PCBs de Alta Frecuencia

Un PCB de alta frecuencia é un tipo de PCB que utiliza sustratos especializados con baixa constante dieléctrica (Dk) e baixo fogo dieléctrico (Df), como os das series PTFE e Rogers. Requírese un control estrito da impedancia e un cableado optimizado para reducir os parámetros parasitas. Está deseñado especificamente para escenarios de transmisión de sinais de alta frecuencia que van de 300 MHz a 3 GHz. Placas de circuito impreso de alta precisión compatibles amplamente con equipos en campos como as comunicacións, a industria militar, a medicina coidados e electrónica de consumo.

Características das PCB de alta frecuencia

As características dos circuitos de comunicación de alta frecuencia están deseñadas arredor dos tres requisitos principais de baixa perda, alta estabilidade e antiperturbación na transmisión de sinais de alta frecuencia que van de 300 MHz a 3 GHz. Cada característica corresponde a seleccións específicas de materiais, normas de proceso e valores de aplicación. A continuación, ofrécese un desglose detallado:

A característica de baixa perda do sustrato

Cando se transmiten sinais de alta frecuencia, prodúcese unha perda de enerxía debido ás propiedades dieléctricas do sustrato. Esta é a diferenza principal entre os circuitos de alta frecuencia e as PCB ordinarias.
Parámetros clave

· Baixo coeficiente dieléctrico (Dk): O coeficiente dieléctrico determina a velocidade de transmisión do sinal. Canto máis baixo sexa o valor de Dk, maior será a velocidade de transmisión do sinal e menor o atraso do sinal. O valor de Dk dos PCB de alta frecuencia

os substratos adoitan ser estables entre 2,2 e 4,5 (o Dk dos substratos FR-4 comúns é aproximadamente de 4,6 a 4,8), e é necesario garantir a estabilidade de Dk baixo diferentes temperaturas e frecuencias para evitar a distorsión do sinal.

· Baixa tanxente de perda dieléctrica (Df): O valor de Df reflicte directamente a perda de enerxía do sinal no substrato. Canto máis baixo sexa o Df, menor será a perda. O valor de Df dos substratos de PCB de alta frecuencia adoita ser inferior a 0,002 (o Df do

fR-4 ordinario é de arredor de 0,02), o que pode reducir efectivamente a atenuación do sinal e resulta especialmente adecuado para transmisión de sinais a longa distancia e de alta frecuencia.

Substrato típico

·PTFE (Politetrafluoroetileno): Dk≈2,1, Df≈0,0009, resistencia a altas temperaturas (por encima de 260 ℃), estabilidade química forte, é a primeira opción para escenarios de alta demanda como a industria militar e a comunicación por satélite.

· Serie Rogers (por exemplo, RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, con excelente estabilidade de impedancia, adecuada para estacións base 5G e módulos RF.

· Placa de resina epoxi de alta frecuencia: menor custo, Dk≈3,5-4,0, satisfai os requisitos básicos dos compoñentes RF na electrónica de consumo.

Características de control de impedancia de alta precisión

As sinais de alta frecuencia son extremadamente sensibles aos cambios de impedancia. Un desaxuste de impedancia pode causar reflexión do sinal, ondas estacionarias e distorsión, afectando directamente ao rendemento do equipo.

· Normas de control de impedancia: Os valores de impedancia habitualmente usados en PCBs de alta frecuencia son 50Ω (para transmisión RF/microondas) e 75Ω (para transmisión de vídeo/cable coaxial). A tolerancia de impedancia debe controlarse

dentro do ±3% ao ±5% (a tolerancia de impedancia para PCBS ordinarios é usualmente ±10%).

· Método de implementación: Mediante o deseño preciso de catro parámetros clave - ancho de liña, espazamento de liña, grosor do sustrato e grosor da follas de cobre - e verificándoos con software de simulación electromagnética (como ADS, HFSS),

garantíase a consistencia de impedancia. Por exemplo, o valor de impedancia dunha estrutura de liña microtira é directamente proporcional ao ancho de liña e inversamente proporcional ao grosor do sustrato. É necesario axustalo repetidamente para

alcanzar o valor obxectivo.

