PCB visoke frekvencije

Visokofrekventna tiskana ploča je vrsta tiskane ploče koja koristi specijalizirane podloge s niskim dielektričnim konstantama (Dk) i niskim gubitkom dielektrika (Df), kao što su PTFE i Rogers serija. Zahtijeva strogo upravljanje impedancijom i optimizirano vođenje vodova radi smanjenja parazitskih parametara. Posebno je osmišljena za scenarije prijenosa signala na visokim frekvencijama u rasponu od 300 MHz do 3 GHz. Visoko precizne tiskane ploče široko kompatibilne s opremom u područjima poput komunikacije, vojne industrije, medicine njega i potrošačke elektronike.

Karakteristike visokofrekventnih tiskanih ploča

Karakteristike visokofrekventnih komunikacijskih krugova dizajnirane su oko tri ključna zahtjeva: niske gubitke, visoku stabilnost i otpornost na smetnje pri prijenosu visokofrekventnih signala u rasponu od 300 MHz do 3 GHz. Svaka karakteristika odgovara određenom izboru materijala, standardima procesa i primjenjivim vrijednostima. Slijedi detaljan pregled:

Karakteristika niskih gubitaka podloge

Kada se visokofrekventni signali prenose, dolazi do gubitka energije zbog dielektričnih svojstava podloge. Ovo je ključna razlika između visokofrekventnih krugova i običnih tiskanih ploča.
Ključni parametri

· Nizak dielektrični konstant (Dk): Dielektrični konstant određuje brzinu prijenosa signala. Što je niža vrijednost Dk-a, veća je brzina prijenosa signala i manje kašnjenje signala. Vrijednost Dk-a visokofrekventnih PCB pločica obično je stabilna između 2,2 i 4,5 (Dk uobičajenih FR-4 podloga iznosi približno 4,6 do 4,8), a potrebno je osigurati stabilnost Dk-a pri različitim temperaturama i frekvencijama kako bi se izbjeglo izobličenje signala.

podloga je obično stabilna između 2,2 i 4,5 (Dk uobičajenih FR-4 podloga iznosi približno 4,6 do 4,8), a potrebno je osigurati stabilnost Dk-a pri različitim temperaturama i frekvencijama kako bi se izbjeglo izobličenje signala.

· Nizak tangens gubitka dielektrika (Df): Vrijednost Df izravno pokazuje gubitak energije signala u podlozi. Što je niži Df, manji je gubitak. Vrijednost Df visokofrekventnih PCB podloga općenito je manja od 0,002 (Df običnog FR-4 iznosi oko 0,02), što učinkovito smanjuje slabljenje signala i posebno je pogodno za prijenos signala na velike udaljenosti i visokim frekvencijama.

običnog FR-4 je oko 0,02), što učinkovito smanjuje slabljenje signala i posebno je pogodno za prijenos signala na velike udaljenosti i visokim frekvencijama.

Tipična podloga

· PTFE (politetrafluoroetilen): Dk≈2,1, Df≈0,0009, otpornost na visoke temperature (iznad 260℃), izvrsna kemijska stabilnost, prvi je izbor za zahtjevne primjene poput vojne industrije i satelitske komunikacije.

· Serija Rogers (npr. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, s izvrsnom stabilnošću impedancije, pogodna za 5G bazne stanice i RF module.

· Ploča od visokofrekventnog epoksidnog smola: niža cijena, Dk≈3,5-4,0, zadovoljava osnovne zahtjeve RF komponenata u potrošačkoj elektronici.

Karakteristike visokoprecizne kontrole impedancije

Visokofrekventni signali iznimno su osjetljivi na promjene impedancije. Neusklađenost impedancije može uzrokovati refleksiju signala, stojne valove i izobličenja, što izravno utječe na performanse opreme.

· Standardi kontrole impedancije: Uobičajene vrijednosti impedancije za visokofrekventne pločice su 50Ω (za RF/mikrovalnu prijenos) i 75Ω (za prijenos videa/koaksijalnog kabla). Tolerancija impedancije treba biti kontrolirana

unutar ±3% do ±5% (tolerancija impedancije za uobičajene ploče obično iznosi ±10%).

· Način implementacije: Točnim projektiranjem četiri ključna parametra – širine trake, razmaka traka, debljine podloge i debljine bakrene folije – te provjerom pomoću softvera za elektromagnetsku simulaciju (kao što su ADS, HFSS),

osigurava se konzistentnost impedancije. Na primjer, vrijednost impedancije strukture mikrotrake izravno je proporcionalna širini trake, a obrnuto proporcionalna debljini podloge. Potrebno ju je višestruko prilagoditi kako bi se

postigla ciljana vrijednost.

