مدارهای چاپی فرکانس بالا

برد مدار چاپی با فرکانس بالا نوعی از برد است که از زیرلایه‌های اختصاصی با ثابت دی‌الکتریک پایین (Dk) و اتلاف دی‌الکتریک پایین (Df) مانند PTFE و سری روگرز استفاده می‌کند. نیازمند کنترل دقیق امپدانس و مسیریابی بهینه برای کاهش پارامترهای паrazیتی است. این برد به‌طور خاص برای سناریوهای انتقال سیگنال با فرکانس بالا طراحی شده است در محدوده ۳۰۰ مگاهرتز تا ۳ گیگاهرتز. برد مدار چاپی با دقت بالا که به‌طور گسترده با تجهیزات موجود در زمینه‌های ارتباطات، صنایع نظامی، پزشکی مراقبت و الکترونیک مصرفی سازگار است.

ویژگی‌های برد مدارهای با فرکانس بالا

ویژگی‌های مدارهای ارتباطی با فرکانس بالا حول سه نیاز اصلی کاهش تلفات، پایداری بالا و مقاومت در برابر تداخل در انتقال سیگنال‌های با فرکانس بالا در محدوده ۳۰۰ مگاهرتز تا ۳ گیگاهرتز طراحی شده‌اند. هر ویژگی مربوط به انتخاب مواد خاص، استانداردهای فرآیندی و ارزش‌های کاربردی مشخصی است. در ادامه توضیح دقیق آورده شده است:

ویژگی کم‌تلفات بودن زیرلایه

هنگام انتقال سیگنال‌های با فرکانس بالا، به دلیل خواص دی‌الکتریک زیرلایه، اتلاف انرژی رخ می‌دهد. این موضوع تفاوت اصلی بین مدارهای با فرکانس بالا و برد مدارهای معمولی است.
پارامترهای کلیدی

· ثابت دی‌الکتریک پایین (Dk): ثابت دی‌الکتریک سرعت انتقال سیگنال را تعیین می‌کند. هرچه مقدار Dk کمتر باشد، سرعت انتقال سیگنال بیشتر و تأخیر سیگنال کمتر خواهد بود. مقدار Dk در زیرلایه‌های برد مدار چاپی فرکانس بالا معمولاً بین 2.2 تا 4.5 پایدار است (مقدار Dk زیرلایه‌های متداول FR-4 تقریباً بین 4.6 تا 4.8 است) و لازم است تا پایداری Dk در دماها و فرکانس‌های مختلف حفظ شود تا از اعوجاج سیگنال جلوگیری شود.

در زیرلایه‌های برد مدار چاپی فرکانس بالا معمولاً بین 2.2 تا 4.5 پایدار است (مقدار Dk زیرلایه‌های متداول FR-4 تقریباً بین 4.6 تا 4.8 است) و لازم است تا پایداری Dk در دماها و فرکانس‌های مختلف حفظ شود تا از اعوجاج سیگنال جلوگیری شود.

· زاویه تلفات دی‌الکتریک پایین (Df): مقدار Df به‌طور مستقیم نشان‌دهنده تلفات انرژی سیگنال در زیرلایه است. هرچه مقدار Df کمتر باشد، تلفات کمتر است. مقدار Df در زیرلایه‌های برد مدار چاپی فرکانس بالا معمولاً کمتر از 0.002 است (مقدار Df در FR-4 معمولی حدود 0.02 است)، که این امر باعث کاهش مؤثر تضعیف سیگنال می‌شود و به‌ویژه برای انتقال سیگنال در فواصل طولانی و فرکانس بالا مناسب است.

در FR-4 معمولی حدود 0.02 است)، که این امر باعث کاهش مؤثر تضعیف سیگنال می‌شود و به‌ویژه برای انتقال سیگنال در فواصل طولانی و فرکانس بالا مناسب است.

زیرلایه نمونه

· PTFE (پلی‌تترافلوئورواتیلن): Dk≈2.1، Df≈0.0009، مقاوم در برابر دمای بالا (بالای 260℃)، پایداری شیمیایی قوی، انتخاب اول برای کاربردهای پیشرفته مانند صنایع نظامی و ارتباطات ماهوارهای.

· سری روگرز (مانند RO4350B): Dk≈3.48، Df≈0.0037، با پایداری عالی امپدانس، مناسب برای ایستگاه‌های پایه 5G و ماژول‌های RF.

· برد رزین اپوکسی با فرکانس بالا: هزینه پایین‌تر، Dk≈3.5-4.0، که نیازهای اولیه مؤلفه‌های RF در الکترونیک مصرفی را برآورده می‌کند.

