثل مكثفات خزفية بسعة 0.1μF + مكثفات تانتالوم بسعة 10μF) على التوازي عند طرف دخل مصدر الطاقة و

بجانب دبابيس مصدر الطاقة للشريحة لتصفية الضوضاء عالية التردد الموجودة في مصدر الطاقة.

يجب أن تكون أسلاك مصدر الطاقة قصيرة وعريضة لتقليل عرقلة الأسلاك، وتجنب اقتران ضوضاء مصدر الطاقة بالإشارات عالية التردد.

تتوافق عملية التصنيع مع معالجة السطح

اختر تقنية تصنيع تدعم خطوطًا دقيقة العرض/تباعد (3mil/3mil أو أقل) وحفرًا دقيقًا (تسامح قطر الثقب ±0.01mm) لتلبية متطلبات الدقة الخاصة بلوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد.

بالنسبة لعلاج السطح، يُفضل الطلاء بالذهب والطلاء بالفضة: يكون سطح الطلاء الذهبي ناعمًا ويتميز بمقاومة تلامس منخفضة. أما الطلاء الفضي فيمتلك توصيلية كهربائية جيدة وخسائر منخفضة بسبب تأثير الجلد، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات عالية التردد.

تجنب استخدام عمليات OSP ذات خصائص مضادة للأكسدة ضعيفة في المنطقة الأساسية عالية التردد.

تم تصميم التصميم الحراري وفقًا لمتطلبات درجات الحرارة العالية.

بعض الركائز عالية التردد (مثل PTFE) لديها توصيلية حرارية ضعيفة. لذلك، من الضروري تصميم مسار تبديد الحرارة بشكل عقلاني أو استخدام واقيات توصيل حراري لمنع تشوه الركيزة و

تدهور الأداء الناتج عن الحرارة الناتجة عن الأجهزة عالية القدرة.

انخفاض توهين الإشارة يضمن جودة النقل

من خلال استخدام ركائز مخصصة ذات ثابت عازل منخفض (Dk) وفقدان عازل منخفض (Df)، مثل سلسلة PTFE وRogers، يمكن تقليل فقد الطاقة للإشارات عالية التردد التي تتراوح بين 300 ميجاهرتز و3 جيجاهرتز أثناء النقل بشكل فعال

ويمكن تجنب تشوه الإشارة، ويمكن تلبية متطلبات الاتصال ونقل البيانات على مسافات طويلة وبتردد عالٍ.

تحكم دقيق في المعاوقة يعزز سلامة الإشارة

من خلال تصميم دقيق لعرض الخط، والمسافة بين الخطوط، وسمك الركيزة، يتم التحكم في تحمل المعاوقة ضمن ±3٪ إلى ±5٪، لتحقيق مطابقة مستقرة للمعاوقات القياسية مثل 50 أوم/75 أوم، وتجنب انعكاس الإشارة

وظواهر الموجة الثابتة، وضمان التشغيل الموثوق للدوائر عالية التردد مثل الموجات الراديوية والميكروويف.

قدرة قوية على مقاومة التداخل، مناسبة للبيئات الكهرومغناطيسية المعقدة

تُقلل البنية المُحسّنة للتوصيلات (مثل خطوط الميكروستريب وخطوط الشريط) وتصميم التأريض متعدد الطبقات من السعة والمحاثة غير المرغوب فيها، وكذلك من التداخل الإشاري والإشعاع الكهرومغناطيسي (EMI). بالاقتران

مع التدريع المعدني المحلي، يمكنها مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي، وهي مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب توافقًا كهرومغناطيسيًا عاليًا، مثل معدات التحكم الصناعية والأجهزة الطبية.

مرونة بيئية ممتازة، وتلبية لظروف التشغيل القاسية

تتميز المادة الأساسية عالية التردد المخصصة بمقاومة للحرارة العالية (أكثر من 260°م)، ومقاومة للتآكل الكيميائي والرطوبة. وبدمجها مع عملية ربط مستقرة لأوراق النحاس، يمكنها الحفاظ على أداء ثابت

في البيئات القاسية مثل الاهتزاز ودورات درجات الحرارة العالية والمنخفضة، مما يلبي متطلبات التشغيل طويلة الأمد للمعدات ذات المواصفات automotive-grade وmilitary-grade

المعدات.

دعم التكامل العالي يسهل التصميم المصغر

يدعم معالجة عرض الخطوط والفراغات الدقيقة بمقاس 3 ميل/3 ميل وأقل، وكذلك الأقطار الصغيرة للثقوب. يمكنه تحقيق توصيلات كثيفة، مما يلبي متطلبات تصميم المنتجات المصغرة والمتكاملة عاليًا مثل وحدات الترددات اللاسلكية

ومكونات محطات قاعدة 5G، وتوفير مساحة المعدات.