Niske parazitske veličine i svojstva protiv smetnji

U visokofrekventnim krugovima, parazitska kapacitivnost i induktivnost vodiča može stvoriti dodatne izvore smetnji, što dovodi do kroskupljanja signala ili elektromagnetskog zračenja (EMI). Stoga se visokofrekventne ploče moraju projektirati

i optimizirati radi smanjenja parazitskih učinaka.

Projektiranje s niskim parazitskim veličinama

Skratite duljinu žice, smanjite zaobilazne putove i snizite parazitsku induktivnost;

Povećajte razmak između signalnih vodova ili upotrijebite trake za uzemljensku izolaciju kako biste smanjili parazitsku kapacitivnost;

Koriste se posebne strukture prijenosnih linija poput mikrotraka i trakastih vodova kako bi se smanjilo elektromagnetsko spajanje između signala i okoline.

Sposobnost protiv elektromagnetskih smetnji (EMI)

Povećajte broj uzemljenskih slojeva kako biste stvorili „zaštitnu šupljinu“ i blokirali vanjske elektromagnetske smetnje;

Provedite lokalno ekraniranje osjetljivih komponenti (poput RF čipova) kako biste smanjili unutarnje zračenje signala;

Optimizirajte izvor napajanja i raspored uzemljenja kako biste smanjili utjecaj buke napajanja na visokofrekventne signale.

Izvrsne fizičke karakteristike i prilagodba okolišu

Primjena visokofrekventnih tiskanih ploča uglavnom je u područjima s rigoroznim zahtjevima okoline, poput industrijske kontrole, zdravstvene skrbi i vojne industrije. Stoga materijal podloge i proces moraju zadovoljiti

dodatne zahtjeve za fizičkim svojstvima

· Otpornost na visoke temperature: Neki materijali podloge (kao što su PTFE, Rogers) mogu izdržati temperature iznad 260℃, ispunjavajući zahtjeve za procesima lemljenja taljenjem i talasnim lemljenjem, te istovremeno su pogodni za

dugotrajni rad opreme u uvjetima visokih temperatura.

· Otpornost na kemikalije: Materijal podloge mora imati svojstva otpornosti na kiseline i lužine te otpornosti na vlagu, kako bi se spriječilo odvajanje slojeva podloge i oksidacija bakrenih folija u teškim uvjetima.

· Mehanička stabilnost: Bakreni folio ima jaku adheziju na podlogu, zbog čega je manje sklon izobličenju ili deformacijama, osiguravajući pouzdanost opreme u uvjetima vibracija i udara.

Karakteristike visoke preciznosti izrade

Točnost obrade tehnologije visokofrekventnih tiskanih ploča znatno je veća u odnosu na obične tiskane ploče. Ključni zahtjevi procesa uključuju:

· Mala širina trake/razmak između traka: Može postići širine traka i razmake od 3 mil/3 mil (0,076 mm/0,076 mm) ili čak tanje, ispunjavajući zahtjeve za vođenjem vodiča u visokokoncentriranim i visokofrekventnim krugovima.

· Precizno bušenje: Minimalni promjer rupe može doseći 0,1 mm, a tolerancija položaja rupe kontrolira se unutar ±0,01 mm, izbjegavajući promjene impedancije uzrokovane odstupanjem položaja rupe.

· Površinska obrada: Postupci zlatnog i srebrnog prevlačenja najčešće se primjenjuju za smanjenje gubitaka signala na površini vodiča (efekt kože uzrokuje da se visokofrekventni signali koncentriraju na površini vodiča, a glatka površina

obrada može smanjiti gubitke).

Osnovni materijal jezgre

Substrat je osnova visokofrekventnih ploča i izravno utječe na gubitak prijenosa signala i stabilnost. Glavni tipovi i parametri su sljedeći:

Materijal bakrenog folija

Signali visoke frekvencije imaju efekt kože (signali su koncentrirani na površini vodiča za prijenos), stoga odabir bakrenog folija mora uzeti u obzir i učinkovitost vodljivosti i ravnanstvo površine:

Elektrolitički bakreni folij: Niska cijena, umjerena hrapnoća površine, prikladan za većinu scenarija visokofrekventnih tiskanih ploča;

Valjani bakreni folij: Ravnija površina, manji gubici zbog efekta kože, prikladan za visokofrekventnu i visokosenzitivnu radiofrekvencijsku opremu;

Debljina bakrenog folija: Uobičajene su 1oz (35 μm) ili ½oz (17,5 μm). Tanji bakreni folij može smanjiti parazitsku induktivnost i prikladniji je za visokofrekventne spojeve visoke gustoće.

