Hochfrequenz-Leiterplatten

Was ist eine Hochfrequenz-Leiterplatte?

Eine Hochfrequenz-Leiterplatte ist eine Art von Leiterplatte, die spezielle Substrate mit niedrigem Dielektrizitätskonstante (Dk) und geringen Dielektrizitätsverlusten (Df) verwendet, wie z. B. PTFE und die Rogers-Serie. Sie erfordert eine strenge Impedanzsteuerung und optimierte Verdrahtung, um parasitäre Parameter zu reduzieren. Sie ist speziell für Szenarien der Hochfrequenz-Signalübertragung konzipiert im Bereich von 300 MHz bis 3 GHz. Hochpräzise Leiterplatten, die weithin kompatibel sind mit Geräten in Bereichen wie Kommunikation, Militärindustrie, Medizintechnik und Unterhaltungselektronik.

Eigenschaften von Hochfrequenz-Leiterplatten

Die Eigenschaften von Hochfrequenzkommunikationsschaltungen werden anhand der drei Kernanforderungen geringer Verluste, hoher Stabilität und Störfestigkeit bei der Übertragung von Hochfrequenzsignalen im Bereich von 300 MHz bis 3 GHz ausgelegt. Jede Eigenschaft entspricht einer spezifischen Materialauswahl, Prozessstandards und Anwendungswerten. Im Folgenden eine detaillierte Aufschlüsselung:

Die geringe Verlustleistung des Substrats

Bei der Übertragung von Hochfrequenzsignalen treten Energieverluste aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des Substrats auf. Dies ist der Kernunterschied zwischen Hochfrequenzschaltungen und herkömmlichen Leiterplatten.

Schlüsselparameter

· Niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk): Die Dielektrizitätskonstante bestimmt die Signalübertragungsgeschwindigkeit. Je niedriger der Dk-Wert, desto schneller die Signalübertragung und umso geringer die Signallaufzeitverzögerung. Der Dk-Wert von Hochfrequenz-PCBs substraten liegt üblicherweise stabil zwischen 2,2 und 4,5 (der Dk von üblichen FR-4-Substraten beträgt etwa 4,6 bis 4,8), wobei es notwendig ist, die Stabilität des Dk bei unterschiedlichen Temperaturen und Frequenzen sicherzustellen, um Signalverzerrungen zu vermeiden.

· Niedrige Dielektrizitätsverlustzahl (Df): Der Df-Wert spiegelt direkt den Energieverlust des Signals im Substrat wider. Je niedriger der Df-Wert, desto geringer der Verlust. Der Df-Wert von Hochfrequenz-PCB-Substraten liegt im Allgemeinen unter 0,002 (der Df von herkömmlichem FR-4 beträgt etwa 0,02), was eine wirksame Verringerung der Signaldämpfung ermöglicht und sich besonders für die langstreckige und hochfrequente Signalübertragung eignet.

Typisches Substrat

· PTFE (Polytetrafluoroethylen): Dk ≈ 2,1, Df ≈ 0,0009, hitzebeständig (über 260 °C), hohe chemische Stabilität, erste Wahl für anspruchsvolle Anwendungen wie Militärindustrie und Satellitenkommunikation.

· Rogers-Serie (wie RO4350B): Dk ≈ 3,48, Df ≈ 0,0037, mit hervorragender Impedanzstabilität, geeignet für 5G-Basisstationen und HF-Module.

· Hochfrequenz-Epoxidharzplatte: Geringere Kosten, Dk ≈ 3,5–4,0, erfüllt die grundlegenden Anforderungen an HF-Komponenten in Consumer-Elektronik.

Hochpräzise Impedanzsteuerungseigenschaften

Hochfrequenzsignale sind äußerst empfindlich gegenüber Impedanzänderungen. Eine Impedanzanpassung kann zu Signalreflexionen, stehenden Wellen und Verzerrungen führen und beeinträchtigt dadurch direkt die Leistungsfähigkeit der Geräte.

· Impedanzsteuerungsstandards: Die üblichen Impedanzwerte für hochfrequente Leiterplatten sind 50Ω und 75Ω. Die Impedanz-Toleranz sollte innerhalb von ±3 % bis ±5 % gehalten werden. innerhalb ±3 % bis ±5 %.

· Umsetzungsmethode: Durch die präzise Gestaltung von vier Kernparametern – Leiterbahnbreite, Leiterabstand, Substratdicke und Kupferfoliendicke – und deren Überprüfung mittels elektromagnetischer Simulationssoftware, wird die Impedanzkonsistenz sichergestellt. Beispielsweise ist der Impedanzwert einer Mikrostreifenleiteranordnung direkt proportional zur Leiterbahnbreite und umgekehrt proportional zur Substratdicke. Es ist eine mehrfache Anpassung erforderlich, um den Zielwert zu erreichen.

