Desky plošných spojů pro vysoké kmitočty

Vysokofrekvenční tištěný spoj je typ tištěného spoje, který využívá specializované substráty s nízkou dielektrickou konstantou (Dk) a nízkými dielektrickými ztrátami (Df), jako jsou PTFE a řada Rogers. Vyžaduje přísnou kontrolu impedance a optimalizované vedení spojů za účelem snížení parazitních parametrů. Je speciálně navržen pro scénáře přenosu vysokofrekvenčních signálů v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz. Vysoce přesné tištěné spoje široce kompatibilní s vybavením v oblastech jako jsou komunikace, vojenský průmysl, lékařství péče a spotřební elektronika.

Vlastnosti vysokofrekvenčních tištěných spojů

Vlastnosti vysokofrekvenčních komunikačních obvodů jsou navrženy na základě tří klíčových požadavků: nízké ztráty, vysoká stabilita a odolnost proti rušení při přenosu vysokofrekvenčních signálů v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz. Každá vlastnost odpovídá konkrétní volbě materiálu, technologickým normám a aplikačním hodnotám. Níže následuje podrobný rozbor:

Vlastnost nízkých ztrát substrátu

Při přenosu vysokofrekvenčních signálů dochází ke ztrátě energie v důsledku dielektrických vlastností substrátu. Toto je hlavní rozdíl mezi vysokofrekvenčními obvody a běžnými tištěnými spoji.
Klíčové parametry

· Nízká dielektrická konstanta (Dk): Dielektrická konstanta určuje rychlost přenosu signálu. Čím nižší hodnota Dk, tím vyšší rychlost přenosu signálu a tím menší zpoždění signálu. Hodnota Dk substrátů pro vysokofrekvenční DPS je obvykle stabilní v rozmezí 2,2 až 4,5 (u běžných substrátů FR-4 je přibližně 4,6 až 4,8) a je nutné zajistit stabilitu Dk při různých teplotách a frekvencích, aby nedošlo ke zkreslení signálu.

substráty je obvykle stabilní mezi 2,2 a 4,5 (hodnota Dk běžných substrátů FR-4 je přibližně 4,6 až 4,8), a je třeba zajistit stabilitu Dk při různých teplotách a frekvencích, aby se předešlo zkreslení signálu.

· Nízký ztrátový činitel dielektrika (Df): Hodnota Df přímo odráží ztrátu energie signálu v substrátu. Čím nižší hodnota Df, tím menší ztráta. Hodnota Df substrátů pro vysokofrekvenční DPS je obecně nižší než 0,002 (u běžného FR-4 je přibližně 0,02), což efektivně snižuje útlum signálu a je zvláště vhodné pro přenos signálu na dlouhé vzdálenosti a při vysokých frekvencích.

běžného FR-4 je přibližně 0,02), což efektivně snižuje útlum signálu a je zvláště vhodné pro dlouhodistancní a vysokofrekvenční přenos signálu.

Typický substrát

· PTFE (polytetrafluoroetylen): Dk≈2,1, Df≈0,0009, odolnost proti vysokým teplotám (nad 260 ℃), vysoká chemická stabilita, je to první volba pro náročné aplikace, jako je vojensý průmysl a satelitní komunikace.

· Řada Rogers (např. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, s vynikající stabilitou impedance, vhodná pro 5G základnové stanice a RF moduly.

· Deska z vysokofrekvenční epoxidové pryskyřice: Nižší náklady, Dk≈3,5–4,0, splňuje základní požadavky RF komponentů ve spotřební elektronice.

Vlastnosti vysoké přesnosti řízení impedance

Vysokofrekvenční signály jsou extrémně citlivé na změny impedance. Nesoulad impedance může způsobit odraz signálu, stojaté vlny a zkreslení, čímž přímo ovlivňuje výkon zařízení.

· Normy řízení impedance: Běžné hodnoty impedance pro vysokofrekvenční desky plošných spojů jsou 50 Ω (pro RF/mikrovlnný přenos) a 75 Ω (pro přenos videa/koaxiální kabel). Tolerance impedance by měla být kontrolována

v rozmezí ±3 % až ±5 % (tolerance impedance pro běžné desky plošných spojů je obvykle ±10 %).

· Způsob provedení: Přesným navržením čtyř základních parametrů – šířky vodivé dráhy, vzdálenosti mezi drahami, tloušťky substrátu a tloušťky měděné fólie – a ověřením pomocí softwaru pro elektromagnetickou simulaci (např. ADS, HFSS),

je zajištěna konzistence impedance. Například hodnota impedance mikropáskové struktury je přímo úměrná šířce vodivé dráhy a nepřímo úměrná tloušťce substrátu. Je třeba ji opakovaně upravovat, aby

dosáhla cílové hodnoty.

