Suuritaajuiset piirit

Korkeataajuuspiirilevy on tyyppi PCB:stä, joka käyttää erikoisalustaa, kuten PTFE:tä ja Rogers-sarjaa, joilla on alhainen dielektrinen vakio (Dk) ja alhainen dielektrinen häviö (Df). Siihen vaaditaan tarkkaa impedanssin hallintaa ja optimoituja johdotuksia parasiittisten parametrien vähentämiseksi. Se on erityisesti suunniteltu korkeataajuisten signaalien siirtotilanteisiin 300 MHz:sta 3 GHz:ään. Tarkatulosteiset piirilevyt, jotka ovat laajasti yhteensopivia laitteiden kanssa viestinnässä, sotilasteollisuudessa, lääketieteessä hoidossa ja kuluttajaelektroniikassa.

Korkeataajuisten piirilevyjen ominaisuudet

Korkeataajuisten viestintäpiirien ominaisuudet on suunniteltu keskittyen kolmeen ydinvaatimukseen: alhainen häviö, korkea stabiilisuus ja häiriönsieto korkeatajuisten signaalien siirrossa, joka vaihtelee 300 MHz:sta 3 GHz:ään. Jokainen ominaisuus liittyy tiettyihin materiaalivalintoihin, prosessistandardeihin ja sovellusarvoihin. Seuraavassa yksityiskohtainen selvitys:

Substraatin alhainen häviö

Kun korkeataajuisia signaaleja siirretään, energiahäviö tapahtuu substraatin dielektristen ominaisuuksien vuoksi. Tämä on keskeinen ero korkeataajuisten piirien ja tavallisten piirilevyjen välillä.
Avainparametrit

· Matala dielektrinen vakio (Dk): Dielektrinen vakio määrittää signaalin siirtymisnopeuden. Mitä matalampi Dk-arvo, sitä nopeampi signaalin siirtymisnopeus ja sitä pienempi signaalin viive. Korkeataajuuspiirikorttien (PCB)

substraattien Dk-arvo on yleensä vakaa välillä 2,2–4,5 (tyypillisen FR-4-substraatin Dk on noin 4,6–4,8), ja on tärkeää taata Dk:n stabiilius eri lämpötiloissa ja taajuuksilla välttääkseen signaalivääristymiä.

· Matala dielektrinen häviökerroin (Df): Df-arvo heijastaa suoraan signaalin energiahäviötä substraatissa. Mitä matalampi Df, sitä pienempi häviö. Korkeataajuuspiirikorttien substraattien Df-arvo on yleensä alle 0,002 (

tavallisen FR-4:n Df on noin 0,02), mikä vähentää tehokkaasti signaalin vaimenemista ja sopii erityisen hyvin pitkän matkan ja korkeataajuisten signaalien siirtoon.

Tyypillinen substraatti

· PTFE (polytetrafluoretiini): Dk≈2,1, Df≈0,0009, korkean lämpötilan kestävyys (yli 260 ℃), vahva kemiallinen stabiilisuus, on ensisijainen valinta vaativiin sovelluksiin kuten sotilasteollisuudessa ja satelliittiviestinnässä.

· Rogers-sarja (esim. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, erinomaisen impedanssin stabiilisuus, sopii 5G-akselien ja RF-modulien käyttöön.

· Korkeataajuinen epoksiharjakplaatte: Edullisempi, Dk≈3,5–4,0, täyttää kuluttajaelektroniikan RF-komponenttien perusvaatimukset.

Tarkka impedanssinsäätöominaisuus

Korkeataajuiset signaalit ovat erittäin herkkiä impedanssimuutoksille. Impedanssin epäsovitus voi aiheuttaa signaalin heijastumisen, seisovat aallot ja vääristymän, mikä vaikuttaa suoraan laitteiston suorituskykyyn.

· Impedanssinsäätöstandardit: Yleisesti käytetyt impedanssiarvot korkeataajuisissa piireissä ovat 50 Ω (RF/mikroaaltosignaalin siirtoon) ja 75 Ω (videon/koaksiaalikaapelin siirtoon). Impedanssitoleranssi tulisi hallita

±3 %:n ja ±5 %:n sisällä (tavallisten PCB:tien impedanssitoleranssi on yleensä ±10 %).

