Højfrekvens PCB'er

Et højfrekvent printkort er en type printkort, der bruger specialiserede substrater med lav dielektrisk konstant (Dk) og lav dielektrisk tab (Df), såsom PTFE og Rogers-serien. Det kræver streng impedanskontrol og optimeret layout for at reducere parasitiske parametre. Det er specielt designet til overførsel af højfrekvente signaler fra 300 MHz til 3 GHz. Højpræcise printkort med bred kompatibilitet til udstyr inden for områder som kommunikation, militærindustri, medicinsk omsorg og forbrugerelektronik.

Karakteristika for højfrekvente PCB'er

Karakteristikaene for højfrekvente kommunikationskredsløb er udformet ud fra de tre kernekrav: lav tab, høj stabilitet og interferensmodstand ved overførsel af højfrekvente signaler i området fra 300 MHz til 3 GHz. Hver karakteristik svarer til specifikke materialer, processtandarder og anvendelsesværdier. Nedenfor følger en detaljeret gennemgang:

Substratets lave tabsegenskab

Når højfrekvente signaler transmitteres, opstår energitab på grund af substratets dielektriske egenskaber. Dette er den kerneforskellen mellem højfrekvente kredsløb og almindelige PCB'er.
Nøgleparametre

· Lav dielektrisk konstant (Dk): Dielektrisk konstant bestemmer signalements hastighed. Jo lavere Dk-værdi, desto hurtigere signalements hastighed og mindre signalforsinkelse. Dk-værdien for højfrekvente PCB

substrater er typisk stabil mellem 2,2 og 4,5 (Dk for almindelige FR-4-substrater er ca. 4,6 til 4,8), og det er nødvendigt at sikre stabilitet af Dk ved forskellige temperaturer og frekvenser for at undgå signaldistortion.

· Lav dielektrisk tabstangent (Df): Df-værdien afspejler direkte energitabet for signalet i substratet. Jo lavere Df, desto mindre tab. Df-værdien for højfrekvente PCB-substrater er generelt under 0,002 (Df for

almindeligt FR-4 er ca. 0,02), hvilket effektivt reducerer signaldæmpning og er især velegnet til langdistance- og højfrekvent signaloverførsel.

Typisk substrat

·PTFE (Polytetrafluoroethylen): Dk≈2,1, Df≈0,0009, modstands høj temperatur (over 260℃), stor kemisk stabilitet, er det første valg til krævende anvendelser såsom militærindustri og satellitkommunikation.

· Rogers-serien (såsom RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, med fremragende impedansstabilitet, egnet til 5G-basestations- og RF-moduler.

· Højfrekvent epoksyharpiksplade: Lavere omkostninger, Dk≈3,5-4,0, opfylder de grundlæggende krav til RF-komponenter i forbruger-elektronik.

Højpræcisionsimpedansstyringsegenskaber

Højfrekvente signaler er ekstremt følsomme over for impedansændringer. Impedansmismatch kan forårsage signalforskydning, stående bølger og forvrængning, hvilket direkte påvirker udstyrets ydeevne.

· Impedansstyringsstandarder: De almindeligt anvendte impedansværdier for højfrekvente PCB'er er 50Ω (til RF/mikrobølgetransmission) og 75Ω (til video/koaksialkabeltransmission). Impedanstolerancen bør kontrolleres

inden for ±3 % til ±5 % (impedanstolerancen for almindelige PCB'er er typisk ±10 %).

· Implementeringsmetode: Ved præcis dimensionering af fire kerneparametre – linjebredde, linjeafstand, substrattykkelse og kobberfolietykkelse – og verificering med elektromagnetisk simuleringssoftware (som ADS, HFSS),

sikres impedankonsistens. For eksempel er impedansværdien for en mikrobølgestribestruktur direkte proportional med linjebredden og omvendt proportional med substrattykkelsen. Den skal justeres gentagne gange for at

nå målværdien.

Lave parasitiske parametre og god støjimmunitet

I højfrekvenskredsløb kan de parasitiske kapaciteter og induktanser i ledninger skabe yderligere interferenskilder, hvilket fører til signalcrosstalk eller elektromagnetisk udstråling (EMI). Derfor skal højfrekvens-PCB'er designes

og optimeres for at reducere parasitiske effekter.

