Suuritaajuiset piirit

Mikä on korkeataajuuspiirilevy?

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

· Alhainen dielektrinen vakio (Dk): Dielektrinen vakio määrittää signaalin siirtymisnopeuden. Mitä alhaisempi Dk-arvo, sitä nopeampi signaalin siirtymisnopeus ja sitä pienempi signaalin viive. Korkeataajuisten PCB:tien Dk-arvo 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.

· Alhainen dielektrinen häviötangentti (Df): Df-arvo heijastaa suoraan signaalin energiahäviötä substraatissa. Mitä alhaisempi Df, sitä pienempi häviö. Korkeataajuisten PCB-substraattien Df-arvo on yleensä alle 0,002 (Df-arvo 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 (polytetrafluorieteeni): Dk≈2,1, Df≈0,0009, korkean lämpötilan kestävyys (yli 260 °C), vahva kemiallinen stabiilisuus, on ensisijainen valinta vaativiin sovelluksiin kuten sotilasteollisuudessa ja satelliittiviestinnässä.

· Rogers-sarja (esim. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, erinomainen impedanssivakaus, sopii 5G-akseliasemiin ja RF-moduuleihin.

· Korkeataajuinen epoksiharjalevy: 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 korkeataajuuspiireissä ovat 50Ω ja 75Ω. Impedanssin toleranssin tulisi olla hallittu ±3 %:n ja ±5 %:n välillä.

· Toteutustapa: Suunnittelemalla tarkasti neljä ydinkohtaista parametria – johdonleveyttä, johdonvälistä etäisyyttä, substraattipaksuutta ja kuparilevyn paksuutta – ja varmentamalla ne sähkömagneettisella simulointiohjelmistolla, 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

· Lyhentää johtimen pituutta, vähentää kiertoreittejä ja alentaa paraskaattoria induktanssia;

· Kasvattaa signaalinjohtimien välistä etäisyyttä tai käyttää maadoitettuja eristysvyöhykkeitä vähentääkseen paraskaattoria kapasitanssia;

· Käyttää erikoisia siirtojohtorakenteita kuten mikrostrip-johtimia ja nauhajohtimia vähentääkseen sähkömagneettisen kytkennän välillä signaaleja ja ulkoista maailmaa;

Sähkömagneettisen häiriön (EMI) vastustuskyky

· Kasvattaa maadoituskerrosten määrää muodostaakseen "suojauholin" ja estääkseen ulkoista sähkömagneettista häiriötä;

· Suorita paikallinen varjominen herkille komponenteille vähentääksesi sisäistä signaalinsäteilyä;

· Optimoi virtalähteen ja maadoituksen asettelu vähentääksesi virtalähteestä aiheutuvan 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 perusaineet kestävät lämpötiloja yli 260 °C, täyttäen uudelleenjuottamisen ja aaltojuottamisen käsittelyvaatimukset, ja samalla soveltuvat laitteiden pitkäaikaiseen käyttöön korkeissa lämpötiloissa.

· Kemiallisen kestävyyden: Perusaineen on oltava hapon- ja alkali- sekä kosteudenkestävää estääkseen perusaineen kerrostumisen ja kuparilevyn hapettumisen kovissa olosuhteissa.

· Mekaaninen stabiilius: Kuparifolio on vahvasti kiinnittynyt substraattiin, mikä vähentää vääntymisen ja muodonmuutosten todennäköisyyttä, ja takkaa laitteiston luotettavuuden tärinän ja iskun vaikutuksen alaisena.

Korkea valmistustarkkuus ominaisuutena

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

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

· Tarkka poraus: Pienin reiän halkaisija voi saavuttaa 0,1 mm, ja reiän sijaintitoleranssi pidetään sisällä ±0,01 mm, välttäen impedanssimuutoksia, joita aiheutuvat reiän sijainnin poikkeamisesta.

· Pintakäsittely: Kulta- ja hopeapinnoitukset otetaan useimmiten käyttöön vähentääkseen signaalihäviötä johtimen pinnalla .

Ydinalusta

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

Kuparifoliomateriaali

Korkeataajuisilla signaaleilla esiintyy ihoaistinvaikutus, joten kuparifoolin valinnassa on huomioitava johtavuustehokkuus ja pintatason tasaisuus:

· Elektrolyyttinen kuparifolio: Alhainen hinta, kohtalainen pintakarheus, sopii useimmiten korkeataajuisten PCB-sovellusten tarpeisiin;

· Veloiltu kuparifolio: Sileämpi pinta, pienempi ihoaistinvaikutuksen aiheuttama häviö, sopii korkeataaajuus- ja korkean herkkyyden radiofrekuenttitekniikkaan;

· Kuparifoliopaksuus: Yleisesti käytettyjä arvoja ovat 1 uncia (35μm) tai ½ uncia (17,5μm). Ohut kuparifolio vähentää paraskaista induktanssia ja sopii paremmin tiheään korkeataaajuusjohdotukseen.

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.

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.