· Toteutustapa: Tarkasti suunnitelluilla neljällä ydinparametrillä – johdon leveys, johdon väli, substraatin paksuus ja kuparifoliopaksuus – ja niiden verifiointi elektromagneettisella simulointiohjelmistolla (kuten ADS, HFSS),

varmistetaan impedanssin yhdenmukaisuus. Esimerkiksi mikroliuskan rakenteen impedanssiarvo on suoraan verrannollinen johdon leveyteen ja kääntäen verrannollinen substraatin paksuuteen. Sitä täytyy säätää toistuvasti, jotta

saavutetaan tavoitearvo.

Alhaiset parasiittiset parametrit ja häiriönsieto

Suuritaajuuspiireissä johdinten parasiittinen kapasitanssi ja induktanssi voivat luoda lisähäiriölähteitä, johtuen signaalien ristikkäisestä häiriöstä tai sähkömagneettisesta säteilystä (EMI). Siksi suuritaajuiset PCB:t on suunniteltava

ja optimoitava parasiittisten ilmiöiden vähentämiseksi.

Alhaisten parasiittisten parametrien suunnittelu

Lyhennä johtimen pituutta, vähennä kiertävää reititystä ja alenna parasiittista induktanssia;

Lisää signaalijohtimien välimatkaa tai käytä maadoitettuja eristysvyöhykkeitä parasiittisen kapasitanssin vähentämiseksi;

Käytetään erityisiä siirtolinjarakenteita, kuten mikroliuskoja ja nauhaliuskajohtoja, joiden avulla vähennetään sähkömagneettista kytkentää signaalien ja ulkoisen ympäristön välillä.

Sähkömagneettisen häiriön (EMI) vastustuskyky

Lisää maadoituskerrosten määrää muodostaaksesi "suojakammion" ja estääksesi ulkoiset sähkömagneettiset häiriöt;

Suorita paikallista suojaukset herkille komponenteille (kuten RF-piireille), jotta vähennetään sisäistä signaalien säteilyä;

Optimoi virtalähteen ja maadoituksen asettelu vähentääksesi virtalähteen kohinan vaikutusta korkeataajuisiin signaaleihin.

Erinomaiset fysikaaliset ja ympäristöön sopeutumisen ominaisuudet

Korkeataajuuksisten PCB:ien sovelluskohteet ovat pääasiassa sellaisissa aloissa, joilla on tiukat ympäristövaatimukset, kuten teollisuuden ohjaus, terveydenhuolto ja sotilasteollisuus. Siksi pohjamateriaalin ja valmistusmenetelmien on täytettävä

lisävaatimukset fysikaalisissa suorituskykyominaisuuksissa

· Kuumuuskestävyys: Jotkin pohjamateriaalit (kuten PTFE, Rogers) kestävät yli 260 °C:n lämpötiloja, täyttäen uudelleenliotteen ja aaltohitsauksen käsittelyvaatimukset, ja sopivat samalla

laitteiden pitkäaikaiseen käyttöön korkeissa lämpötiloissa.

· Kemikaalikestävyys: Pohjamateriaalin on oltava hapon- ja emäksenkestävää sekä kosteudenkestävää estääkseen pohjamateriaalin kerrostumisen ja kuparifolioiden hapettumisen kovissa ympäristöissä.

· Mekaaninen stabiilisuus: Kuparifolio on vahvasti kiinnittynyt substraattiin, mikä vähentää taipumista tai muodonmuutoksia ja takaa laitteiston luotettavuuden värähtely- ja iskuehdoissa.

Korkea valmistustarkkuus ominaisuutena

Korkeataajuisten piirilevyjen käsittelytarkkuus on huomattavasti korkeampi kuin tavallisten piirilevyjen. Ydinprosessivaatimukset sisältävät:

· Hieno viivanleveys/viivaväli: Saavutetaan viivanleveydet ja -välit 3 mil/3 mil (0,076 mm/0,076 mm) tai jopa ohuempia, täyttäen tiheän ja korkeataajuisten piirien asennusvaatimukset.

