PCB d'alta freqüència

Què és un PCB d'alta freqüència?

Un PCB d'alta freqüència és un tipus de PCB que utilitza substrats especialitzats amb una baixa constant dielèctrica (Dk) i una baixa pèrdua dielèctrica (Df), com ara la sèrie PTFE i Rogers. Requereix un control estricte de la impedància i un encaminament optimitzat per reduir els paràmetres paràsits. Està dissenyat específicament per a escenaris de transmissió de senyals d'alta freqüència que varien de 300 MHz a 3 GHz. Plaques de circuit imprès d'alta precisió compatibles àmpliament amb equips en àmbits com les comunicacions, la indústria militar, la sanitat l’atenció i l’electrònica de consum.

Característiques dels PCB d’alta freqüència

Les característiques dels circuits de comunicació d'alta freqüència estan dissenyades entorn dels tres requisits fonamentals de baixa pèrdua, alta estabilitat i antiperturbacions en la transmissió de senyals d'alta freqüència que van de 300 MHz a 3 GHz. Cada característica correspon a una selecció específica de materials, normes de procés i valors d'aplicació. A continuació es mostra una descomposició detallada:

La característica de baixa pèrdua del substrat

Quan es transmeten senyals d'alta freqüència, es produeix una pèrdua d'energia a causa de les propietats dielèctriques del substrat. Aquesta és la diferència fonamental entre els circuits d'alta freqüència i els PCB convencionals.

Paràmetres clau

· Baixa constant dielèctrica (Dk): La constant dielèctrica determina la velocitat de transmissió del senyal. Com més baix sigui el valor de Dk, més gran serà la velocitat de transmissió del senyal i menor serà el retard del senyal. El valor de Dk dels PCB d'alta freqüència és generalment estable entre 2,2 i 4,5 (el Dk dels substrats FR-4 comuns és aproximadament entre 4,6 i 4,8), i és necessari assegurar l'estabilitat del Dk a diferents temperatures i freqüències per evitar la distorsió del senyal.

· Baixa tangent de pèrdua dielèctrica (Df): El valor de Df reflecteix directament la pèrdua d'energia del senyal al substrat. Com més baix sigui el valor de Df, menor serà la pèrdua. El valor de Df dels substrats de PCB d'alta freqüència és generalment inferior a 0,002 (el Df del fR-4 ordinari és d'aproximadament 0,02), cosa que permet reduir eficaçment l'atenuació del senyal i és especialment adequat per a la transmissió de senyals a llarga distància i alta freqüència.

Substrat típic

· PTFE (politetrafluoroetilè): Dk≈2,1, Df≈0,0009, resistència a altes temperatures (superior a 260 °C), gran estabilitat química, és l'opció preferida per a aplicacions exigents com la indústria militar i les comunicacions per satèl·lit.

· Sèrie Rogers (com RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, amb una excel·lent estabilitat d'impedància, adequat per a estacions base 5G i mòduls de RF.

· Placa d'epoxi d'alta freqüència: Cost més baix, Dk≈3,5-4,0, satisfà els requisits bàsics dels components de RF en electrònica de consum.

Característiques d'control d'impedància d'alta precisió

Les senyals d'alta freqüència són extremadament sensibles als canvis d'impedància. Una desadaptació d'impedància pot provocar reflexió del senyal, ones estacionàries i distorsió, afectant directament el rendiment de l'equip.

· Estàndards de control d'impedància: Els valors d'impedància habituals per a PCBs d'alta freqüència són 50Ω i 75Ω. La tolerància d'impedància s'ha de controlar dins del ±3% fins al ±5%.

· Mètode d'implementació: Mitjançant el disseny precís de quatre paràmetres nuclears: amplada de línia, espaiat entre línies, gruix del substrat i gruix de la fulla de coure, i la seva verificació mitjançant programari de simulació electromagnètica, s'assegura la consistència d'impedància. Per exemple, el valor d'impedància d'una estructura de línia de microbanda és directament proporcional a l'amplada de la línia i inversament proporcional al gruix del substrat. Cal ajustar-ho repetidament per assolir el valor objectiu.

Paràmetres paràsits baixos i característiques antiperturbacions

En circuits de freqüència elevada, la capacitància i la inductància paràsites dels conductors poden crear fonts addicionals de pertorbació, provocant diafonia de senyal o radiació electromagnètica (EMI). Per tant, els PCBs de freqüència elevada han de ser dissenyats i optimitzats per reduir els efectes paràsits.

Disseny de paràmetres paràsits baixos

· Acurta la longitud dels cables, redueix el traçat circuitós i disminueix l'inductància paràsita;

· Augmenta l'espaiat entre les línies de senyal o utilitza cintes d'aïllament per terra per reduir la capacitància paràsita;

· S'adopten estructures especials de línia de transmissió, com ara línies microtriaxials i línies de cinta, per reduir el couplament electromagnètic entre els senyals i el medi exterior;

Capacitat antiperturbacions electromagnètiques (EMI)

· Augmenta el nombre de capes de massa per formar una "cavitat de protecció" i bloquejar les interferències electromagnètiques externes;

· Aplicar blindatge local en components sensibles per reduir la radiació interna del senyal;

· Optimitzar la disposició de l'alimentació i la connexió a terra per reduir l'impacte del soroll de l'alimentació sobre els senyals d'alta freqüència.

Excel·lents característiques d'adaptabilitat física i ambiental

Els escenaris d'aplicació dels PCB d'alta freqüència es troben principalment en àmbits amb requisits ambientals estrictes, com el control industrial, l'atenció mèdica i la indústria militar. Per tant, el material base i el procés han de complir requisits addicionals de rendiment físic

· Resistència a altes temperatures: Alguns materials bàsics poden suportar temperatures superiors a 260 °C, satisfent els requisits de processament de soldatge per refluix i soldatge per ona, i alhora sent adequats per a el funcionament prolongat d'equips en ambients de temperatures elevades.