Nízké parazitní parametry a odolnost proti rušení

Ve vysokofrekvenčních obvodech mohou parazitní kapacita a indukčnost vodičů vytvářet další zdroje rušení, což může vést ke křížení signálů nebo elektromagnetickému vyzařování (EMI). Proto je nutné vysokofrekvenční desky plošných spojů navrhovat

a optimalizovat za účelem snížení parazitních vlivů.

Návrh s nízkými parazitními parametry

Zkratit délku vodiče, snížit okružní vedení a snížit parazitní indukčnost;

Zvětšit vzdálenost mezi signálními vodiči nebo použít izolační pásy uzemnění k snížení parazitní kapacity;

Použít speciální struktury přenosových vedení, jako jsou mikropáskové a páskové vedení, za účelem snížení elektromagnetické vazby mezi signály a okolím.

Odolnost proti elektromagnetickému rušení (EMI)

Zvýšit počet uzemňovacích vrstev a vytvořit tak „stíněnou dutinu“, která blokuje vnější elektromagnetické rušení;

Provádět lokální stínění citlivých součástek (např. RF čipů) za účelem snížení vnitřního vyzařování signálů;

Optimalizovat uspořádání napájení a uzemnění, aby se snížil vliv rušení napájení na vysokofrekvenční signály.

Vynikající fyzikální a environmentální přizpůsobivé vlastnosti

Aplikační scénáře vysokofrekvenčních desek plošných spojů se většinou nacházejí v oblastech s přísnými požadavky na prostředí, jako je průmyslová automatizace, zdravotnictví a vojenský průmysl. Proto musí materiál základny a proces splňovat

dodatečné fyzikální výkonové požadavky

· Odolnost proti vysokým teplotám: Některé základní materiály (např. PTFE, Rogers) vydrží teploty nad 260 °C, čímž splňují požadavky na zpracování při tepelném pájení a vlnovém pájení a zároveň jsou vhodné pro

dlouhodobý provoz zařízení ve vysokoteplotním prostředí.

· Odolnost proti chemikáliím: Základní materiál musí mít vlastnosti odolnosti vůči kyselinám, zásadám a vlhkosti, aby se předešlo vrstvení materiálu základny a oxidaci měděné fólie v náročném prostředí.

· Mechanická stabilita: Měděná fólie má silnou adhezi k substrátu, což snižuje riziko prohnutí nebo deformace a zajišťuje spolehlivost zařízení za podmínek vibrací a rázů.

Vysoké výrobní přesnosti

Přesnost technologie zpracování vysokofrekvenčních desek plošných spojů je mnohem vyšší než u běžných desek plošných spojů. Mezi klíčové požadavky na proces patří:

· Malá šířka vedení/mezera mezi vedeními: Lze dosáhnout šířky vedení a mezer 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) nebo ještě menších, čímž se splní požadavky na zapojení hustých a vysokofrekvenčních obvodů.

· Přesné vrtání: Minimální průměr otvoru může dosáhnout 0,1 mm a tolerance polohy otvoru je kontrolována v rozmezí ±0,01 mm, čímž se zabrání změnám impedance způsobeným odchylkou polohy otvoru.

· Úprava povrchu: K omezení ztráty signálu na povrchu vodiče se nejčastěji používají procesy zlatého a stříbrného povlaku (skin efekt způsobuje, že se vysokofrekvenční signály koncentrují na povrchu vodiče, a hladký povrch

úprava může snížit ztráty).

Základní substrát

Substrát je základem vysokofrekvenčních tištěných spojů a přímo ovlivňuje ztrátu a stabilitu přenosu signálu. Hlavní typy a parametry jsou následující:

Materiál měděné fólie

Vysokofrekvenční signály vykazují skin efekt (signály jsou při přenosu soustředěny na povrchu vodiče), proto při výběru měděné fólie je třeba vzít v úvahu jak vodivost, tak povrchovou rovinnost:

Elektrolytická měděná fólie: Nízká cena, střední drsnost povrchu, vhodná pro většinu vysokofrekvenčních scénářů s DPS;

Válcovaná měděná fólie: Hladší povrch, menší ztráty způsobené skin efektem, vhodná pro vysokofrekvenční a vysoce citlivá radiofrekvenční zařízení;

Tloušťka měděné fólie: Běžně používané jsou 1 oz (35 μm) nebo ½ oz (17,5 μm). Tenká měděná fólie může snížit parazitní indukčnost a je vhodnější pro husté vysokofrekvenční zapojení.