ویژگی‌های کنترل امپدانس با دقت بالا

سیگنال‌های با فرکانس بالا بسیار حساس به تغییرات امپدانس هستند. عدم تطابق امپدانس می‌تواند باعث انعکاس سیگنال، ایجاد امواج ایستاده و اعوجاج شود و به طور مستقیم عملکرد تجهیزات را تحت تأثیر قرار دهد.

· استانداردهای کنترل امپدانس: مقادیر متداول امپدانس برای برد‌های مدار چاپی با فرکانس بالا، 50Ω (برای انتقال RF/مایکروویو) و 75Ω (برای انتقال ویدئویی/کابل کواکسیال) است. تلرانس امپدانس باید کنترل شود

در محدوده ±3٪ تا ±5٪ (تحمل امپدانس در برد مدار چاپی معمولی معمولاً ±10٪ است).

· روش پیاده‌سازی: از طریق طراحی دقیق چهار پارامتر اصلی — عرض خط، فاصله خط، ضخامت بستر و ضخامت فویل مسی — و تأیید آنها با نرم‌افزار شبیه‌سازی الکترومغناطیسی (مانند ADS، HFSS)،

ثبات امپدانس تضمین می‌شود. به عنوان مثال، مقدار امپدانس یک ساختار خط میکرواستریپ با عرض خط نسبت مستقیم و با ضخامت بستر نسبت معکوس دارد. این مقدار باید چندین بار تنظیم شود تا

به مقدار هدف برسد.

پارامترهای کم‌ترش و ویژگی‌های مقاوم در برابر تداخل

در مدارهای فرکانس بالا، خازن و سلف پارازیتی سیم‌ها می‌توانند منابع تداخل اضافی ایجاد کنند و باعث تداخل سیگنال یا تابش الکترومغناطیسی (EMI) شوند. بنابراین، برد مدار چاپی فرکانس بالا باید طراحی و بهینه‌سازی شود تا

اثرات پارازیتی کاهش یابد.

طراحی با پارامترهای پارازیتی کم

کوتاه‌کردن طول سیم، کاهش مسیرهای پیچیده و کاهش اندوکتانس ناخواسته؛

افزایش فاصله بین خطوط سیگنال یا استفاده از نوارهای جداسازی زمین برای کاهش خازن ناخواسته؛

استفاده از ساختارهای خاص خطوط انتقال مانند خطوط میکرواستریپ و خطوط نواری برای کاهش تزویج الکترومغناطیسی بین سیگنال‌ها و محیط خارجی؛

قابلیت مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI)

افزایش تعداد لایه‌های زمین برای تشکیل «حفره محافظ» و جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی خارجی؛

انجام محافظت محلی روی قطعات حساس (مانند تراشه‌های RF) به منظور کاهش تشعشع سیگنال‌های داخلی؛

بهینه‌سازی چیدمان تغذیه و زمین برای کاهش تأثیر نویز تغذیه بر سیگنال‌های فرکانس بالا؛

ویژگی‌های عالی سازگاری فیزیکی و محیطی

سناریوهای کاربردی برد مدار چاپی با فرکانس بالا عمدتاً در حوزه‌هایی با شرایط محیطی سخت مانند کنترل صنعتی، مراقبت‌های پزشکی و صنایع نظامی قرار دارند. بنابراین، مواد اولیه و فرآیند باید استانداردهای

عملکرد فیزیکی اضافی

· مقاومت در برابر دمای بالا: برخی از مواد اولیه (مانند PTFE، Rogers) می‌توانند دماهای بالای 260 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، که این امر نیازهای فرآیند لحیم‌کاری ریفلاکس و لحیم‌کاری موجی را برآورده می‌سازد و همچنین برای

کارکرد طولانی‌مدت تجهیزات در محیط‌های با دمای بالا مناسب است.

· مقاومت در برابر مواد شیمیایی: ماده اولیه باید دارای ویژگی‌های مقاومت در برابر اسید و باز و همچنین مقاومت در برابر رطوبت باشد تا از لایه‌لایه شدن ماده اولیه و اکسید شدن فویل مسی در محیط‌های سخت جلوگیری شود.

· پایداری مکانیکی: ورق مسی نیروی بست قوی‌ای با بستر دارد، به همین دلیل کمتر دچار تاب برداشتن یا تغییر شکل می‌شود و قابلیت اطمینان تجهیزات را در شرایط لرزش و ضربه تضمین می‌کند.

