Κάρτες υψηλής συχνότητας

Τι είναι ένα κύκλωμα υψηλής συχνότητας;

Το κύκλωμα υψηλής συχνότητας PCB είναι ένας τύπος PCB που χρησιμοποιεί ειδικά υποστρώματα με χαμηλή διηλεκτρική σταθερά (Dk) και χαμηλή απώλεια διηλεκτρικού (Df), όπως PTFE και σειρά Rogers. Απαιτεί αυστηρό έλεγχο σύνθετης αντίστασης και βελτιστοποιημένη εγκατάσταση καλωδίωσης για τη μείωση παρασιτικών παραμέτρων. Σχεδιάζεται ειδικά για σενάρια μετάδοσης σημάτων υψηλής συχνότητας που κυμαίνονται από 300 MHz έως 3 GHz. Τα υψηλής ακρίβειας πλακέτες κυκλωμάτων είναι ευρέως συμβατές με εξοπλισμό σε τομείς όπως οι επικοινωνίες, η στρατιωτική βιομηχανία, η ιατρική περίθαλψη και ηλεκτρονικά καταναλωτή.

Χαρακτηριστικά των PCB υψηλής συχνότητας

Τα χαρακτηριστικά των κυκλωμάτων επικοινωνίας υψηλής συχνότητας σχεδιάζονται με βάση τις τρεις βασικές απαιτήσεις: χαμηλές απώλειες, υψηλή σταθερότητα και αντοχή σε παρεμβολές κατά τη μετάδοση σημάτων υψηλής συχνότητας που κυμαίνονται από 300 MHz έως 3 GHz. Κάθε χαρακτηριστικό αντιστοιχεί σε συγκεκριμένες επιλογές υλικών, πρότυπα διεργασιών και εφαρμογές. Παρακάτω ακολουθεί λεπτομερής ανάλυση:

Το χαρακτηριστικό χαμηλών απωλειών του υποστρώματος

Όταν μεταδίδονται υψίσυχνα σήματα, εμφανίζεται απώλεια ενέργειας λόγω των διηλεκτρικών ιδιοτήτων του υποστρώματος. Αυτή είναι η βασική διαφορά μεταξύ κυκλωμάτων υψίσυχνης συχνότητας και συνηθισμένων PCB.

Κύριες παράμετροι

· Χαμηλή σταθερά διηλεκτρικής (Dk): Η διηλεκτρική σταθερά καθορίζει την ταχύτητα μετάδοσης του σήματος. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή Dk, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα μετάδοσης του σήματος και τόσο μικρότερη η καθυστέρηση του σήματος. Η τιμή Dk των υψίσυχνων PCB συνήθως παραμένει σταθερή μεταξύ 2,2 και 4,5 (η Dk των συνηθισμένων υποστρωμάτων FR-4 είναι περίπου 4,6 έως 4,8), και είναι απαραίτητο να διασφαλίζεται η σταθερότητα της Dk σε διαφορετικές θερμοκρασίες και συχνότητες για να αποφεύγεται η παραμόρφωση σήματος.

· Χαμηλή εφαπτομένη απωλειών διηλεκτρικού (Df): Η τιμή Df αντικατοπτρίζει άμεσα την απώλεια ενέργειας του σήματος στο υπόστρωμα. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή Df, τόσο μικρότερη είναι η απώλεια. Η τιμή Df των υποστρωμάτων υψίσυχνων PCB είναι γενικά μικρότερη του 0.002 (η τιμή Df του η συνήθης FR-4 είναι περίπου 0,02), το οποίο μπορεί αποτελεσματικά να μειώσει την εξασθένιση του σήματος και είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για μετάδοση σήματος μεγάλης απόστασης και υψηλής συχνότητας.

Τυπικό υπόστρωμα

· PTFE (Πολυτετραφθοροαιθυλένιο): Dk≈2,1, Df≈0,0009, ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 260℃), ισχυρή χημική σταθερότητα, αποτελεί την πρώτη επιλογή για εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων όπως στη στρατιωτική βιομηχανία και τις δορυφορικές επικοινωνίες.

· Σειρά Rogers (π.χ. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, με εξαιρετική σταθερότητα σύνθετης αντίστασης, κατάλληλο για σταθμούς βάσης 5G και RF μονάδες.

