Kõrge sagedusega PCB-d

Kõrgsageduslik trükkplaat on trükkplaat, mis kasutab eriotstarbelisi aluseid madala dielektrilise konstandiga (Dk) ja madala dielektrilise kaotusega (Df), nagu PTFE ja Rogersi seeria. Sellel on vajalik range takistuse kontroll ja optimeeritud juhtmete paigutus parasitaarsete parameetrite vähendamiseks. See on eriti mõeldud kõrgsageduslike signaalide edastamise stsenaariumideks vahemikus 300 MHz kuni 3 GHz. Kõrge täpsusega trükkplaat on laialdaselt ühilduv side, sõjatööstuse, meditsiini hooldus ja tarbeelektroonika valdkonnas kasutatava seadmega.

Kõrgsageduslike trükkplaatide omadused

Kõrgsageduslike sideahelate omadused on disainitud kolme tuumnõude ümber: madal kaotus, kõrge stabiilsus ja häirimiskindlus kõrgsageduslike signaalide edastamisel vahemikus 300 MHz kuni 3 GHz. Iga omadus vastab konkreetsele materjali valikule, protsessistandarditele ja rakendusväärtustele. Järgneb üksikasjalik ülevaade:

Alusmaterjali väikese kaotuse omadus

Kui kõrgsageduslikke signaale edastatakse, tekib dielektriliste omaduste tõttu energiakaotus. See on kõrgsageduslike ahelate ja tavapäraste trükkplaatide vahelise tuumierinevuse.
PEAMISED PARAMEETRID

· Madal dielektriline konstant (Dk): Dielektriline konstant määrab signaali edastuskiiruse. Mida madalam on Dk väärtus, seda kiirem on signaali edastuskiirus ja seda väiksem on signaalide viivitus. Kõrgsageduslike PCB-de

aluspindade Dk väärtus on tavaliselt stabiilne vahemikus 2,2 kuni 4,5 (tavaliste FR-4 aluspindade Dk on umbes 4,6 kuni 4,8) ning on vaja tagada Dk stabiilsus erinevates temperatuurides ja sagedustes, et vältida signaali moonutusi.

· Madal dielektriline kaotustegur (Df): Df väärtus peegeldab otse signaalienergia kadu aluspinnas. Mida madalam on Df, seda väiksem on kaotus. Kõrgsageduslike PCB aluspindade Df väärtus on üldiselt väiksem kui 0,002 (tavalise FR-4

df on umbes 0,02), mis võimaldab tõhusalt vähendada signaali nõrgenemist ja on eriti sobiv pika maa- ja kõrgsageduslike signaalide edastamiseks.

Tüüpiline alusmaterjal

· PTFE (polütetrafluoreetleen): Dk≈2,1, Df≈0,0009, kõrge temperatuurikindlus (üle 260 °C), tugev keemiline stabiilsus, on esmavalik kõrgnõudlikeks rakendusteks nagu sõjatööstus ja satelliidiseotlus.

· Rogersi seeria (nt RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, suurepärase takistuse stabiilsusega, sobib 5G baasjaamade ja RF-moodulite jaoks.

· Kõrgsageduslik epoksiidi plokk: Madalama hinnaga, Dk≈3,5–4,0, vastab tarbijaelektronikaseadmete RF-komponentide põhihingamustele.

Kõrge täpsusega takistuse juhtimisomadused

Kõrgsageduslikud signaalid on väga tundlikud takistuse muutustele. Takistuse mittevastavus võib põhjustada signaali peegeldumise, seismilised lained ja moonutuse, mis mõjutab otse seadme toimivust.

· Takistuse juhtimise standardid: Kõrgsageduslike plaatide jaoks kasutatakse tavaliselt 50 Ω (RF/mikrolainete edastamiseks) ja 75 Ω (video/koaksiaalkaabli edastamiseks). Takistuse lubatud kõikumine tuleb piirata

sisuliselt ±3% kuni ±5% (tavalise takistusväärtusega PCBde jaoks on tavaliselt ±10%).

· Rakendusmeetod: täpne nelja tuumaparameetri – juhtme laius, juhtmete vahekaugus, substraadi paksus ja vasefuoli paksus – projekteerimine ning nende kinnitus elektromagnetilise simulatsioonitarkvara abil (näiteks ADS, HFSS),

tagamaks takistusväärtuse järjepidevust. Näiteks mikrolindi struktuuri takistusväärtus on otseses proportsioonis juhtme laiusega ja pöördproportsioonis substraadi paksusega. Selle saavutamiseks tuleb seda korduvalt kohandada, et

saavutada sihitud väärtus.