Baixos parámetros parasitarios e características antiinterferencias

Nas circuítos de alta frecuencia, a capacitancia e inductancia parasitarias dos fíos poden crear fontes adicionais de interferencia, provocando diafonía de sinal ou radiación electromagnética (EMI). Polo tanto, os PCBS de alta frecuencia deben deseñarse

e optimizarse para reducir os efectos parasitarios.

Deseño de baixos parámetros parasitarios

Acortar a lonxitude do cable, reducir o trazado sinuoso e diminuír a inductancia parasitaria;

Aumentar o espazamento das liñas de sinal ou usar bandas de illamento de terra para reducir a capacitancia parasitaria;

Adóptanse estruturas especiais de liñas de transmisión, como liñas microtira e liñas de fita, para reducir o acoplamento electromagnético entre sinais e o exterior.

Capacidade antiinterferencias electromagnéticas (EMI)

Aumentar o número de capas de terra para formar unha "cavidade de apantallamento" e bloquear as interferencias electromagnéticas externas;

Realizar un apantallamento local en compoñentes sensibles (como chips RF) para reducir a radiación de sinais internos;

Optimizar a distribución da alimentación e do terra para reducir o impacto do ruído da alimentación nos sinais de alta frecuencia.

Excelentes características de adaptabilidade física e ambiental

Os escenarios de aplicación dos PCBs de alta frecuencia están principalmente en campos con requisitos ambientais estritos, como o control industrial, a atención médica e a industria militar. Polo tanto, o material base e o proceso deben satisfacer

requisitos adicionais de rendemento físico

· Resistencia ao calor: Algúns materiais base (como o PTFE, Rogers) poden soportar temperaturas por riba dos 260 ℃, cumprindo os requisitos de procesamento da soldadura por reflu xo e da soldadura por onda, e sendo ao mesmo tempo adecuados para

o funcionamento continuo do equipo en ambientes de alta temperatura.

· Resistencia química: O material base debe ter características de resistencia a ácidos e bases e resistencia á humidade para evitar a descomposición do material base e a oxidación da follas de cobre en ambientes agresivos.

· Estabilidade mecánica: A lámina de cobre ten unha forte forza de unión co sustrato, polo que é menos probable que se deforme ou torda, asegurando a fiabilidade do equipo en condicións de vibración e impacto.

Características de alta precisión de fabricación

A precisión da tecnoloxía de procesado dos PCB de alta frecuencia é moito máis elevada que a dos PCB ordinarios. Os requisitos clave do proceso inclúen:

· Ancho de liña/espazado estreito: Pode acadar anchuras de liña e espazados de 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) ou incluso máis finos, satisfacendo os requisitos de interconexión de circuítos de alta densidade e alta frecuencia.

· Perforación precisa: O diámetro mínimo do furado pode acadar 0,1 mm, e a tolerancia da posición do furado controlase dentro de ±0,01 mm, evitando cambios de impedancia causados por desvios na posición do furado.

· Tratamento superficial: Os procesos de chapado en ouro e chapado en prata adoitanse adoptar para reducir a perda de sinal na superficie do conductor (o efecto pel causa que os sinais de alta frecuencia se concentren na superficie do conductor, e un tratamento superficial liso pode reducir a perda).

pode reducir a perda).

Substrato central

O substrato é a base dos PCBs de alta frecuencia e afecta directamente á perda e estabilidade da transmisión de sinais. Os tipos e parámetros principais son os seguintes:

Material de follas de cobre

As sinais de alta frecuencia teñen un efecto pel (as sinais están concentradas na superficie do conductor para a transmisión), polo que a selección da folla de cobre debe ter en conta tanto a eficiencia de conducción como a planicidade da superficie:

Follo de cobre electrolítico: Baixo custo, rugosidade superficial moderada, adecuado para a maioría dos escenarios de PCB de alta frecuencia;

Follo de cobre laminado: Superficie máis lisa, menor perda por efecto pel, adecuado para equipos de radiofrecuencia de alta frecuencia e alta sensibilidade;

Grosor da folla de cobre: Os máis comúns son 1 onza (35 μm) ou ½ onza (17,5 μm). A folla de cobre fina pode reducir a inductancia parasita e é máis axeitada para o cableado de alta densidade e alta frecuencia.