· Υψίσυχνος πίνακας εποξειδικής ρητίνης: Χαμηλότερο κόστος, Dk≈3,5-4,0, ικανοποιεί τις βασικές απαιτήσεις των RF εξαρτημάτων στα ηλεκτρονικά καταναλωτή.

Χαρακτηριστικά υψηλής ακρίβειας ελέγχου σύνθετης αντίστασης

Τα σήματα υψηλής συχνότητας είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις αλλαγές της σύνθετης αντίστασης. Η ανισοκατανομή σύνθετης αντίστασης μπορεί να προκαλέσει ανάκλαση σήματος, στάσιμα κύματα και παραμόρφωση, επηρεάζοντας άμεσα την απόδοση του εξοπλισμού.

· Πρότυπα ελέγχου σύνθετης αντίστασης: Οι συνήθως χρησιμοποιούμενες τιμές σύνθετης αντίστασης για υψηλής συχνότητας PCBs είναι 50Ω και 75Ω. Η ανοχή σύνθετης αντίστασης πρέπει να ελέγχεται εντός ±3% έως ±5%.

· Μέθοδος υλοποίησης: Μέσω του ακριβούς σχεδιασμού τεσσάρων βασικών παραμέτρων — πλάτους γραμμής, απόστασης μεταξύ γραμμών, πάχους υποστρώματος και πάχους φύλλου χαλκού — και της επαλήθευσής τους με λογισμικό προσομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, εξασφαλίζεται η συνέπεια της σύνθετης αντίστασης. Για παράδειγμα, η τιμή σύνθετης αντίστασης μιας δομής γραμμής μικροταινίας είναι ανάλογη του πλάτους γραμμής και αντιστρόφως ανάλογη του πάχους υποστρώματος. Απαιτείται επανειλημμένη ρύθμιση για να επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή.

Χαμηλές παρασιτικές παράμετροι και χαρακτηριστικά αντοχής σε παρεμβολές

Σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, η παρασιτική χωρητικότητα και η επαγωγικότητα των αγωγών μπορεί να δημιουργήσει επιπλέον πηγές παρεμβολών, οδηγώντας σε διασυνδέσεις σημάτων ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (EMI). Γι' αυτό, τα PCB υψηλής συχνότητας πρέπει να σχεδιάζονται και βελτιώνονται για να μειωθούν τα παρασιτικά φαινόμενα.

Σχεδιασμός με χαμηλές παρασιτικές παραμέτρους

· Μειώστε το μήκος των αγωγών, μειώστε τις περιττές διαδρομές και μειώστε την παρασιτική αυτεπαγωγή·

· Αυξήστε την απόσταση μεταξύ των γραμμών σήματος ή χρησιμοποιήστε ζώνες γείωσης για να μειώσετε την παρασιτική χωρητικότητα·

· Ειδικές δομές γραμμών μετάδοσης όπως οι γραμμές microstrip και οι ταινιακές γραμμές χρησιμοποιούνται για να μειωθεί η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη μεταξύ των σημάτων και του εξωτερικού κόσμου.

Ικανότητα αντίστασης σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI)

· Αύξηση του αριθμού των επιπέδων γείωσης ώστε να δημιουργηθεί μια "θωράκιση κοιλότητα" και να αποκλειστεί η εξωτερική ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή·

· Εφαρμόστε τοπική θωράκιση σε ευαίσθητα εξαρτήματα για μείωση της εσωτερικής ακτινοβολίας σημάτων·

· Βελτιστοποίηση της διαδοχής της τροφοδοσίας και της γείωσης για να μειωθεί η επίδραση του θορύβου της τροφοδοσίας στα υψηλής συχνότητας σήματα.

Εξαιρετικά χαρακτηριστικά φυσικής και περιβαλλοντικής προσαρμοστικότητας

Οι εφαρμογές υψίσυχνων PCB βρίσκονται κυρίως σε τομείς με αυστηρές απαιτήσεις περιβάλλοντος, όπως ο αυτοματισμός, η υγεία και η στρατιωτική βιομηχανία. Επομένως, το υλικό βάσης και η διαδικασία πρέπει να πληρούν επιπλέον απαιτήσεις φυσικής απόδοσης

· Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες: Κάποια υλικά υποστρώματος αντέχουν θερμοκρασίες άνω των 260℃, πληρούν τις απαιτήσεις επεξεργασίας για συγκόλληση με αναρρόφηση (reflow) και κυματική συγκόλληση, και είναι επίσης κατάλληλα για τη μακροχρόνια λειτουργία εξοπλισμού σε περιβάλλοντα υψηλών θερμοκρασιών.

