Augstfrekvences PCB

Augstfrekvences PCB ir PCB veids, kas izmanto speciālus materiālus ar zemu dielektrisko konstanti (Dk) un zemu dielektrisko zudumu (Df), piemēram, PTFE un Rogers sēriju. Tam nepieciešams stingrs pretestības kontrole un optimizēta vadu izvietošana, lai samazinātu parazītos parametrus. Tas ir speciāli izstrādāts augstfrekvences signālu pārraidīšanas scenārijiem no 300 MHz līdz 3 GHz. Augstas precizitātes drukātās platēs, kas plaši sader ar aprīkojumu sakaru, militārās rūpniecības, medicīnas aprūpei un patēriņa elektronikā.

Augstfrekvences PCB raksturojums

Augstfrekvences sakaru shēmu raksturojums ir izstrādāts, balstoties uz trim galvenajām prasībām — zudumu samazināšana, augsta stabilitāte un traucējumizturība, pārraidot augstfrekvences signālus no 300 MHz līdz 3 GHz. Katra no šīm īpašībām atbilst konkrētai materiālu izvēlei, procesu standartiem un pielietojuma vērtībām. Šeit ir detaļu skaidrojums:

Zemas zuduma īpašība pamatnē

Pārraidot augstfrekvences signālus, enerģijas zudumi rodas substrāta dielektrisko īpašību dēļ. Tas ir galvenais atšķirības faktors starp augstfrekvences shēmām un parastām PCB.
Galvenie parametri

· Zems dielektriskās konstantes (Dk) rādītājs: Dielektriskā konstante nosaka signāla pārraides ātrumu. Jo zemāka Dk vērtība, jo ātrāka signāla pārraides ātrums un mazāka signāla aizkave. Augstfrekvences PCB

pakļautnes materiālu Dk vērtība parasti ir stabila diapazonā no 2,2 līdz 4,5 (parasto FR-4 pakļautņu Dk ir aptuveni 4,6 līdz 4,8), un ir jānodrošina Dk stabilitāte dažādās temperatūrās un frekvencēs, lai izvairītos no signāla izkropļojumiem.

· Zems dielektriskās zuduma tangensa (Df) rādītājs: Df vērtība tieši atspoguļo signāla enerģijas zudumu pakļautnē. Jo zemāka Df vērtība, jo mazāki zudumi. Augstfrekvences PCB pakļautņu Df vērtība parasti ir mazāka par 0,002 (parastam FR-4 Df ir aptuveni 0,02), kas efektīvi samazina signāla novājinājumu un ir īpaši piemērots garā attālumā un augstfrekvences signālu pārraidei.

parastam FR-4 ir aptuveni 0,02), kas efektīvi samazina signāla novājinājumu un ir īpaši piemērots garā attālumā un augstfrekvences signālu pārraidei.

Tipisks pakļautnis

·PTFE (politetrafluoroetilēns): Dk≈2,1, Df≈0,0009, izturība pret augstām temperatūrām (virs 260 °C), liela ķīmiskā stabilitāte, tāpēc tas ir pirmā izvēle augstas prasības situācijām, piemēram, militārajā rūpniecībā un satelītu sakarēs.

· Rogers sērija (piemēram, RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, ar izcilu impedances stabilitāti, piemērota 5G bāzēs stacijām un RF moduļiem.

· Augstfrekvences epoksīda sveķu plates: zemākas izmaksas, Dk≈3,5–4,0, atbilst patēriņa elektronikas RF komponentu pamatprasmēm.

Augsta precizitātes impedances regulēšanas īpašības

Augstfrekvences signāli ir ārkārtīgi jutīgi pret impedances izmaiņām. Impedances nesakritība var izraisīt signāla atstarošanos, stāvošos viļņus un izkropļojumus, tieši ietekmējot iekārtas veiktspēju.

· Impedances regulēšanas standarti: parasti izmantotās impedances vērtības augstfrekvences PCB ir 50 Ω (RF/mikroviļņu pārraidei) un 75 Ω (video/koaksiālajai kabeļu pārraidei). Impedances pieļaujamā novirze jāregulē

iekš ±3% līdz ±5% (impedances tolerances parastām PCB parasti ir ±10%).

· Realizācijas metode: Precīzi projektējot četrus galvenos parametrus — vadu platumu, vadu attālumu, substrāta biezumu un vara folijas biezumu — un tos verificējot ar elektromagnētiskās simulācijas programmatūru (piemēram, ADS, HFSS),

nodrošina impedances konsekvenci. Piemēram, mikrojosta līnijas struktūras impedances vērtība ir tieši proporcionāla līnijas platumam un apgriezti proporcionāla substrāta biezumam. To nepieciešams atkārtoti koriģēt, lai

sasniegtu mērķa vērtību.