· Resistència química: El material bàsic ha de tenir les característiques de resistència a àcids i bases així com resistència a la humitat, per evitar la des laminació del material bàsic i l'oxidació de la fulla de coure en ambients agressius.

· Estabilitat mecànica: La làmina de coure té una forta adhesió al substrat, cosa que fa que sigui menys propensa a torsions o deformacions, assegurant la fiabilitat de l'equip en condicions de vibració i xoc.

Característiques d'alta precisió de fabricació

La precisió de la tecnologia de processament dels PCB d'alta freqüència és molt més elevada que la dels PCB normals. Els requisits clau del procés inclouen:

· Ample de línia/espaiat fi: Pot assolir amplades de línia i espaiats de 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) o encara més estrets, satisfent els requisits de connexió de circuits d’alta densitat i alta freqüència.

· Perfòracion precisa: El diàmetre de forat mínim pot arribar a 0,1 mm, i la tolerància de posició del forat es controla dins ±0,01 mm, evitant canvis d’impedància causats per desviacions en la posició del forat.

· Tractament superficial: Els processos de recobriment amb or i plata són majoritàriament adoptats per reduir les pèrdues de senyal a la superfície del conductor .

Substrat nucli

El substrat és la base dels circuits imprès d'alta freqüència i afecta directament la pèrdua de transmissió del senyal i l'estabilitat. Els tipus i paràmetres més comuns són els següents:

Material de full de coure

Els senyals d'alta freqüència tenen un efecte pel·licular, per tant, la selecció de la làmina de coure ha de tenir en compte tant l'eficiència de conducció com la planesa superficial:

· Làmina de coure electrolític: Baix cost, rugositat superficial moderada, adequat per a la majoria d'escenaris de PCB d'alta freqüència;

· Fulles de coure laminades: Superfície més llisa, menys pèrdua per efecte pell, adequada per a equips de radiofreqüència d'alta freqüència i alta sensibilitat;

· Espessor de la fulla de coure: Els més comuns són 1 oz (35 μm) o ½ oz (17,5 μm). La fulla de coure fina pot reduir l'inductància paràsita i és més adequada per a cablejat d'alta densitat i alta freqüència.

Materials de tractament superficial

El tractament superficial dels PCB d'alta freqüència necessita reduir la resistència de contacte, prevenir l'oxidació de la fulla de coure i evitar afectar la transmissió dels senyals d'alta freqüència

· Revestiment d'or (ENIG): Superfície llisa, gran resistència a l'oxidació, baixa resistència de contacte, poc impacte en la pèrdua de senyals d'alta freqüència, adequat per a interfícies RF d'alta precisió.

· Revestiment de plata: Té una millor conductivitat elèctrica que el revestiment d'or i menys pèrdues, però és propens a l'oxidació i cal combinar-lo amb un recobriment anti-oxidant. És adequat per a circuits de microones d'alta freqüència.

· Màscara de soldadura orgànica (OSP): Té un cost baix i un procés senzill, però la seva resistència a altes temperatures és mitjana. És adequat per a PCBs d'alta freqüència en electrònica de consum sensible al cost.

L'atenuació senyal baixa assegura la qualitat de la transmissió

Mitjançant l'ús de substrats especialitzats amb una constant dielèctrica baixa (Dk) i una pèrdua dielèctrica baixa (Df), com ara PTFE i la sèrie Rogers, es pot reduir eficaçment la pèrdua d'energia dels senyals d'alta freqüència que van des de 300 MHz fins a 3 GHz durant la transmissió es pot evitar la distorsió del senyal, i es poden satisfer els requisits de comunicació i transmissió de dades a llarga distància i alta freqüència.

El control d'impedància d'alta precisió millores la integritat del senyal

Dissenyant amb precisió l'amplada de línia, l'espaiat entre línies i el gruix del substrat, s'aconsegueix controlar la tolerància d'impedància dins del ±3% al ±5%, assolint un aparellament estable d'impedàncies estàndard com 50Ω/75Ω, evitant així la reflexió del senyal i els fenòmens d'ona estacionària, assegurant el funcionament fiable de circuits d'alta freqüència com ara RF i microones.

Gran capacitat antiperturbacions, adequat per a entorns electromagnètics complexos

L'estructura de cablejat optimitzada (com ara línies de microbanda i línies de cinta) i el disseny de terra multi-capa poden reduir la capacitància i inductància paràsita, així com la interferència entre senyals i la radiació electromagnètica (EMI). En combinació amb un blindatge metàl·lic local, pot resistir interferències electromagnètiques externes i és adequat per a escenaris amb requisits elevats en compatibilitat electromagnètica, com ara equips de control industrial i instruments mèdics.

Excel·lent adaptabilitat ambiental, satisfent condicions de treball severes

El substrat d'alta freqüència dedicat presenta resistència a altes temperatures (superior a 260 °C), resistència a la corrosió química i a la humitat. Combinat amb un procés estable d'adhesió de full de coure, pot mantenir un rendiment estable en entorns hostils com ara vibracions i cicles de temperatures extremes, complint els requisits d'operació prolongada de qualitat automotriu i militar equipament.

Suport d'alta integració que facilita el disseny miniaturitzat

Suporta el processament de línies fines i espaisats de 3 mil/3 mil o inferiors, així com diàmetres de forats petits. Pot assolir un cablejat d'alta densitat, satisfent els requisits de disseny de productes miniaturitzats i altament integrats com ara mòduls RF i components de base estacionària 5G, i estalviant espai d'equipament.