Madalad parasiitsed parameetrid ja häiringukindlus

Kõrgsageduslike ahelate puhul võivad juhtmete parasiitne mahtuvus ja induktiivsus tekitada lisahäireid, mis viivad signaali ülekandele või elektromagnetkiirgusele (EMI). Seetõttu tuleb kõrgsageduslikke PCB-sid projekteerida

ja optimeerida parasiitefektide vähendamiseks.

Madalate parasiitsete parameetrite disain

Lühendage juhtme pikkust, vähendage kaudset marsruutimist ja alandage parasiitinduktiivsust;

Suurendage signaallülituste vahemikku või kasutage maandusisoleerimisriba parasiitmahtuvuse vähendamiseks;

Vähendamaks elektromagnetilist sidet signaalide ja välismaailma vahel, kasutatakse erilisi edastusliinide struktuure, nagu mikrolindid ja lintliinid.

Vastupanu elektromagnetilisele häiringule (EMI)

Suurendage maanduskihtide arvu, et moodustada "kaitsekurv", mis takistab välist elektromagnetilist häiringut;

Teostage kaitset tundlike komponentide (nt RF-mikroskeemide) puhul kohalikul tasandil, et vähendada sisemist signaalikiirgust;

Optimeerige toiteallika ja maanduse paigutust, et vähendada toiteallika müra mõju kõrgsageduslikele signaalidele.

Erakordne füüsiline ja keskkonnaga kohanemise võime

Kõrge sagedusega printplaatide rakendusscenaariumid asuvad peamiselt rangete keskkonnanõuetega valdkondades, nagu tööstusjuhtimine, meditsiin ja sõjatööstus. Seetõttu peab alusmaterjal ja protsess vastama

lisafüüsilistele jõudluse nõuetele

· Kuumakindlus: Mõned alusmaterjalid (nagu PTFE, Rogers) suudavad taluda temperatuure üle 260 °C, täites nii refluks- kui laineloodamise töötlemise nõuded ning sobivad samal ajal

kõrgetes temperatuurides töötavate seadmete pikaajaliseks kasutamiseks.

· Keemiline vastupanu: Alusmaterjalil peab olema happesse ja leelistesse vastupidav ning niiskusekindel iseloom, et vältida alusmaterjali kihtide lagunemist ja fooliumi okstendeerumist agressiivsetes keskkondades.

· Mekaaniline stabiilsus: vasefooliumil on tugev sidumisjõud alusega, mistõttu see vormistumise või kujutundlikkuse suhtes vähem tundlik, tagades seadme usaldusväärsuse vibratsiooni ja löökide tingimustes.

Kõrge tootmistäpsuse omadused

Kõrgsageduslike printplaatide töötlemistehnoloogia täpsus on palju kõrgem kui tavapäraste printplaatide puhul. Põhiprotsessi nõuded hõlmavad:

· Õhuke joonelaius/joonevahe: saavutatakse joonelaius ja -vahe 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) või isegi õhem, vastates suure tiheduse ja kõrgsageduslike ahelate juhtivusnõuetele.

· Täpne puurimine: minimaalne auguläbimõõt võib olla 0,1 mm, augukoha tolerants on piiratud ±0,01 mm piires, vältides takistusmuutusi, mida võib põhjustada augukoha kõrvalekalle.

· Pindtöötlus: Signaalkaotuse vähendamiseks juhi pinnal (nahaeffekt põhjustab kõrgsageduslike signaalide kontsentreerumise juhi pinnale, ja sileda pinna

töötlus võib kaotust vähendada).

Tuumaalam

Alusmaterjal on kõrgsageduslike printplaatide alus ja mõjutab otseselt signaali edastuskaotust ja stabiilsust. Peamised tüübid ja parameetrid on järgmised:

Vaskfooli materjal

Kõrge sagedusega signaalidel on nahaeffekt (signaalid koncentreeruvad juhi pinnale edastamiseks), seega tuleb vasefooli valikul arvestada nii juhtivuse efektiivsust kui ka pinna tasasust:

Elektrolüütiline vasefool: Madal hind, mõõdukas pinna roughness, sobib enamikes kõrge sagedusega PCB olukordades;

Valtsitud vasefool: Siledam pind, vähem nahaeffekti kaotust, sobib kõrge sageduse ja kõrge tundlikkusega raadiosagedusseadmetele;

Vasefooli paksus: Tavaliselt kasutatakse 1 untsi (35 μm) või ½ untsi (17,5 μm). Õhem vasefool vähendab parasiitindektiivsust ja sobib paremini tihedale kõrge sagedusega juhtmetööle.