ویژگی‌های دقت بالای ساخت

دقت فناوری پردازش در برد‌های مدار چاپی با فرکانس بالا بسیار بالاتر از برد‌های معمولی است. الزامات اصلی فرآیند شامل موارد زیر است:

· عرض خط نازک/فاصله بین خطوط: قادر به دستیابی به عرض و فاصله خطوط 3 میل/3 میل (0.076 میلی‌متر/0.076 میلی‌متر) یا حتی کمتر است که نیازهای مسیرکشی مدارهای با تراکم و فرکانس بالا را برآورده می‌کند.

· سوراخ‌کاری دقیق: قطر حداقلی سوراخ به 0.1 میلی‌متر می‌رسد و تحمل موقعیت سوراخ در محدوده ±0.01 میلی‌متر کنترل می‌شود و از تغییرات امپدانس ناشی از انحراف موقعیت سوراخ جلوگیری می‌کند.

· پوشش سطحی: بیشتر از فرآیندهای طلایابی و نقره‌اندودی استفاده می‌شود تا از اتلاف سیگنال روی سطح هادی کاسته شود (اثر پوستی باعث می‌شود سیگنال‌های فرکانس بالا در سطح هادی متمرکز شوند و پوشش صاف می‌تواند اتلاف را کاهش دهد).

می‌تواند اتلاف را کاهش دهد.

زیرلایه هسته‌ای

زیرلایه، پایه‌ی برد‌های مدار چاپی فرکانس بالا است و به‌طور مستقیم بر اتلاف و پایداری انتقال سیگنال تأثیر می‌گذارد. انواع رایج و پارامترهای آن به شرح زیر است:

ماده فویل مسی

سیگنال‌های فرکانس بالا دارای اثر پوستی هستند (سیگنال‌ها بر روی سطح هادی متمرکز می‌شوند تا انتقال یابند)، بنابراین انتخاب فویل مس باید هم کارایی هدایت و هم صافی سطح را در نظر بگیرد:

فویل مس الکترولیتی: هزینه پایین، زبری سطح متوسط، مناسب برای اکثر سناریوهای مدار چاپی فرکانس بالا؛

فویل مس نورد شده: سطح صاف‌تر، اتلاف کمتر ناشی از اثر پوستی، مناسب تجهیزات رادیویی با فرکانس و حساسیت بالا؛

ضخامت فویل مس: متداول‌ترین مقادیر ۱ اونس (۳۵ میکرومتر) یا ½ اونس (۱۷٫۵ میکرومتر) است. فویل مس نازک‌تر می‌تواند القای ناخواسته را کاهش دهد و برای سیم‌کشی فرکانس بالا با تراکم بالا مناسب‌تر است.

مواد پوشش سطحی

پوشش سطحی مدارهای چاپی فرکانس بالا باید مقاومت تماسی را کاهش دهد، از اکسید شدن فویل مس جلوگیری کند و مانع از تأثیر بر انتقال سیگنال‌های فرکانس بالا شود

· آبکاری طلا (ENIG): سطح صاف، مقاومت قوی در برابر اکسیداسیون، مقاومت تماسی پایین، تأثیر کم بر اتلاف سیگنال فرکانس بالا، مناسب برای رابط‌های RF با دقت بالا.

· آبکاری نقره: نسبت به آبکاری طلا، هدایت الکتریکی بهتری دارد و اتلاف کمتری ایجاد می‌کند، اما مستعد اکسیداسیون است و نیاز به پوشش ضد اکسید دارد. این نوع آبکاری برای مدارهای مایکروویو با فرکانس بالا مناسب است.

· ماسک لحیم ارگانیک (OSP): هزینه پایین و فرآیند ساده‌ای دارد، اما مقاومت حرارتی آن متوسط است. این ماده برای برد مدار چاپی (PCB) با فرکانس بالا در الکترونیک مصرفی که حساس به هزینه است، مناسب می‌باشد.

هسته طراحی برد مدار چاپی (PCB) با فرکانس بالا، حفظ تمامیت سیگنال، اتلاف پایین و عملکرد مقاوم در برابر تداخل در محدوده فرکانسی 300 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز است. برای این منظور باید از چندین بعد از جمله انتخاب بستر، کنترل امپدانس، چیدمان مسیرها و محافظت زمینه‌ای به دقت کنترل به عمل آورد. نکات ایمنی خاص عبارتند از:

انتخاب دقیق مواد پایه

اولویت با انتخاب زیرلایه‌های اختصاصی با Dk پایین (2.2 تا 4.5) و Df پایین (< 0.002) (مانند PTFE، Rogers RO4350B) باشد و از استفاده از زیرلایه‌های معمولی FR-4 خودداری شود تا از تضعیف بیش از حد سیگنال‌های فرکانس بالا جلوگیری شود.