Materiais de tratamento superficial

O tratamento superficial dos PCB de alta frecuencia necesita reducir a resistencia de contacto, previr a oxidación do cobre e evitar afectar á transmisión das sinais de alta frecuencia

· Chapado en ouro (ENIG): Superficie lisa, forte resistencia á oxidación, baixa resistencia de contacto, escaso impacto na perda de sinais de alta frecuencia, adecuada para interfaces RF de alta precisión.

· Chapado en prata: Ten mellor condutividade eléctrica que o chapado en ouro e menor perda, pero é propenso á oxidación e necesita combinarse cun recubrimento antioxidante. É adecuado para circuítos de microondas de alta frecuencia.

· Máscara de soldadura orgánica (OSP): Ten un baixo custo e proceso sinxelo, pero a súa resistencia ao calor é media. É adecuada para PCBS de alta frecuencia en electrónica de consumo sensible ao custo.

O núcleo do deseño de PCB de alta frecuencia consiste en garantir a integridade, baixa perda e rendemento contra interferencias dos sinais que van de 300 MHz a 3 GHz. É necesario controlar estritamente múltiples dimensións como a selección do substrato, control de impedancia, trazado de rutas e apantallamento de terra. As precaucións específicas son as seguintes:

Selección precisa dos materiais base

Dar prioridade a escoller substratos dedicados con baixo Dk (2,2-4,5) e baixo Df (< 0,002) (como PTFE, Rogers RO4350B), e evitar o uso de substratos FR-4 ordinarios para previr unha atenuación excesiva das sinais de alta frecuencia.

É necesario confirmar a estabilidade do valor Dk do substrato dentro da gama de temperatura e frecuencia de traballo para evitar desvios de impedancia causados por cambios ambientais.

O control de impedancia é estrito en todo o proceso

A relación correspondente entre a anchura da liña, o espazado entre liñas, o grosor do substrato e a impedancia calcúlase previamente mediante software de simulación electromagnética (como ADS, HFSS). As impedancias obxectivo máis usadas son

50Ω (para transmisión RF) e 75Ω (para transmisión de vídeo).

A tolerancia de impedancia debe controlarse dentro de ±3% a ±5%. Ao facer o trazado, evítense cambios bruscos na anchura da liña e xiras en ángulo recto para previr reflexións de sinal causadas por descontinuidades de impedancia.

As liñas de sinal de alta frecuencia deben organizarse tanto como sexa posible como liñas de microtira superficial ou liñas de tira interior para reducir as fluctuacións de impedancia causadas por medios inuniformes.

Optimizar os parámetros parasitarios para o trazado de conexións

Acurtar a lonxitude das pistas de alta frecuencia: Evitar circuítos longos, reducir a indutancia parasitaria e minimizar o atraso do sinal e a radiación.

Aumentar o espazamento entre liñas de sinal: O espazamento entre liñas de alta frecuencia debe ser ≥3 veces a largura da liña, ou debe empregarse unha banda de illamento de terra para reducir a capacidade parasitaria e a diafonía do sinal.

Evitar liñas paralelas e liñas cruzadas: O encamiñamento paralelo é propenso á interferencia por acoplamento. O encamiñamento cruzado necesita estar illado mediante unha capa de terra ou debe adoptarse un método de cruce perpendicular.

Disposición dos compoñentes próximos: Os dispositivos de alta frecuencia, como chips RF, antenas e conectores, deben colocarse preto uns dos outros para reducir a lonxitude das rutas de alta frecuencia.

O deseño de conexión á terra e apantallamento mellora a capacidade antiperturbación

Para placas multicapa, é recomendable priorizar o deseño de capas completas de masa: A capa de masa pode actuar como ruta de retorno do sinal, reducindo a impedancia do bucle e apantallando ao mesmo tempo as interferencias de sinal entre capas.

As placas dunha soa capa deben cubrirse nunha grande área para reducir a resistencia de conexión á terra.

Apantallamento local de compoñentes sensibles: Para compoñentes clave como amplificadores RF e osciladores, pódense deseñar cubertas metálicas de apantallamento para bloquear as interferencias electromagnéticas (EMI) externas e a radiación de sinais internos.

A illación entre masa dixital e masa de alta frecuencia: A masa do sinal de alta frecuencia e a masa do circuíto dixital deben conectarse nun único punto para evitar que o ruído dixital se acople á ruta do sinal de alta frecuencia.