Materiály pro povrchovou úpravu

Povrchová úprava vysokofrekvenčních DPS musí snižovat přechodový odpor, bránit oxidaci měděné fólie a zamezovat negativnímu vlivu na přenos vysokofrekvenčních signálů

· Zlatá úprava povrchu (ENIG): Hladký povrch, silná odolnost proti oxidaci, nízký přechodový odpor, minimální vliv na ztrátu vysokofrekvenčního signálu, vhodné pro vysoce přesné RF rozhraní.

· Stříbrná vrstva: Má lepší elektrickou vodivost než zlatá vrstva a nižší ztráty, ale je náchylná k oxidaci a vyžaduje kombinaci s antioxidačním povrchem. Je vhodná pro vysokofrekvenční mikrovlnné obvody.

· Organická pájecí maska (OSP): Má nízké náklady a jednoduchý proces, ale průměrnou odolnost vůči vysokým teplotám. Je vhodná pro vysokofrekvenční desky plošných spojů ve spotřební elektronice citlivé na cenu.

Jádrem návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů je zajištění integrity signálu, nízkých ztrát a odolnosti proti rušení pro signály v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz. Je nutné přísně kontrolovat více parametrů, jako je volba substrátu, řízení impedance, uspořádání vedení a stínění uzemnění. Konkrétní opatření jsou následující:

Přesný výběr základních materiálů

Dávejte přednost výběru specializovaných substrátů s nízkou Dk (2,2–4,5) a nízkou Df (< 0,002) (např. PTFE, Rogers RO4350B) a vyhýbejte se použití běžných substrátů FR-4, aby nedošlo k nadměrnému útlumu vysokofrekvenčních signálů.

Je nutné ověřit stabilitu hodnoty Dk substrátu v pracovním teplotním a frekvenčním rozsahu, aby nedošlo k posunu impedance způsobenému změnami prostředí.

Celý proces je přísně kontrolován z hlediska impedance

Vztah mezi šířkou vedení, vzdáleností vedení, tloušťkou substrátu a impedancí je předem vypočítán pomocí softwaru pro elektromagnetickou simulaci (např. ADS, HFSS). Běžně používané cílové impedance jsou

50Ω (pro RF přenos) a 75Ω (pro video přenos).

Tolerance impedance by měla být udržována v rozmezí ±3 % až ±5 %. Při zapojování se vyhýbejte náhlým změnám šířky vedení a pravým úhlům ohybů, abyste zabránili odrazům signálu způsobeným nespojitostí impedance.

Vysokofrekvenční signální vedení by měla být uspořádána co nejvíce jako mikropásková vedení na povrchu nebo vnitřní pásková vedení, aby se snížily výkyvy impedance způsobené nerovnoměrným dielektrikem.

Optimalizace parazitních parametrů pro uspořádání vedení

Zkrátit délku vysokofrekvenčních spojů: Vyhněte se dlouhým vedením, snižte parazitní indukčnost a minimalizujte zpoždění signálu a vyzařování.

Zvětšit vzdálenost mezi signálními vedeními: Vzdálenost mezi vysokofrekvenčními vedeními by měla být ≥3násobek šířky vedení, nebo by měla být použita uzemněná izolační páska, aby se snížila parazitní kapacita a přeslechy signálů.

Uspořádání součástek v blízkosti: Vysokofrekvenční součástky, jako jsou RF čipy, antény a konektory, by měly být umístěny co nejblíže, aby se zkrátila délka vysokofrekvenčních tras.

Vyhněte se paralelním a kříženým vedením: Paralelní vedení je náchylné ke křížení interferencí. Křížení vedení je třeba oddělit pomocí uzemněné vrstvy nebo použít vertikální křížení.

Návrh uzemnění a stínění zvyšuje odolnost proti rušení

U vícevrstvých desek se doporučuje upřednostnit návrh kompletních uzemňovacích vrstev: Uzemňovací vrstva může sloužit jako zpětná cesta signálu, čímž snižuje impedanci smyčky a současně stínuje rušení signálů mezi vrstvami.

U jednovrstvých desek by měla být plocha uzemnění rozložena na velkou plochu, aby se snížil odpor uzemnění.

Místní stínění citlivých komponent: U klíčových komponentů, jako jsou RF zesilovače a oscilátory, lze navrhnout kovové stínící kryty, které blokují vnější elektromagnetické rušení (EMI) a vnitřní vyzařování signálů.