لازم است پایداری مقدار Dk زیرلایه در محدوده دمایی و فرکانسی کار تأیید شود تا از تغییرات امپدانس ناشی از تغییرات محیطی جلوگیری شود.

کنترل امپدانس در تمام مراحل فرآیند دقیق است.

رابطه مربوطه بین عرض خط، فاصله خط، ضخامت زیرلایه و امپدانس به‌وسیله نرم‌افزار شبیه‌سازی الکترومغناطیسی (مانند ADS، HFSS) از پیش محاسبه می‌شود. امپدانس‌های هدف متداول عبارتند از

50Ω (برای انتقال RF) و 75Ω (برای انتقال ویدئویی).

tolerانس امپدانس باید در محدوده ±3% تا ±5% کنترل شود. هنگام مسیریابی، از تغییرات ناگهانی در عرض خط و زاویه‌های قائمه خودداری شود تا از بازتاب سیگنال ناشی از ناپیوستگی امپدانس جلوگیری شود.

خطوط سیگنال با فرکانس بالا باید تا حد امکان به صورت خطوط میکرواستریپ سطحی یا خطوط استریپلاین داخلی چیده شوند تا نوسانات امپدانس ناشی از محیط‌های ناهموار کاهش یابد.

بهینه‌سازی پارامترهای پارازیتی برای چیدمان سیم‌کشی

کوتاه‌کردن طول ردیاب‌های فرکانس بالا: از مدارهای طولانی خودداری کنید، اندوکتانس پارازیتی را کاهش دهید و تأخیر و تشعشع سیگنال را به حداقل برسانید.

افزایش فاصله بین خطوط سیگنال: فاصله بین خطوط با فرکانس بالا باید ≥ 3 برابر عرض خط باشد، یا از نوار جداسازی زمین استفاده شود تا خازن پارازیتی و تداخل سیگنال کاهش یابد.

از قرار دادن موازی و تقاطع خطوط خودداری کنید: مسیریابی موازی مستعد تداخل القایی است. در مسیریابی متقاطع باید از لایه زمین برای جداسازی استفاده شود یا از روش تقاطع عمودی بهره برد.

چیدمان قطعات مجاور: دستگاه‌های فرکانس بالا مانند تراشه‌های RF، آنتن‌ها و اتصال‌دهنده‌ها باید به صورت نزدیک قرار داده شوند تا طول مسیرهای فرکانس بالا کاهش یابد.

طراحی ارتینگ و شیلدینگ، قابلیت مقاومت در برابر تداخل را افزایش می‌دهد

برای برد چند لایه، بهتر است اولویت با طراحی لایه‌های کامل زمین باشد: لایه زمین می‌تواند به عنوان مسیر بازگشت سیگنال عمل کند، امپدانس حلقه را کاهش دهد و همزمان تداخل سیگنال بین لایه‌ها را شیلد کند.

برد تک‌لایه باید در سطح وسیعی پخش شود تا مقاومت ارت کاهش یابد.

شیلد محلی از اجزای حساس: برای اجزای اصلی مانند تقویت‌کننده‌های فرکانس رادیویی و نوسان‌سازها، می‌توان از پوشش‌های فلزی شیلد استفاده کرد تا از تداخل الکترومغناطیسی (EMI) خارجی و تشعشع سیگنال داخلی جلوگیری شود.

جداسازی زمین دیجیتال و زمین فرکانس بالا: زمین سیگنال فرکانس بالا و زمین مدار دیجیتال باید در یک نقطه متصل شوند تا از انتقال نویز دیجیتال به مسیر سیگنال فرکانس بالا جلوگیری شود.

طراحی منبع تغذیه و فیلتر، نویز را کاهش می‌دهد

مدارهای با فرکانس بالا به نویز منبع تغذیه حساس هستند. بنابراین، باید خازنهای فیلتر با فرکانس بالا (مانند خازنهای سرامیکی 0.1μF + خازنهای تانتالیوم 10μF) به صورت موازی در انتهای ورودی منبع تغذیه و

در کنار پین‌های تغذیه تراشه قرار داده شوند تا نویز فرکانس بالا در منبع تغذیه را فیلتر کنند.

مسیرهای تغذیه باید کوتاه و عریض باشند تا امپدانس سیم‌ها کاهش یافته و از جفت‌شدگی نویز تغذیه با سیگنال‌های فرکانس بالا جلوگیری شود.