Materijali za obradu površine

Obrada površine visokofrekventnih tiskanih ploča mora smanjiti kontakt otpor, spriječiti oksidaciju bakrenog folija i izbjeći utjecaj na prijenos visokofrekventnih signala

· Zlatno prevlačenje (ENIG): Glatka površina, jaka otpornost na oksidaciju, niski kontakt otpor, malo utječe na gubitak visokofrekventnog signala, pogodno za visoko precizne RF spojnice.

· Pločiranje srebrom: Ima bolju električnu vodljivost od zlatnog pločiranja i niže gubitke, ali je sklon oksidaciji te se mora kombinirati s protuoksidacijskim slojem. Pogodno za visokofrekventne mikrovalne sklopove.

· Organski solder mask (OSP): Niska cijena i jednostavan proces, ali prosječna otpornost na visoke temperature. Pogodno za visokofrekventne tiskane ploče u potrošačkoj elektronici koja je osjetljiva na troškove.

Srž dizajna visokofrekventnih tiskanih ploča je osigurati integritet, niske gubitke i otpornost na smetnje signala u rasponu od 300 MHz do 3 GHz. Potrebno je strogo kontrolirati više dimenzija poput odabira podloge, kontrole impedancije, izvedbe trasa i zaštite uzemljenjem. Posebne napomene su sljedeće:

Precizan odabir osnovnih materijala

Dajte prednost odabiru namjenskih podloga s niskim Dk (2,2-4,5) i niskim Df (< 0,002) (poput PTFE, Rogers RO4350B) i izbjegavajte korištenje uobičajenih FR-4 podloga kako biste spriječili prekomjerno slabljenje visokofrekventnih signala.

Potrebno je potvrditi stabilnost vrijednosti Dk podloge unutar radnog temperaturnog i frekvencijskog raspona kako bi se izbjeglo odstupanje impedancije uzrokovano promjenama okoline.

Kontrola impedancije je stroga tijekom cijelog procesa

Odnos između širine trake, razmaka traka, debljine podloge i impedancije izračunava se unaprijed pomoću softvera za elektromagnetsku simulaciju (poput ADS, HFSS). Uobičajene ciljne impedancije su

50Ω (za RF prijenos) i 75Ω (za prijenos videa).

Tolerancija impedancije treba biti ograničena na ±3% do ±5%. Prilikom vođenja traka, izbjegavajte nagle promjene širine trake i okomitih skretanja kako biste spriječili refleksiju signala uzrokovanu diskontinuitetom impedancije.

Linije visokofrekventnih signala trebaju se postaviti kao površinske mikrotrake ili unutarnje trake koliko god je to moguće kako bi se smanjile fluktuacije impedancije uzrokovane nejednolikim medijem.

Optimiziraj parazitne parametre za raspored trasa

Skrati duljinu visokofrekventnih trasa: izbjegavaj dugačke spojeve, smanji parazitnu induktivnost i minimiziraj kašnjenje signala te zračenje.

Povećaj razmak između signalnih vodova: razmak između visokofrekventnih vodova treba biti ≥3 puta veći od širine voda, ili se treba koristiti traka za uzemljenje radi izolacije kako bi se smanjila parazitna kapacitivnost i kroskupling signala.

Izbjegavaj paralelne i križne vodove: paralelna usmjeravanja skloni su interferenciji spajanja, dok križna usmjeravanja trebaju biti izolirana kroz sloj uzemljenja ili se treba primijeniti vertikalno križanje.

Raspored komponenti u blizini: visokofrekventni uređaji poput RF čipova, antena i spojnica trebaju biti gusto raspoređeni kako bi se smanjila duljina visokofrekventnih putova.

Konstrukcija uzemljenja i ekraniranja poboljšava sposobnost protiv smetnji

Za višeslojne ploče, preporuča se da se prvenstveno osigunaju potpuni slojevi uzemljenja: Sloj uzemljenja može poslužiti kao povratna staza signala, smanjujući impedanciju petlje te istovremeno ekranirajući smetnje signala između slojeva.

Jednoslojne ploče treba položiti preko velike površine kako bi se smanjio otpor uzemljenja.

Lokalno ekraniranje osjetljivih komponenti: Za ključne komponente poput RF pojačala i oscilatora, mogu se projektirati metalni zaštitni poklopci za blokiranje vanjskih elektromagnetskih smetnji (EMI) i unutarnjeg zračenja signala.