Oddělení digitálního uzemnění a vysokofrekvenčního uzemnění: Vysokofrekvenční signálové uzemnění a digitální obvodové uzemnění je třeba spojit v jednom bodě, aby se zabránilo přenosu digitálního šumu do vysokofrekvenční signální cesty.

Návrh napájení a filtru snižuje rušení

Vysokofrekvenční obvody jsou citlivé na šum napájení. Proto by měly být na vstupu napájení a

vedle pinů napájení čipu připojeny paralelně vysokofrekvenční filtrační kondenzátory (např. keramické kondenzátory 0,1 μF + tantalové kondenzátory 10 μF) pro odstranění vysokofrekvenčního šumu z napájení.

Vedení napájení by mělo být krátké a široké, aby se snížila impedance vodičů a zabránilo se vazbě šumu napájení na vysokofrekvenční signály.

Výrobní proces je kompatibilní s povrchovou úpravou

Vyberte zpracovatelskou technologii, která podporuje jemnou šířku/vzdálenost stop (3 mil/3 mil a nižší) a přesné vrtání (tolerance průměru dírky ±0,01 mm), aby byly splněny požadavky na přesnost vysokofrekvenčních desek plošných spojů.

U povrchové úpravy jsou preferovány zlaté a stříbrné povlaky: povrch zlatého povlaku je hladký a má nízký přechodový odpor. Stříbrný povlak má dobrou elektrickou vodivost a nízké ztráty způsobené skin efektem, což ho činí vhodným pro vysokofrekvenční aplikace.

v oblasti jádra s vysokou frekvencí se vyhýbejte použití procesů OSP se špatnými antioxidačními vlastnostmi.

Tepelný design je přizpůsoben požadavkům na vysokou teplotu

Některé vysokofrekvenční substráty (např. PTFE) mají špatnou tepelnou vodivost. Je proto nutné racionálně navrhnout cestu odvodu tepla nebo použít tepelně vodivé podložky, aby se předešlo deformaci substrátu a

zhoršení výkonu způsobenému teplem generovaným výkonovými zařízeními.

Nízký útlum signálu zajišťuje kvalitu přenosu

Použitím specializovaných substrátů s nízkou dielektrickou konstantou (Dk) a nízkými dielektrickými ztrátami (Df), jako jsou PTFE a řada Rogers, lze účinně snížit ztráty energie vysokofrekvenčních signálů v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz během přenosu

minimalizovat zkreslení signálu a splnit požadavky na dlouhodistancní a vysokofrekvenční komunikaci a přenos dat.

Vysoká přesnost řízení impedance zvyšuje integritu signálu

Přesným navržením šířky vodičů, vzdálenosti mezi vodiči a tloušťky substrátu se impedance udržuje v toleranci ±3 % až ±5 %, čímž se dosahuje stabilního přizpůsobení standardním impedancím, jako jsou 50Ω/75Ω, a předchází se odrazu signálu

a vzniku stojatých vln, což zajišťuje spolehlivý provoz vysokofrekvenčních obvodů, jako jsou RF a mikrovlnné obvody.

Silná odolnost proti rušení, vhodné pro složité elektromagnetické prostředí

Optimalizovaná kabelážová struktura (například mikropáskové a páskové vedení) a vícevrstvá uzemňovací konstrukce mohou snížit parazitní kapacitu a indukčnost, stejně jako přeslechy signálů a elektromagnetické vyzařování (EMI). V kombinaci

s místním kovovým stíněním odolává vnějšímu elektromagnetickému rušení a je vhodná pro aplikace s vysokými požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu, jako jsou průmyslové řídicí zařízení a lékařské přístroje.

Vynikající přizpůsobivost prostředí, vyhovuje náročným provozním podmínkám

Vyhrazený substrát pro vysoké frekvence vyznačuje odolnost proti vysokým teplotám (nad 260 °C), odolnost proti chemické korozi a vlhkosti. V kombinaci se stabilním procesem spojování měděných fólií může udržet stabilní

výkon v náročných prostředích, jako je vibrace a cykly vysokých a nízkých teplot, a splňuje požadavky na dlouhodobý provoz automobilové a vojenské třídy

zařízení.

Podpora vysoké integrace usnadňuje miniaturizovaný návrh

Podporuje zpracování jemných šířek a vzdáleností drátů 3mil/3mil a nižších, stejně jako malé průměry děr. Umožňuje vysokou hustotu zapojení, splňuje návrhové požadavky na miniaturizované a vysoce integrované produkty, jako jsou RF

moduly a komponenty 5G základnových stanic a šetří místo zařízení.