فرآیند ساخت با پوشش سطحی سازگار است

فناوری پردازشی را انتخاب کنید که از عرض خط/فاصله خط ظریف (3mil/3mil و پایین‌تر) و سوراخ‌کاری دقیق ( tolerانس قطر سوراخ ±0.01mm) پشتیبانی می‌کند تا نیازمندی‌های دقت بردهای مدار چاپی فرکانس بالا برآورده شود.

برای پوشش‌دهی سطح، آبکاری طلا و نقره ترجیح داده می‌شود: سطح آبکاری شده با طلا صاف بوده و مقاومت تماسی پایینی دارد. آبکاری نقره هدایت الکتریکی خوبی داشته و اتلاف اثر پوستی کمی دارد که آن را برای کاربردهای با فرکانس بالا مناسب می‌سازد.

از استفاده از فرآیندهای OSP با خواص ضد اکسیداسیون ضعیف در ناحیه مرکزی با فرکانس بالا خودداری شود.

طراحی حرارتی متناسب با الزامات دمای بالا است.

برخی از بسترهای با فرکانس بالا (مانند PTFE) هدایت حرارتی ضعیفی دارند. بنابراین لازم است مسیر دفع حرارت به‌صورت منطقی طراحی شود یا از واشرهای هدایت‌کننده حرارتی استفاده شود تا از تغییر شکل بستر و

کاهش عملکرد ناشی از گرمای تولید شده توسط دستگاه‌های با توان بالا جلوگیری شود.

تضعیف سیگنال پایین، کیفیت انتقال را تضمین می‌کند

با استفاده از زیرلایه‌های اختصاصی با ثابت دی‌الکتریک پایین (Dk) و تلفات دی‌الکتریک پایین (Df)، مانند PTFE و سری روگرز، می‌توان اتلاف انرژی سیگنال‌های فرکانس بالا در محدوده 300 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز را در حین انتقال به‌طور مؤثر

کاهش داد، از اعوجاج سیگنال جلوگیری کرد و نیازهای ارتباطات و انتقال داده در فواصل طولانی و فرکانس بالا را برآورده کرد.

کنترل امپدانس با دقت بالا، یکپارچگی سیگنال را افزایش می‌دهد

با طراحی دقیق عرض خط، فاصله خط و ضخامت زیرلایه، تحمل امپدانس در محدوده ±3٪ تا ±5٪ کنترل می‌شود، تا تطابق پایدار با امپدانس‌های استاندارد مانند 50Ω/75Ω حاصل شود، از بازتاب سیگنال

و پدیده موج ایستاده جلوگیری شود و عملکرد قابل اعتماد مدارهای فرکانس بالا مانند RF و مایکروویو تضمین گردد.

توانایی قوی مقاومت در برابر تداخل، مناسب برای محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده

ساختار سیم‌کشی بهینه‌شده (مانند خطوط میکرواستریپ و خطوط نواری) و طراحی ارت چندلایه می‌تواند خازن و اندوکتانس ناخواسته، همچنین تداخل سیگنال و تشعشع الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش دهد. در ترکیب

با محافظت فلزی محلی، می‌تواند در برابر تداخل الکترومغناطیسی خارجی مقاومت کند و برای سناریوهایی با الزامات بالا در سازگاری الکترومغناطیسی مناسب است، مانند تجهیزات کنترل صنعتی و دستگاه‌های پزشکی.

سازگاری عالی با محیط، متناسب با شرایط کاری سخت

زیرلایه اختصاصی با فرکانس بالا دارای مقاومت در برابر دمای بالا (بالای 260 درجه سانتی‌گراد)، مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی و مقاومت در برابر رطوبت است. همراه با فرآیند پیوند روکش مسی پایدار، می‌تواند عملکرد پایداری را

در محیط‌های سخت مانند لرزش و چرخه‌های دما بالا و پایین حفظ کند و نیازهای عملکرد بلندمدت در سطح خودرویی و نظامی را برآورده سازد

تجهیزات.

پشتیبانی از ادغام بالا، امکان طراحی کوچک‌شده را فراهم می‌کند

پشتیبانی از پردازش عرض‌ها و فواصل خطوط نازک به اندازه 3 میل و کمتر، و همچنین قطرهای کوچک سوراخ. این قابلیت امکان سیم‌بندی با چگالی بالا را فراهم می‌کند و نیازهای طراحی محصولات کوچک‌شده و بسیار مجتمع مانند ماژول‌های RF را برآورده می‌سازد

و قطعات تجهیزات پایه‌ای 5G، و فضای تجهیزات را ذخیره می‌کند.