· Tarkka poraus: Pienin reiän halkaisija voi olla 0,1 mm, ja reiän sijaintitoleranssi on hallittu ±0,01 mm sisällä, mikä estää impedanssimuutokset aiheutumasta reiän sijainnin poikkeamisesta.

· Pintakäsittely: Kultapinnoitus ja hopeapinnoitus ovat yleisiä menetelmiä signaalin menetyksen vähentämiseksi johtimen pinnalla (ihomuotokuva aiheuttaa korkeataajuisille signaaleille keskittymisen johtimen pintaan, ja sileä pintakäsittely voi vähentää häviötä).

voidaan vähentää häviötä).

Ydinalusta

Alusta on korkeataajuisten PCB:tien perusta ja se vaikuttaa suoraan signaalin siirtohäviöihin ja stabiilisuuteen. Pääasialliset tyypit ja parametrit ovat seuraavat:

Kuparifoliomateriaali

Suurtaajuussignaalit aiheuttavat ihokevaistuksen (signaalit keskittyvät johtimen pinnalle siirtoa varten), joten kuparifolin valinnassa on otettava huomioon sekä johtotehokkuus että pintatasa:

Elektrolyyttikuparifoli: Edullinen, kohtalainen pintakarheus, sopii useimpiin suurtaajuus-PCB-tilanteisiin;

Valssattu kuparifoli: Sileämpi pinta, vähemmän ihokevaistushäviötä, sopii suurtaajuisiin ja herkkiin radiofrekvenssilaitteisiin;

Kuparifolin paksuus: Yleisesti käytössä ovat 1 unssi (35 μm) tai ½ unssia (17,5 μm). Ohut kuparifoli vähentää parasiittista induktanssia ja soveltuu paremmin tiheään suurtaajuusjohdotukseen.

Pintakäsittelyaineet

Suurtaajuus-PCB:t:n pintakäsittelyn tulee vähentää kosketusvastusta, estää kuparifolin hapettuminen ja välttää suurtaajuussignaalien siirron häiriintyminen

· Kultapinnoite (ENIG): Sileä pinta, vahva hapettumiselle kestävyys, alhainen kosketusresistanssi, pieni vaikutus korkeataajuisten signaalien häviöihin, sopii tarkkoihin RF-liittimiin.

· Hopeapinnoitus: Se on parempi sähkönjohtavuus kuin kultapinnoituksella ja aiheuttaa vähemmän häviötä, mutta se hapettuu helposti ja sen yhdistämiseen tarvitaan hapettumista estävä pinnoite. Sopii korkeataajuisiin mikroaaltopiireihin.

· Orgaaninen juotettaessa suojaava pinnoite (OSP): Se on edullinen ja prosessi on yksinkertainen, mutta lämpökestävyys on keskinkertainen. Sopii kuluttajaelektroniikassa käytettäviin korkeataajuuspiirikortteihin, joissa hinta on tärkeä tekijä.

Korkeataajuisten piirikorttien suunnittelun ydin on varmistaa signaalin eheyden, alhaisen häviön ja häiriönsuojauksen toteutuminen taajuusalueella 300 MHz – 3 GHz. Tässä on noudatettava tarkkoja ohjeita useilta osa-alueilta, kuten kannattimen valinnasta, impedanssinsäätöön, johdotukseen ja maadoitussuojaamiseen. Erityishuomioon otettavat seikat ovat seuraavat:

Tarkan kannusteen materiaalien valinta

Anna etusija omistettujen substraattien käytölle, joilla on alhainen Dk (2,2–4,5) ja alhainen Df (< 0,002) (kuten PTFE, Rogers RO4350B), ja vältä tavallisten FR-4-substraattien käyttöä estääksesi korkeataajuisen signaalin liiallisen vaimenemisen.

On välttämätöntä varmistaa substraatin Dk-arvon stabiilisuus käyttölämpötilan ja taajuusalueen sisällä, jotta ympäristön aiheuttamaa impedanssin hajaantumista voidaan estää.

