Desky plošných spojů pro vysoké kmitočty

Co je vysokofrekvenční deska plošných spojů?

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 vysokofrekvenčních desek plošných spojů 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 vysokofrekvenčních desek plošných spojů je obecně nižší než 0,002 (hodnota Df u 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 (polytetrafluorethylén): Dk ≈ 2,1, Df ≈ 0,0009, odolnost proti vysokým teplotám (nad 260 °C), vysoká chemická stabilita, první volba pro náročné aplikace jako vojensý průmysl a satelitní komunikace.

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

· Vysokofrekvenční deska z epoxidové pryskyřice: Nižší náklady, Dk ≈ 3,5–4,0, splňuje základní požadavky na RF komponenty 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: Běžně používané hodnoty impedance pro vysokofrekvenční desky plošných spojů jsou 50 Ω a 75 Ω. Tolerance impedance by měla být udržována v rozmezí ±3 % až ±5 %.

· Realizační metoda: Přesným navržením čtyř základních parametrů – šířky vodiče, vzdálenosti mezi vodiči, tloušťky substrátu a tloušťky měděné fólie – a jejich ověřením pomocí softwaru pro elektromagnetickou simulaci 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 vodičů, minimalizovat obíhající trasování a snížit parazitní indukčnost;

· Zvětšit vzdálenost mezi signálními linkami nebo použít uzemňovací izolační pásy ke snížení parazitní kapacity;

· Použít speciální struktury přenosových linek, jako jsou mikropáskové a páskové linky, 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 interference;

· Provést lokální stínění citlivých součástek za účelem snížení vnitřního vyzařování signálů;

· Optimalizovat uspořádání napájení a uzemnění za účelem snížení vlivu 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 vydrží teploty nad 260 °C, čímž splňují požadavky procesů spojování jako je pájení přetavením i vlnou, a zároveň jsou vhodné pro dlouhodobý provoz zařízení ve vysokoteplotním prostředí.

· Odolnost vůči chemii: Základní materiál musí mít vlastnosti odolnosti vůči kyselinám, zásadám a vlhkosti, aby se v nepříznivém prostředí zabránilo vrstvení materiálu a oxidaci měděné fólie.

· Mechanická stabilita: Měděná fólie má silnou adhezi k substrátu, což snižuje riziko zkreslení 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/vzdálenost mezi vedeními: Umožňuje dosažení šířky vedení a vzdáleností 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) nebo ještě menších hodnot, čímž splňuje požadavky zapojení pro vysokohustotní a vysokofrekvenční obvody.

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

· Povrchová úprava: Procesy zlatého a stříbrného povlaku jsou zpravidla uplatňovány za účelem snížení ztrát signálu na povrchu vodiče .

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, proto při výběru měděné fólie je třeba vzít v úvahu jak vodivou účinnost, tak i povrchovou rovinnost:

· Elektrolytická měděná fólie: Nízká cena, střední povrchová drsnost, vhodná pro většinu vysokofrekvenčních scénářů s plošnými spoji;

· Válcovaná měděná fólie: Hladší povrch, menší ztráty způsobené skin efektem, vhodné pro vysokofrekvenční a vysoce citlivá rádiová zařízení;

· Tloušťka měděné fólie: Běžně používané jsou 1 unce (35 μm) nebo ½ unce (17,5 μm). Tenká měděná fólie snižuje 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.

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.