Design med lave parasitiske parametre

Reducer ledningslængden, minimer omfattende routing og formindsk den parasitiske induktans;

Forøg afstanden mellem signalledninger eller brug jordede isolationsbånd for at reducere den parasitiske kapacitans;

Anvend specielle transmissionsslinjestrukturer såsom mikrobølgeledninger og båndledninger for at reducere elektromagnetisk kobling mellem signaler og omverdenen.

Modstandsdygtighed over for elektromagnetisk interferens (EMI)

Forøg antallet af jordlags for at danne en "skærmende hulrum" og blokere for ekstern elektromagnetisk interferens;

Udfør lokal afskærmning af følsomme komponenter (f.eks. RF-chips) for at reducere intern signaludstråling;

Optimer layoutet for strømforsyning og jordforbindelser for at mindske indvirkningen af støj fra strømforsyningen på højfrekvente signaler.

Udmærkede fysiske og miljømæssige tilpasningsegenskaber

Anvendelsesscenarierne for højfrekvente PCB'er ligger hovedsageligt inden for områder med strenge miljøkrav såsom industriel kontrol, sundhedspleje og militærindustri. Derfor skal basematerialet og processen opfylde

yderligere krav til fysiske egenskaber

· Højt modstandsdygtighed over for varme: Nogle basematerialer (såsom PTFE, Rogers) kan tåle temperaturer over 260 °C, hvilket opfylder kravene til reflow- og bølgesoldervidere, og samtidig er egnede til

langvarig drift af udstyr i varme miljøer.

· Kemisk modstandsdygtighed: Basematerialet skal have egenskaber som modstandsdygtighed over for syrer og baser samt fugtmodstandsdygtighed for at forhindre delaminering af basematerialet og oxidation af kobbelfolien i barske miljøer.

· Mekanisk stabilitet: Kobberfolien har en stærk forbindelsesstyrke til underlaget, hvilket gør det mindre sandsynligt, at den bukker eller deformeres, og sikrer dermed pålideligheden af udstyret under vibration og stød.

Høj fremstillingspræcisionskarakteristik

Fremstillingsteknologiens nøjagtighed for højfrekvente PCB'er er langt højere end for almindelige PCB'er. Kerneproceskravene inkluderer:

· Fint linjebredde/linjeafstand: Kan opnå linjebredder og -afstande på 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) eller endnu smallere, hvilket opfylder kravene til ledningsføring i højt tætte og højfrekvente kredsløb.

· Præcist boring: Den mindste huldiameter kan nå 0,1 mm, og hullets positionstolerance holdes inden for ±0,01 mm, hvilket undgår impedansændringer forårsaget af afvigelse i hullots placering.

· Overfladebehandling: Guldpladering og sølvpladering anvendes hovedsageligt for at reducere signalsvind på lederens overflade (skineffekten får højfrekvente signaler til at koncentrere sig på lederens overflade, og en jævn overflade

behandling kan reducere svind).

Kernemateriale

Substratet er grundlaget for højfrekvente PCB'er og påvirker direkte signalsvind og stabilitet. De almindelige typer og parametre er som følger:

Kobberfoliemateriale

Højfrekvente signaler har en skineffekt (signaler koncentreres på lederens overflade under transmission), så valget af kobberfolie skal tage højde for både ledningseffektivitet og overfladens fladhed:

Elektrolytisk kobberfolie: Lav omkostning, moderat overfladeruhed, egnet til de fleste højfrekvente PCB-scenarier;

Valset kobberfolie: Glattere overflade, mindre tab pga. skineffekt, egnet til højfrekvent og højsensitiv radiofrekvensudstyr;

Kobberfolietykkelse: Almindelige værdier er 1 oz (35 μm) eller ½ oz (17,5 μm). Tyndere kobberfolie kan reducere parasitisk induktans og er mere egnet til tæt kobling med højfrekvente ledninger.