O deseño da alimentación e do filtro reduce o ruído

Os circuítos de alta frecuencia son sensibles ao ruído da fonte de alimentación. Polo tanto, deberían conectarse en paralelo condensadores de filtro de alta frecuencia (como condensadores cerámicos de 0,1μF + condensadores de tántalo de 10μF) na entrada da fonte de alimentación e

xunto aos bornes de alimentación do chip para filtrar o ruído de alta frecuencia da fonte de alimentación.

O trazado da alimentación debería ser curto e ancho para reducir a impedancia dos cables e evitar o acoplamento do ruído da alimentación con sinais de alta frecuencia.

O proceso de fabricación é compatible co tratamento superficial

Escolla unha tecnoloxía de procesamento que admita liñas finas/espazado entre liñas (3mil/3mil e inferior) e perforación precisa (tolerancia do diámetro do furado ±0,01 mm) para cumprir os requisitos de precisión dos PCBs de alta frecuencia.

Para o tratamento superficial, prefírense o chapado en ouro e o chapado en prata: a superficie do chapado en ouro é lisa e ten baixa resistencia de contacto. O chapado en prata ten unha boa condutividade eléctrica e baixas perdas por efecto pelicular, polo que é axeitado para escenarios de alta

frecuencia. Evítense procesos OSP con malas propiedades antioxidantes na rexión central de alta frecuencia.

O deseño térmico adaptouse aos requisitos de alta temperatura

Algúns sustratos de alta frecuencia (como o PTFE) teñen mala condutividade térmica. Polo tanto, é necesario deseñar racionalmente o camiño de disipación de calor ou empregar xuntas condutoras térmicas para evitar a deformación do sustrato e

a degradación do rendemento causada polo calor xerado por dispositivos de alta potencia.

Baixa atenuación do sinal para asegurar a calidade de transmisión

Mediante o uso de sustratos dedicados con baixa constante dieléctrica (Dk) e baixo fogo dieléctrico (Df), como os das series PTFE e Rogers, pódese reducir de forma efectiva a perda de enerxía dos sinais de alta frecuencia que van de 300 MHz a 3 GHz durante a transmisión

pódese evitar a distorsión do sinal, e pódense satisfacer os requisitos de comunicación e transmisión de datos a longa distancia e alta frecuencia.

O control de impedancia de alta precisión mellora a integridade do sinal

Mediante o deseño preciso do ancho de liña, separación entre liñas e grosor do sustrato, a tolerancia de impedancia controlase dentro de ±3% a ±5%, conseguindo un axuste estable de impedancias estándar como 50Ω/75Ω, evitando a reflexión do sinal

e os fenómenos de onda estacionaria, e asegurando o funcionamento fiabil de circuitos de RF e microondas.

Alta capacidade de antinterferencias, adecuado para entornos electromagnéticos complexos

A estrutura de cableado optimizada (como liñas microstrip e liñas de fita) e o deseño de terra múltiple poden reducir a capacitancia e inductancia parasitarias, así como a diafonía de sinais e a radiación electromagnética (EMI). En combinación

con apantallamento metálico local, pode resistir a interferencia electromagnética externa e é adecuado para escenarios con requisitos elevados de compatibilidade electromagnética, como equipos de control industrial e instrumentos médicos.

Excelente adaptabilidade ambiental, satisfacendo condicións de traballo duras

O sustrato de alta frecuencia dedicado caracterízase por resistencia a altas temperaturas (por encima de 260 ℃), resistencia á corrosión química e resistencia á humidade. Combinado cun proceso estable de unión de follas de cobre, pode manter un

rendemento estable en ambientes duros como vibracións e ciclos de alta e baixa temperatura, satisfacendo os requisitos de funcionamento a longo prazo de calidade automotriz e calidade militar

equipamento.

O soporte de alta integración facilita o deseño miniaturizado

Compatível co procesamento de liñas finas e espazos de 3mil/3mil e inferiores, así como diámetros de furos pequenos. Pode acadar un cableado de alta densidade, satisfacendo os requirimentos de deseño de produtos miniaturizados e altamente integrados como os RF

módulos e compoñentes de estacións base 5G, e aforrando espazo no equipo.