Pindtöötlusmaterjalid

Kõrge sagedusega PCBde pindtöötlus peab vähendama ühendustakistust, takistama vasefooli oksüdatsiooni ning vältima kõrge sagedusega signaalide edastamise häirimist

· Kuldplaatimine (ENIG): Sile pind, tugev okseerumiskindlus, madal kontakttakistus, väike mõju kõrge sagedusega signaali kaotusele, sobib kõrge täpsusega RF-liidestele.

· Hõbedakate: On parem elektrijuhtivus kui kullakate ja madalamad kaotused, kuid on kalduv okseederuma ning vajab antioksüdantkihi kombinatsiooni. Sobib kõrgsageduslikele mikrolainekiiredele.

· Orgaaniline joodikiht (OSP): On madala hinnaga ja lihtne tootmisprotsess, kuid tema kõrgetemperatuuriline vastupidavus on keskpärane. Sobib tarbijaelektronikasse mõeldud kõrgsageduslikele PCB-dele, kus hind on oluline tegur.

Kõrgsageduslike PCB-de disaini tuumaks on signaali terviklikkuse, madala kaotuse ja häirimiskindluse tagamine sagedusel 300 MHz kuni 3 GHz. Selleks tuleb range kontrolli pidada mitmes dimensioonis, nagu alusmaterjali valik, takistuse reguleerimine, juhtmete paigutus ja maanduse kaitse. Tähtsad kaalutlused on järgmised:

Täpne alusmaterjalide valik

Andke eelis spetsiaalsetele alustele, millel on madal Dk (2,2–4,5) ja madal Df (< 0,002) (nt PTFE, Rogers RO4350B), ning vältige tavaliste FR-4 aluste kasutamist, et ennetada kõrgsageduslike signaalide liigset nõrgenemist.

Töötemperatuuri ja sagedusvahemiku piires tuleb kinnitada aluse Dk-väärtuse stabiilsus, et vältida takistushälvet, mille põhjustavad keskkonnamuutused.

Impedantsikontroll on rangelt kogu protsessi vältel

Joone laiuse, vahekauguse, aluse paksuse ja impedantsi vastavus arvutatakse ette elektromagnetilise simulatsioonitarkvara abil (nt ADS, HFSS). Tavalised sihtimpedantsid on

50Ω (RF-edastamiseks) ja 75Ω (videoedastamiseks).

Impedantsi tolerants tuleb hoida piirides ±3% kuni ±5%. Juhtmete paigutamisel tuleb vältida joone laiuse äkki muutumist ja täisnurkseid pöördeid, et takistada signaalipeegeldust, mille põhjustab impedantsikatkestus.

Kõrge sagedusega signaallinad tuleks paigutada nii palju kui võimalik pinnamikestripliini või sisemise stripliini režiimis, et vähendada takistuselangusi, mida põhjustab ebaühtlane keskkond.

Parasiitparameetrite optimeerimine juhtmete paigutuse jaoks

Lühenda kõrgsageduslike jalgade pikkust: Välti pikki ahelaid, vähenda parasiitinduktiivsust ning minimeeri signaalide viivitus ja kiirgus.

Suurenda signaallaste vahemikku: Kõrgsageduslike juhtmete vahe peaks olema ≥3 korda suurem kui joone laius, või tuleks kasutada maandusisolatsioonriba, et vähendada parasiitmahtuvust ja signaali ristmõju.

Välti paralleelseid ja ristuvaid linasid: Paralleelne marsruutimine on kalduv koppeldumishäirimisele. Ristmarsi peab isoleerima maanduskihi kaudu või tuleb kasutada vertikaalset ristumismeetodit.

Lähedal asuvate komponentide paigutus: Kõrgsagedusseadmeid, nagu RF-mikroskeemid, antennid ja ühendusmehhanismid, tuleks paigutada tihesti, et vähendada kõrgsageduslike teede pikkust.

Maandamise ja ekraanimise disain suurendab häiretõrjumisvõimet

Mitmekihtsete plaatide puhul tuleks eelistada täielike maanduskihtide projekteerimist: maanduskiht võib olla signaali tagasitee, vähendades nii silmuse takistust kui ka signaalihäirimiste ekraanimist kihtide vahel.

Ühekihilised plaadid tuleks paigaldada suurel alal, et vähendada maandustakistust.

Tundlike komponentide kohalik ekraanimine: RF-võimendite ja ostsillaatorite jaoks võib projekteerida metallist ekraanikatteid, mis takistavad välist elektromagnetilist häiringut (EMI) ning sisemist signaalikiirgust.

Digitaalse maa ja kõrgsagedusliku maa eraldamine: kõrgsageduslike signaalide maandus ja digitaalskeemi maandus tuleb ühendada ühes punktis, et takistada digitaalse müra sidumist kõrgsageduslikku signaaliteedesse.