Overfladebehandlingsmaterialer

Overfladebehandling af højfrekvente PCB'er skal reducere kontaktmodstanden, forhindre oxidation af kobberfolien og undgå at påvirke transmissionen af højfrekvente signaler

· Guldplatering (ENIG): Glat overflade, stærk oxidationstandsmodighed, lav kontaktmodstand, lille indflydelse på højfrekvent signaltab, egnet til præcise RF-interface.

· Sølgbelægning: Den har bedre elektrisk ledningsevne end guldbehandling og lavere tab, men er mere udsat for oxidation og skal derfor kombineres med en oxidationshæmmende belægning. Egnet til højfrekvente mikrobølgekredsløb.

· Organisk lodmaske (OSP): Den har lav omkostning og enkel proces, men dens modstandsdygtighed over for høj temperatur er gennemsnitlig. Egnet til højfrekvente PCB'er i forbrugerel-produkter, hvor omkostningerne er afgørende.

Kernen i højfrekvent PCB-design er at sikre signallers integritet, lavt tab og god stødimsodning ved frekvenser fra 300 MHz til 3 GHz. Det kræver streng kontrol af flere parametre såsom valg af basismateriale, impedanskontrol, komponentplacering, forbindelseslayout og jordingsafskærmning. De specifikke forholdsregler er følgende:

Præcist valg af basismaterialer

Giv fortrinsvis valg til dedikerede substrater med lav Dk (2,2-4,5) og lav Df (< 0,002) (såsom PTFE, Rogers RO4350B) og undgå brug af almindelige FR-4-substrater for at forhindre overdreven dæmpning af højfrekvente signaler.

Det er nødvendigt at bekræfte stabiliteten af Dk-værdien for substratet inden for det arbejdstemperaturens- og frekvensområde for at undgå impedansdrift forårsaget af miljømæssige ændringer.

Impedanskontrollen er streng gennem hele processen

Den tilsvarende sammenhæng mellem ledningsbredde, ledningsafstand, substrattykkelse og impedans beregnes i forvejen via elektromagnetisk simuleringssoftware (såsom ADS, HFSS). De almindeligt anvendte målimpedanser er

50Ω (til RF-overførsel) og 75Ω (til videooverførsel).

Impedanstolerancen bør holdes inden for ±3 % til ±5 %. Ved layoutet skal pludselige ændringer i ledningsbredde og retvinklede sving undgås for at forhindre signalrefleksion forårsaget af impedansdiskontinuitet.

Højfrekvente signallinjer bør så vidt muligt anbringes som overflade-mikrobølgebåndslinjer eller indre striplinjer for at reducere impedanssvingninger forårsaget af ujævn medie.

Optimer parasitiske parametre for ledningslayout

Reducer længden af højfrekvente spor: Undgå lange kredsløb, formindsk parasitisk induktans og minimer signalforsinkelse og stråling.

Forøg afstanden mellem signallinjer: Afstanden mellem højfrekvente linjer bør være ≥3 gange linjebredden, eller der bør anvendes et jordisoleringsbånd for at reducere parasitisk kapacitans og signaludveksling.

Undgå parallelle og krydsende linjer: Parallel routing er følsom over for koblingsstøj. Krydsende routing bør isoleres via en jordlag eller ved hjælp af en lodret krydsmetode.

Placering af nærliggende komponenter: Højfrekvenskomponenter såsom RF-chips, antenner og stik bør placeres tæt sammen for at reducere længden af højfrekvente stier.

Jordforbindelse og afskærmningsdesign forbedrer antistøjskapaciteten

For flerlagsprint er det anbefalelsesværdigt at prioritere designet af komplette jordlag: Jordlaget kan fungere som retursti for signaller, reducere sløjfeimpedansen og samtidig afskærme signalstøj mellem lagene.

Enkeltlagsprint bør udlægges med stort areal for at mindske jordingsmodstanden.

Lokal afskærmning af følsomme komponenter: For kernekompontenter såsom RF-forstærkere og oscillatorer kan metalafskærmninger udformes for at blokere ekstern elektromagnetisk påvirkning (EMI) og intern signaludstråling.

Adskillelse af digital jord og højfrekvensjord: Højfrekvens-signalgnd og digital kredsløbsjord skal forbindes i ét enkelt punkt for at forhindre digital støj i at koble sig på højfrekvenssignalstien.