Geringe parasitäre Parameter und Störfestigkeit

In Hochfrequenzschaltungen können die parasitären Kapazitäten und Induktivitäten von Leitungen zusätzliche Störquellen erzeugen, was zu Signalübersprechen oder elektromagnetischer Abstrahlung (EMI) führen kann. Daher müssen Hochfrequenz-Leiterplatten entworfen und optimiert werden, um parasitäre Effekte zu reduzieren.

Design mit geringen parasitären Parametern

· Verkürzen Sie die Leiterbahnlänge, vermeiden Sie Umwege und verringern Sie die parasitäre Induktivität;

· Erhöhen Sie den Abstand zwischen Signalbahnen oder verwenden Sie geerdete Isolationsbänder, um parasitäre Kapazität zu reduzieren;

· Es werden spezielle Übertragungsleitungsstrukturen wie Mikrostreifenleitungen und Bandkabelleitungen eingesetzt, um die elektromagnetische Kopplung zwischen Signalen und der Außenwelt zu verringern;

Fähigkeit zur Abwehr elektromagnetischer Störungen (EMV)

· Erhöhen Sie die Anzahl der Erdungsschichten, um einen „Abschirmungshohlraum“ zu bilden und externe elektromagnetische Störungen zu blockieren;

· Lokale Abschirmung empfindlicher Bauteile durchführen, um interne Signalstrahlung zu reduzieren;

· Optimierung der Stromversorgungs- und Masseanordnung, um die Auswirkungen von Stromversorgungsrauschen auf Hochfrequenzsignale zu verringern.

Ausgezeichnete physikalische und umweltbedingte Anpassungsfähigkeit

Die Anwendungsszenarien von Hochfrequenz-Leiterplatten liegen hauptsächlich in Bereichen mit strengen Umweltanforderungen wie der Industriesteuerung, Medizintechnik und der Militärindustrie. Daher müssen das Basismaterial und der Herstellungsprozess zusätzliche physikalische Leistungsanforderungen erfüllen

· Hohe Temperaturbeständigkeit: Einige Basismaterialien widerstandstemperaturen über 260 °C, erfüllen die Verarbeitungsanforderungen von Reflow-Löten und Wellenlöten und sind gleichzeitig geeignet für den Langzeiteinsatz von Geräten in Hochtemperaturumgebungen geeignet sind.

· Chemikalienbeständigkeit: Das Basismaterial muss über die Eigenschaften der Säure- und Alkalibeständigkeit sowie Feuchtigkeitsbeständigkeit verfügen, um Ablösungen des Basismaterials und Oxidation der Kupferfolie in rauen Umgebungen zu verhindern.

· Mechanische Stabilität: Die Kupferfolie weist eine starke Haftkraft mit dem Substrat auf, wodurch Verziehen oder Verformen unwahrscheinlicher wird und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung unter Vibration und Stoßbedingungen gewährleistet bleibt.

Hohe Fertigungsgenauigkeit

Die Genauigkeit der Verarbeitungstechnologie von Hochfrequenz-Leiterplatten ist deutlich höher als bei herkömmlichen Leiterplatten. Zu den zentralen Prozessanforderungen gehören:

· Feine Leiterbahnbreite/Leiterabstand: Es können Leiterbahnbreiten und -abstände von 3mil/3mil (0,076mm/0,076mm) oder sogar geringer erreicht werden, um die Verdrahtungsanforderungen von hochdichten und hochfrequenten Schaltungen zu erfüllen.

· Präzises Bohren: Der minimale Bohrungsdurchmesser kann 0,1 mm erreichen, und die Bohrpositionstoleranz liegt innerhalb von ±0,01 mm, wodurch Impedanzänderungen durch Bohrpositionsabweichungen vermieden werden.

· Oberflächenbehandlung: Zur Verringerung des Signalverlusts auf der Leiteroberfläche kommen überwiegend Gold- und Silberbeschichtungsverfahren zum Einsatz .