Toiteallika ja filtrite disain vähendab müra

Kõrgsageduslikud ahelad on tundlikud toiteallika müra suhtes. Seetõttu tuleks kõrgsageduslikud filtrikondensaatorid (näiteks 0,1μF keramilised kondensaatorid + 10μF tantaalkondensaatorid) ühendada rööbiti toiteallika sisendisse ja

kiibi toitepingete juurde, et filtreerida toiteallika kõrgsageduslik müra.

Toitejuhtmete paigutus peaks olema lühike ja lai, et vähendada juhtmete takistust ja vältida toiteallika müra sidumist kõrgsageduslike signaalidega.

Tootmisprotsess on ühilduv pinnatöötlusega

Valige töötlemistehnoloogia, mis toetab peeneliist (3miili/3miili ja alla) ning täpset puurimist (augu diameetri tolerants ±0,01mm), et täita kõrgsageduslike trükkplaatide täpsustingimusi.

Pindtöötluseks eelistatakse kullatust ja hõbedatust: kullatuse pind on sile ja kontaktitakistus madal. Hõbedatustel on hea elektrijuhtivus ja väike nahaeffekti kaotus, mistõttu see sobib kõrge-

sageduslikele stsenaariumidele. Vältida tuleb OSP-protsesside kasutamist piirkondades, kus on vaja hea antioksidantidega omadusi, eriti kõrge sageduse tuumal.

Soojusdisain on kohandatud kõrgetele temperatuurinõuetele

Mõned kõrgsageduslikud alusmaterjalid (näiteks PTFE) on halvasti soojusjuhtivad. Seetõttu tuleb mõistlikult kujundada soojuslahutus või kasutada soojusjuhtivaid vahekleite, et vältida alusmaterjali deformatsiooni ja

suurt jõudlust andvate seadmete poolt tekitatud soojust tingitud toimetuslangust.

Madal signaalihajuvus tagab edastamise kvaliteedi

Spetsiaalsete alusmaterjalite abil, millel on madal dielektiivne konstant (Dk) ja madal dielektiivne kaotus (Df), näiteks PTFE ja Rogersi seeriate, saab vähendada kõrgsageduslike signaalide energiakaotust edastamise ajal 300 MHz kuni 3 GHz vahemikus,

vältida signaalide moonutusi ning täita nõuded pika-maade ja kõrgsagedusliku side ja andmeside jaoks.

Kõrge täpsusega takistuse juhtimine suurendab signaali terviklikkust

Jooniselguse, joonevahe ja alusmaterjali paksuse täpse projekteerimisega hoidmistakse takistuse tolerants ±3% kuni ±5%, saavutades stabiilse sobivuse standardtakistustega nagu 50Ω/75Ω, vältides signaali peegeldumist

ja seismeliste lainefenomenide teket ning tagades RF- ja mikrolaineliste kõrgsageduslike ahelate usaldusväärse töö.

Tugev takistus häirimisele, sobib keerukatesse elektromagnetsetesse keskkondadesse

Optimeeritud juhtmetehniline struktuur (näiteks mikrolindid ja lintliinid) ning mitmekihiline maapealmeline disain vähendavad parasiitset mahutavust ja induktiivsust, samuti signaali ristmõju ja elektromagnetkiirgust (EMI). Kombinatsioonis

kohaliku metallkatega suudab see vastu pidada välistele elektromagnetilistele häiringutele ning sobib olukordadesse, kus elektromagnetiline ühilduvus on kõrgelt nõutud, näiteks tööstusjuhtimisseadmetes ja meditsiiniseadmetes.

Suurepärane keskkonnakohastumisvõime, vastuoluliste töötingimuste rahuldamine

Eripoozne kõrgsageduslik alusmaterjal omab kõrget kuumustikindlust (üle 260 °C), keemilise korrosioonikindluse ja niiskusekindluse. Kombineerituna stabiilse vasefuuviprossessiga võimaldab see säilitada stabiilset

tööjõudlust keerulistes keskkondades, nagu vibratsioon ning kõrge- ja madaltemperatuuritsüklid, täites pikaealise töö nõudeid autotööstuse ja sõjaväe klassi nõuetele

tasevahendid.

Tugev integratsioonitugi võimaldab miniatuurset disaini

Toetab 3miil/3miil ja väiksemate joonelaiuste ning vahekauguste, samuti väikeste augude läbimõõtude töötlemist. Võimaldab saavutada suure tihedusega juhtmeteho, täites miniatuurse ja kõrgelt integreeritud toodete, nagu RF

moodulid ja 5G baasjaamade komponendid, disaininõudeid ning säästes seadmete ruumi.