Strømforsyning og filterdesign reducerer støj

Højfrekvenskredsløb er følsomme over for støj på strømforsyningen. Derfor bør højfrekvensfilterkondensatorer (såsom 0,1 μF keramiske kondensatorer + 10 μF tantal-kondensatorer) kobles parallelt ved strømforsyningsindgangen og

ved siden af strømforsyningspinnerne på chippen for at filtrere ud højfrekvent støj fra strømforsyningen.

Strømforsyningsledningerne bør være korte og brede for at reducere ledningsimpedansen og undgå kobling af strømforsyningsstøj med højfrekvente signaler.

Produktionsprocessen er kompatibel med overfladebehandlingen

Vælg en bearbejdningsteknologi, der understøtter fin linjebredde/linjeafstand (3 mil/3 mil og derunder) og præcist boring (huldiameter tolerance ±0,01 mm) for at opfylde præcisionskravene for højfrekvente PCB'er.

For overfladebehandling foretrækkes guldpladering og sølvpladering: Overfladen af guldpladering er jævn og har lav kontaktmodstand. Sølvpladering har god elektrisk ledningsevne og lav tab pga. skineffekt, hvilket gør det velegnet til høj-

frekvensscenarier. Undgå at bruge OSP-processer med dårlige antioxidantegenskaber i kerneområdet for høj frekvens.

Thermisk design tilpasses kravene ved høje temperaturer

Nogle højfrekvente substrater (som PTFE) har dårlig varmeledningsevne. Derfor er det nødvendigt at designe kølevejen rationelt eller anvende varmeledende tætningsmateriale for at forhindre deformation af substratet og

ydelsesnedgang forårsaget af varme fra højtydende komponenter.

Lav signaldæmpning sikrer transmissionskvalitet

Ved at bruge dedikerede substrater med lav dielektrisk konstant (Dk) og lav dielektrisk tab (Df), såsom PTFE og Rogers-serien, kan energitabet for højfrekvente signaler i området fra 300 MHz til 3 GHz under transmission effektivt

reduceres, signaldistortion undgås, og kravene til langdistance- og højfrekvenskommunikation samt dataoverførsel kan imødekommes.

Højpræcis impedanstyring forbedrer signalkvaliteten

Ved nøjagtigt at designe ledningsbredde, ledningsafstand og substrattykkelse styres impedanstolerancen inden for ±3 % til ±5 %, hvilket opnår stabil matchning af standardimpedanser såsom 50Ω/75Ω, undgår signalrefleksion

og stående bølgefænomener og sikrer pålidelig drift af højfrekvenskredsløb såsom RF og mikrobølge.

Stærk evne til at modstå interferens, egnet til komplekse elektromagnetiske miljøer

Den optimerede forbindelsesstruktur (såsom mikrobølgebånd og båndledninger) og flerlags jordforbindelsesdesign kan reducere parasitisk kapacitans og induktans samt signalkrydsning og elektromagnetisk stråling (EMI). I kombination

med lokal metalafskærmning kan den modstå ekstern elektromagnetisk påvirkning og er velegnet til scenarier med høje krav til elektromagnetisk kompatibilitet, såsom industrielle styreequipment og medicinske instrumenter.

Udmærket miljømæssig tilpasningsevne og opfylder krævende arbejdsmiljøer

Det dedikerede højfrekvens-underlag har høj modstandsstand over for varme (over 260℃), modstandsstand mod kemisk korrosion og fugt. Kombineret med en stabil kobberfolie-forbingsproces kan det opretholde stabil

ydeevne i krævende miljøer såsom vibration og høje/lave temperaturcyklusser og opfylder kravene til langvarig drift på bil- og militærniveau

udstyrets sikkerhed.<br>

Understøttelse af høj integration gør miniaturdesign muligt

Understøtter behandling af fine linjebredder og -afstande på 3mil/3mil og derunder, samt små huldiametre. Kan opnå højdensitetsforbindelser, opfylde designkravene for miniatyriserede og højt integrerede produkter såsom RF

moduler og 5G-basestationskomponenter samt spare udstyrsplads.