Impedanssin säätö on tiukka koko prosessin ajan

Linjan leveyden, vierekkäisten johdinten välimatkan, substraatin paksuuden ja impedanssin välinen yhteys lasketaan etukäteen sähkömagneettisella simulointiohjelmistolla (kuten ADS, HFSS). Yleisimmin käytetyt kohde-impedanssit ovat

50 Ω (RF-siirtoon) ja 75 Ω (videonsiirtoon).

Impedanssitoleranssin tulisi olla hallittuna ±3 %:n ja ±5 %:n välillä. Kytkentää tehdessä on vältettävä äkillisiä viivan leveyden muutoksia ja suoria kulmia estämällä signaalin heijastumista, joka johtuu impedanssin epäjatkuvuudesta.

Suurtaajuiset signaalilinjat tulisi järjestää mahdollisimman paljon pintamikroliuskan tai sisäisen suojatun levylinjan mukaisesti, jotta vähennetään epätasaisesta väliaineesta johtuvia impedanssin heilahteluita.

Optimoi kytkentäkaavion hajaparametrit

Lyhennä suurtaajuisten jälkien pituutta: Vältä pitkiä kytkentöjä, vähennä hajainduktanssia sekä minimoi signaalin viive ja säteily.

Lisää signaalilinjojen välistöä: Suurtaajuisten linjojen välinen etäisyys tulisi olla ≥3 kertaa linjan leveys, tai tulisi käyttää maadoituseristeytystä vähentääkseen hajakapasitanssia ja signaalien risteysvaikutusta.

Vältä rinnakkaisia ja risteäviä linjoja: Rinnakkaista reititystä on altis kytkentähäiriöille. Risteävässä reitityksessä tulisi käyttää maatasoa eristeenä tai soveltaa kohtisuoraa risteävää menetelmää.

Lähellä olevien komponenttien sijoittelu: Suurtaajuuslaitteet, kuten RF-piirit, antennit ja liittimet, tulisi sijoittaa tiiviisti lähelle toisiaan vähentääkseen suurtaajuisten polkujen pituutta.

Maadoitus- ja varjostussuunnittelu parantaa häiriönsuojakykyä

Monikerroksisille korteille tulisi priorisoida täydellisten maadoituskerrosten suunnittelu: Maadoituskerros voi toimia signaalin paluupolkuina, vähentäen silmukkaimpedanssia ja samalla varjostaen signaalihäiriöitä kerrosten välillä.

Yksikerroksiset kortit tulisi maata laajalle alueelle maadoitusvastuksen vähentämiseksi.

Herkkien komponenttien paikallinen varjostus: RFTehovahvistimien ja oskillaattoreiden kaltaisia keskeisiä komponentteja varten voidaan suunnitella metalliset varjostuspeitteet estämään ulkoista sähkömagneettista häiriötä (EMI) ja sisäistä signaalinsäteilyä.

Digitaalimaan ja korkeataajuusmaan erottaminen: Korkeataajuus-signaalimaan ja digitaalipiirin maan tulee olla yhdistetty yhdessä pisteessä estämään digitaalisen kohinan kytkentymistä korkeataajuus-signaalipolulle.

Virtalähteen ja suodattimen suunnittelu vähentää kohinaa

Korkeataajuuspiirit ovat herkkiä virtalähteen kohinalle. Siksi korkeataajuus suodatin kondensaattorit (kuten 0,1 μF keraamiset kondensaattorit + 10 μF tantaalikondensaattorit) tulisi kytkeä rinnankytkennässä virtalähteen syöttöpään ja

piirin virtapinnien viereen suodattamaan pois virtalähteen korkeataajuuskohina.

Virtajohtojen tulisi olla lyhyitä ja leveitä vähentääkseen johdon impedanssia ja estääkseen virtalähteen kohinan kytkemisen korkeataajuussignaaleihin.

Valmistusprosessi on yhteensopiva pintakäsittelyn kanssa

Valitse jalostusteknologia, joka tukee hienoa linjaleveyttä/vierekkäisyyttä (3 mil/3 mil ja alle) ja tarkkaa porausta (reikä halkaisijan toleranssi ±0,01 mm), jotta täytetään korkeataajuuspiirilevyjen tarkkuusvaatimukset.