Kernsubstrat

Das Substrat ist die Grundlage von Hochfrequenz-Leiterplatten und beeinflusst direkt den Signalübertragungsverlust und die Stabilität. Die gängigsten Typen und Parameter sind wie folgt:

Kupferfolienmaterial

Hochfrequente Signale zeigen den Skineffekt, daher muss bei der Auswahl der Kupferfolie sowohl die Leitungseffizienz als auch die Oberflächenflachheit berücksichtigt werden:

· Elektrolytische Kupferfolie: Geringe Kosten, moderate Oberflächenrauheit, geeignet für die meisten Hochfrequenz-PCB-Anwendungen;

· Gewalzte Kupferfolie: Glatte Oberfläche, geringerer Skineffektverlust, geeignet für hochfrequente und hochsensible Hochfrequenzgeräte;

· Kupferfolienstärke: Üblich sind 1oz (35μm) oder ½oz (17,5μm). Dünne Kupferfolien reduzieren parasitäre Induktivität und eignen sich besser für hochdichte Hochfrequenzverbindungen.

Oberflächenbehandlungsmaterialien

Die Oberflächenbehandlung von Hochfrequenz-Leiterplatten muss den Kontaktwiderstand verringern, die Oxidation der Kupferfolie verhindern und Beeinträchtigungen der Hochfrequenzsignalübertragung vermeiden

· Vergoldung (ENIG): Glatte Oberfläche, hohe Oxidationsbeständigkeit, geringer Kontaktwiderstand, geringer Einfluss auf Hochfrequenz-Signalverluste, geeignet für hochpräzise RF-Schnittstellen.

· Versilberung: Sie weist eine bessere elektrische Leitfähigkeit als Vergoldung und geringere Verluste auf, neigt jedoch zur Oxidation und muss mit einer Anti-Oxidationsbeschichtung kombiniert werden. Geeignet für Hochfrequenz-Mikrowellenschaltungen.

· Organische Lötmaske (OSP): Sie ist kostengünstig und hat einen einfachen Herstellungsprozess, aber ihre Hochtemperaturbeständigkeit ist durchschnittlich. Geeignet für Hochfrequenz-PCBs in Consumer-Elektronik, bei denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen.

Geringe Signaldämpfung gewährleistet die Übertragungsqualität

Durch die Verwendung spezieller Substrate mit niedrigem Dielektrizitätskonstante (Dk) und niedrigem dielektrischen Verlust (Df), wie PTFE und Rogers-Serie, kann der Energieverlust von Hochfrequenzsignalen im Bereich von 300 MHz bis 3 GHz während der Übertragung effektiv reduziert werden, Signalverzerrungen können vermieden werden, und die Anforderungen an Langstrecken- und Hochfrequenzkommunikation sowie Datenübertragung können erfüllt werden.

Hochpräzise Impedanzsteuerung verbessert die Signalintegrität

Durch die genaue Auslegung von Leiterbahnbreite, Leiterabstand und Substratdicke wird die Impedanztoleranz innerhalb von ±3 % bis ±5 % gehalten, wodurch eine stabile Anpassung an Standardimpedanzen wie 50Ω/75Ω erreicht wird, Signalreflexionen und stehende Wellenphänomene vermieden werden und der zuverlässige Betrieb von Hochfrequenzschaltungen wie HF- und Mikrowellenschaltungen sichergestellt ist.

Starke Störfestigkeit, geeignet für komplexe elektromagnetische Umgebungen

Die optimierte Verdrahtungsstruktur (wie Mikrostreifenleitungen und Bandkabel) und das mehrschichtige Erdungsdesign können parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten sowie Signalübersprechen und elektromagnetische Abstrahlung (EMI) reduzieren. In Kombination mit lokaler metallischer Abschirmung kann es externe elektromagnetische Störungen abwehren und eignet sich für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit, wie beispielsweise industrielle Steuergeräte und medizinische Instrumente.

Hervorragende Umweltverträglichkeit und geeignet für raue Betriebsbedingungen

Das spezielle Hochfrequenz-Substrat zeichnet sich durch hohe Temperaturbeständigkeit (über 260 °C), chemische Beständigkeit gegen Korrosion und Feuchtigkeitsresistenz aus. In Kombination mit einem stabilen Kupferfolien-Bondverfahren kann es eine stabile leistung in rauen Umgebungen wie Vibration sowie Hoch- und Tieftemperaturzyklen aufrechterhalten und erfüllt die Anforderungen an Langzeitbetrieb nach Automobil- und Militärstandard ausrüstung.

Unterstützung hoher Integration ermöglicht miniaturisierte Designs

Unterstützt die Verarbeitung feiner Leiterbahnbreiten und -abstände von 3 mil / 3 mil und darunter sowie kleine Bohrungsdurchmesser. Ermöglicht eine hochdichte Verdrahtung und erfüllt die Konstruktionsanforderungen miniaturisierter und hochintegrierter Produkte wie HF module und Komponenten für 5G-Basisstationen und sparen Geräteplatz ein.