· Αντοχή σε χημικά: Το υλικό υποστρώματος πρέπει να διαθέτει χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας σε οξέα, αλκάλια και υγρασία, ώστε να αποφεύγεται η αποφλοίωση του υποστρώματος και η οξείδωση του φύλλου χαλκού σε δύσκολα περιβάλλοντα.

· Μηχανική σταθερότητα: Το φύλλο χαλκού έχει ισχυρή δεσμευτική δύναμη με το υπόστρωμα, κάνοντας λιγότερο πιθανό να στρεβλωθεί ή να παραμορφωθεί, εξασφαλίζοντας την αξιοπιστία του εξοπλισμού υπό συνθήκες κραδασμών και κραδασμών.

Χαρακτηριστικά υψηλής ακρίβειας κατασκευής

Η ακρίβεια της τεχνολογίας κατεργασίας των υψηλής συχνότητας PCBs είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των συνηθισμένων PCBs. Οι βασικές απαιτήσεις διαδικασίας περιλαμβάνουν:

· Λεπτό πλάτος γραμμής/διαστήμα γραμμής: Μπορεί να επιτύχει πλάτη και διαστήματα γραμμής 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) ή ακόμα λεπτότερα, πληρούντας τις απαιτήσεις καλωσίωσης κυκλωμάτων υψηλής πυκνότητας και υψηλής συχνότητας.

· Ακριβής διάτρηση: Η ελάχιστη διάμετρα οπής μπορεί να φτάσει τα 0,1 mm, και η ανοχή θέσης οπής ελέγχεται εντός ±0,01 mm, αποφεύγοντας τις αλλαγές αντίστασης που προκαλούνται από απόκλιση θέσης οπής.

· Επεξεργασία επιφάνειας: Οι διαδικασίες επίχρισησης και επιμένυσης χρησιμοποιούνται κυρίως για να μειώσουν τις απώλειες σήματος στην επιφάνεια του αγωγού .

Υπόστρωμα πυρήνα

Το υπόστρωμα είναι η βάση των υψίσυχνων PCBs και επηρεάζει άμεσα τις απώλειες μετάδοσης σήματος και τη σταθερότητα. Οι κύριοι τύποι και παράμετροι είναι οι ακόλουθοι:

Υλικό φύλλου χαλκού

Τα υψηλής συχνότητας σήματα έχουν το φαινόμενο του δέρματος, οπότε η επιλογή του φύλλου χαλκού πρέπει να λάβει υπόψη τόσο την αγώγιμη απόδοση όσο και την επιφανειακή επίπεδητητα:

· Ηλεκτρολυτικό φύλλο χαλκού: Χαμηλό κόστος, μέτρια τραχύτητα επιφάνειας, κατάλληλο για τις περισσότερες καταστάσεις υψηλής συχνότητας PCB·

· Κυλισμένο φύλλο χαλκού: Ομαλότερη επιφάνεια, μικρότερες απώλειες λόγω φαινομένου κεραύνου, κατάλληλη για εξοπλισμό ραδιοσυχνοτήτων υψηλής συχνότητας και υψηλής ευαισθησίας·

· Πάχος χάλκου: Συνήθως χρησιμοποιούνται 1oz (35μm) ή ½oz (17,5μm). Λεπτότερο χαλκοφύλλιο μπορεί να μειώσει την παρασιτική αυτεπαγωγή και είναι πιο κατάλληλο για υψηλής πυκνότητας καλωσίωση υψηλής συχνότητας.

Υλικά επιφανειακής επεξεργασίας

Η επιφανειακή επεξεργασία των PCBs υψηλής συχνότητας πρέπει να μειώνει την επαφική αντίσταση, να προλαμβάνει την οξείδωση του φύλλου χαλκού και να αποφεύγει τη διαταραχή της μετάδοσης των σημάτων υψηλής συχνότητας.

· Επίχρυση (ENIG): Λεία επιφάνεια, ισχυρή αντίσταση στην οξείδωση, χαμηλή αντίσταση επαφής, μικρή επίδραση στην απώλεια υψηλής συχνότητας, κατάλληλο για υψηλής ακριβείας RF διεπαφές.