Pintakäsittelyssä kultapinnoitus ja hopeapinnoitus ovat suositeltuja: Kultapinnoituksen pinta on sileä ja sillä on alhainen kosketusvastus. Hopeapinnoituksella on hyvä sähkönjohtavuus ja alhainen pintaeffektihäviö, mikä tekee siitä sopivan korkeataajuisiin käyttökohteisiin.

vältä OSP-prosesseja, joilla on heikot antioksidointiominaisuudet, ydinalueen korkeataajuisessa osassa.

Lämmönsuunnittelu on sovitettu korkean lämpötilan vaatimuksiin

Jotkin korkeataajuusalueen substraatit (kuten PTFE) ovat huonoja lämmönjohtimia. Siksi on tarpeen suunnitella järkevä lämmönsiirtoreitti tai käyttää lämpöä johtavia tiivisteitä estämään substraatin muodonmuutoksia ja

suorituskyvyn heikkenemistä, joka aiheutuu korkean tehon laitteiden tuottamasta lämmöstä.

Alhainen signaalin vaimennus varmistaa siirron laadun

Käyttämällä erityisiä substraatteja, joilla on alhainen dielektrinen vakio (Dk) ja alhainen dielektrinen häviö (Df), kuten PTFE:tä ja Rogers-sarjoja, voidaan vähentää tehokkaasti korkeataajuisten signaalien, joiden taajuus vaihtelee 300 MHz:stä 3 GHz:ään, energiahäviöt siirron aikana

välttää signaalin vääristymisen sekä täyttää pitkän matkan ja korkeatajuisen viestinnän sekä datansiirron vaatimukset.

Tarkka impedanssin hallinta parantaa signaalin eheyttä

Suunnittelemalla tarkasti johdon leveyden, johdinten välimatkan ja substraatin paksuuden voidaan impedanssivaihtelut pitää hallinnassa ±3 %:n ja ±5 %:n välillä, saavuttaen stabiilin sovituksen standardimpedansseihin kuten 50Ω/75Ω, välttäen signaalin heijastumisen

ja seisovien aaltojen ilmiöt sekä varmistamalla RF- ja mikroaaltopiirien luotettava toiminta.

Vahva häiriönsietokyky, sopii monimutkaisiin sähkömagneettisiin ympäristöihin

Optimoitu kaapelointirakenne (kuten mikroliuska- ja nauhaliitännät) sekä monikerroksinen maadoitussuunnittelu voivat vähentää parasiittista kapasitanssia ja induktanssia sekä signaalien ristisovituksen ja elektromagneettisen säteilyn (EMI). Yhdistettynä

paikalliseen metallivaippaukseen se pystyy vastustamaan ulkoista sähkömagneettista häiriötä ja soveltuu tilanteisiin, joissa vaaditaan korkeaa sähkömagneettista yhteensopivuutta, kuten teollisuuden ohjauslaitteet ja lääketieteelliset laitteet.

Erinomainen ympäristöön sopeutuvuus, täyttää vaativat käyttöolosuhteet

Erityinen korkeataajuusalausta on lämpökestävä (yli 260 °C), kemiallisesti kestävä ja kosteudenkestävä. Yhdistettynä vakavaan kuparifolioiden liittymismenetelmään se pystyy ylläpitämään stabiilia

suorituskykyä vaativissa olosuhteissa, kuten värähtelyssä ja korkean ja matalan lämpötilan sykleissä, täyttäen autoteollisuuden ja sotilaskäytön pitkän aikavälin toimintavaatimukset

laitteiden turvallisuudelle.

Korkea integraatiotuki mahdollistaa miniatyrisoidun suunnittelun

Tukee hienojen linjojen ja välejen, joiden leveys on 3 mil/3 mil tai alle, sekä pienien reikien halkaisijoiden käsittelyä. Se mahdollistaa tiheän johdotuksen, täyttäen miniatyrisoitujen ja korkeasti integroidujen tuotteiden, kuten RF-

moduulien ja 5G-tukiasemakomponenttien, suunnittelutarpeet sekä säästää laitevaraa.