Odvajanje digitalnog uzemljenja i visokofrekventnog uzemljenja: Visokofrekventno uzemljenje i uzemljenje digitalnog kruga treba spojiti u jednoj točki kako bi se spriječilo prelazak digitalnog šuma u visokofrekventnu signalnu stazu.

Projektiranje napajanja i filtra smanjuje buku

Visokofrekventni krugovi su osjetljivi na buku napajanja. Stoga, visokofrekventni filtar kondenzatori (kao što su keramički kondenzatori od 0,1 μF + tantalni kondenzatori od 10 μF) trebaju biti spojeni paralelno na ulazu napajanja i

pored priključaka napajanja čipa kako bi se filtrirala visokofrekventna buka iz napajanja.

Vođenje napajanja treba biti kratko i široko kako bi se smanjio otpor vodiča i izbjeglo spajanje smetnji napajanja s visokofrekventnim signalima.

Tehnologija proizvodnje kompatibilna je s površinskom obradom

Odaberite tehnologiju obrade koja podržava fine širine traka/razmake između traka (3 mil/3 mil i ispod) te precizno bušenje (tolerancija promjera rupe ±0,01 mm) kako bi se zadovoljili zahtjevi za točnošću visokofrekventnih ploča.

Kod obrade površine, preferirano je zlatno i srebrno prevlačenje: površina zlatnog prevlačenja je glatka i ima niski otpor kontakta. Srebrno prevlačenje ima dobru električnu vodljivost i niske gubitke zbog skin efekta, zbog čega je pogodno za visoke

frekvencijske scenarije. Izbjegavajte korištenje OSP procesa s lošim svojstvima protiv oksidacije u ključnom visokofrekvencijskom području.

Termalni dizajn prilagođen je zahtjevima na visoku temperaturu

Neke visokofrekventne podloge (kao što je PTFE) imaju lošu toplinsku vodljivost. Stoga je potrebno racionalno osmisliti put hlađenja ili koristiti toplinski vodljive podložake kako bi se spriječila deformacija podloge i

degradacija performansi uzrokovane toplinom koju proizvode visokofrekventni uređaji.

Niska slabljenje signala osigurava kvalitetu prijenosa

Korištenjem posebnih podloga s niskim dielektričnim konstantama (Dk) i niskim dielektričnim gubicima (Df), poput PTFE-a i serije Rogers, može se učinkovito

smanjiti gubitak energije visokofrekventnih signala u rasponu od 300 MHz do 3 GHz tijekom prijenosa, izbjeći isobličenje signala te zadovoljiti zahtjevi za dugačkim i visokofrekventnim komunikacijama i prijenosom podataka.

Visokotočna kontrola impedancije poboljšava integritet signala

Točnim projektiranjem širine trake, razmaka između traka i debljine podloge, tolerancija impedancije drži se unutar ±3% do ±5%, postižući stabilno usklađivanje standardnih impedancija kao što su 50Ω/75Ω, izbjegavajući refleksiju signala

i fenomen stojećih valova, te osiguravajući pouzdan rad visokofrekventnih krugova poput RF i mikrovalnih.

Snažna otpornost na smetnje, pogodna za složena elektromagnetska okruženja

Optimizirana struktura oženja (kao što su mikrotrake i trakaste linije) i dizajn višeslojne uzemljenja mogu smanjiti parazitsku kapacitivnost i induktivnost, kao i kros-utjecaj signala i elektromagnetsko zračenje (EMI). U kombinaciji

s lokalnim metalnim ekraniranjem, može se postići otpornost na vanjske elektromagnetske smetnje, što je prikladno za scenarije s visokim zahtjevima za elektromagnetsku kompatibilnost, kao što su industrijska upravljačka oprema i medicinska instrumentacija.

Izvrsna prilagodljivost okolišu, zadovoljavanje teških radnih uvjeta

Posebni visokofrekventni supstrat ima otpornost na visoke temperature (iznad 260℃), otpornost na kemijsku koroziju i otpornost na vlagu. U kombinaciji s stabilnim postupkom lijepljenja bakrenih folija, može održati stabilne

performanse u teškim uvjetima poput vibracija i ciklusa visokih i niskih temperatura, ispunjavajući zahtjeve za dugotrajnim radom na automobilskoj i vojnoj razini

opreme.

Podrška za visoku integraciju omogućuje minijaturizirani dizajn

Podržava obradu tankih vodova i razmaka od 3 mil/3 mil i manje, kao i male promjere rupa. Može postići visokogustoću žicu, ispunjavajući zahtjeve dizajna za minijaturizirane i visoko integrirane proizvode kao što su RF

moduli i komponente za 5G bazne stanice, te uštedu prostora opreme.