· Επίχρυση: Έχει καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από την επίχρυση και χαμηλότερες απώλειες, αλλά είναι ευάλωτη στην οξείδωση και χρειάζεται να συνδυαστεί με επίστρωση αντίστασης οξείδωσης. Κατάλληλο για κυκλώματα υψηλής συχνότητας μικροκυμάτων.

· Οργανική μάσκα κολλαδιού (OSP): Έχει χαμηλό κόστος και απλή διαδικασία, αλλά η αντοχή της στις υψηλές θερμοκρασίες είναι μέτρια. Κατάλληλη για PCBs υψηλής συχνότητας σε ηλεκτρονικά καταναλωτή που είναι ευαίσθητα στο κόστος.

Η χαμηλή εξασθένιση σήματος εξασφαλίζει την ποιότητα μετάδοσης

Χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα υποστρώματα με χαμηλή διηλεκτρική σταθερά (Dk) και χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες (Df), όπως PTFE και σειρά Rogers, η απώλεια ενέργειας των υψίσυχνων σημάτων που κυμαίνονται από 300 MHz έως 3 GHz κατά τη μετάδοση μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά να αποφεύγεται η παραμόρφωση του σήματος και να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις για μακρινή και υψίσυχνη επικοινωνία και μετάδοση δεδομένων.

Η υψηλής ακρίβειας έλεγχος σύνθετης αντίστασης βελτιώνει την ακεραιότητα του σήματος

Με ακριβή σχεδίαση του πλάτους, της απόστασης μεταξύ των γραμμών και του πάχους του υποστρώματος, η ανοχή σύνθετης αντίστασης ελέγχεται εντός ±3% έως ±5%, επιτυγχάνοντας σταθερή ταίριασμα με τις τυπικές σύνθετες αντιστάσεις όπως 50Ω/75Ω, αποφεύγοντας την ανάκλαση του σήματος και τα φαινόμενα στάσιμου κύματος, και διασφαλίζοντας την αξιόπιστη λειτουργία υψίσυχνων κυκλωμάτων όπως RF και μικροκύματα.

Ισχυρή αντοχή σε παρεμβολές, κατάλληλο για πολύπλοκα ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλοντα

Η βελτιστοποιημένη δομή καλωδίωσης (όπως οι μικροταινίες και οι ταινιακές γραμμές) και ο σχεδιασμός πολλαπλών επιπέδων γείωσης μπορούν να μειώσουν την παρασιτική χωρητικότητα και την επαγωγή, καθώς και την παρεμβολή σημάτων και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (EMI). Σε συνδυασμό με τοπική μεταλλική θωράκιση, μπορεί να αντισταθεί σε εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και είναι κατάλληλο για σενάρια με υψηλές απαιτήσεις ως προς την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα, όπως εξοπλισμός βιομηχανικού ελέγχου και ιατρικά όργανα.

Εξαιρετική προσαρμοστικότητα στο περιβάλλον, πληροί απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας

Το ειδικό υπόστρωμα υψηλής συχνότητας διαθέτει ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (πάνω από 260℃), ανθεκτικότητα σε χημική διάβρωση και ανθεκτικότητα στην υγρασία. Σε συνδυασμό με μια σταθερή διαδικασία σύνδεσης χαλκού, μπορεί να διατηρήσει σταθερή απόδοση σε απαιτητικά περιβάλλοντα όπως δόνηση και κύκλοι υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας, πληροί τις απαιτήσεις για μακροχρόνια λειτουργία σε αυτοκινητιστικές και στρατιωτικές προδιαγραφές του εξοπλισμού.

Υποστήριξη υψηλής ενσωμάτωσης που διευκολύνει τον ελαχιστοποιημένο σχεδιασμό

Υποστηρίζει την επεξεργασία λεπτών γραμμών και αποστάσεων 3mil/3mil και κάτω, καθώς και μικρές διαμέτρους οπών. Μπορεί να επιτύχει υψηλή πυκνότητα καλωδίωσης, πληρούντας τις απαιτήσεις σχεδίασης μικροσκοπικών και υψηλά ενσωματωμένων προϊόντων όπως RF μονάδες και συστατικά σταθμών βάσης 5G, και εξοικονομώντας χώρο εξοπλισμού.