Zemi parazītie parametri un antitraucējības īpašības

Augstfrekvences shēmās vadu parazītā kapacitāte un induktivitāte var radīt papildu traucējumu avotus, izraisot signāla pārklāšanos vai elektromagnētisko starojumu (EMI). Tāpēc augstfrekvences PCB jāprojektē

un jāoptimizē, lai samazinātu parazīto efektu.

Zemu parazīto parametru dizains

Saīsiniet vadu garumu, samaziniet aplinkus maršrutus un zemāku parazīto induktivitāti;

Palieliniet signāllīniju attālumu vai izmantojiet zemējuma izolācijas jostas, lai samazinātu parazīto kapacitāti;

Izmanto speciālas pārraides līniju struktūras, piemēram, mikrostripas līnijas un lentveida līnijas, lai samazinātu elektromagnētisko savienojumu starp signāliem un ārpasauli.

Pretestība elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI)

Palieliniet zemējuma slāņu skaitu, lai izveidotu "aizsargkameru" un bloķētu ārējos elektromagnētiskos traucējumus;

Veiciet lokālu ekraniņošanu uz jutīgajiem komponentiem (piemēram, RF čipiem), lai samazinātu iekšējo signālu starojumu;

Optimizējiet barošanas avota un zemējuma izkārtojumu, lai samazinātu barošanas trokšņa ietekmi uz augstfrekvences signāliem.

Izcilas fiziskās un vides pielāgošanās īpašības

Augstfrekvences PCB pielietojuma scenāriji lielākoties ir jomās ar stingrām vides prasībām, piemēram, rūpniecības kontrole, medicīna un militārā rūpniecība. Tāpēc bāzes materiāls un process ir jāatbilst

papildu fizikālajiem veiktspējas nosacījumiem

· Termoizturība: Daži bāzes materiāli (piemēram, PTFE, Rogers) iztur temperatūras virs 260 °C, nodrošinot atbilstību refluksa lodēšanas un vilnislodēšanas apstrādes prasībām, kā arī piemēroti

iekārtu ilgstošai darbībai augstās temperatūras vidē.

· Ķīmiskā izturība: Bāzes materiālam jābūt izturīgam pret skābēm un sāļiem, kā arī mitrumizturīgam, lai novērstu bāzes materiāla slāņu atdalīšanos un vara folijas oksidēšanos agresīvās vidēs.

· Mekhāniskā stabilitāte: Varša folija cieši saistās ar pamatni, tādējādi samazinoties ieliekšanās vai deformācijas iespējamībai, nodrošinot iekārtas uzticamību vibrāciju un triecienu apstākļos.

Augsta ražošanas precizitātes raksturojums

Augstfrekvences PCB izgatavošanas tehnoloģijas precizitāte ir daudz augstāka nekā parasto PCB. Galvenie procesa prasības ietver:

· Šaurs līnijas platums/līniju attālums: Iespējams sasniegt līniju platumu un attālumu 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) vai pat tievāku, atbilstot augstas blīvuma un augstfrekvences shēmu vajadzībām.

· Precīzs urbums: Minimālais cauruma diametrs var sasniegt 0,1 mm, bet cauruma pozīcijas toleranci kontrolē ietvaros ±0,01 mm, izvairoties no pretestības izmaiņām, ko izraisa cauruma novirze.

· Virsmas apstrāde: Zelta pārklājums un sudraba pārklājums tiek lietoti, lai samazinātu signāla zudumu vadītāja virsmā (ādas efekts rada to, ka augstfrekvences signāli koncentrējas vadītāja virsmā, un gluda virsma

apstrāde var samazināt zudumu).

Serdes materiāls

Pamatne ir augstfrekvences PCB pamats un tieši ietekmē signāla pārraides zudumu un stabilitāti. Galvenie tipi un parametri ir šādi:

Vara folijas materiāls

Augstfrekvences signāliem ir ādas efekts (signāli koncentrējas vadītāja virsmā pārraidei), tāpēc varša folijas izvēlē jāņem vērā gan vadošās efektivitāte, gan virsmas līdzenums:

Elektrolītiskā vara folija: zems izmaksas līmenis, vidēja virsmas raupjums, piemērota lielākajai daļai augstfrekvences PCB situāciju;

Valcēta vara folija: gludāka virsma, mazākas ādas efekta zuduma, piemērota augstfrekvences un augstjutīgai radiofrekvences iekārtai;

Vara folijas biezums: parasti tiek izmantots 1 unc. (35 μm) vai ½ unc. (17,5 μm). Tievs vara folijas slānis samazina parazītisko induktivitāti un ir piemērotāks blīvi augstfrekvences vadīšanai.

Virsmas apstrādes materiāli

Augstfrekvences PCB virsmas apstrādei jāsamazina kontaktpretestība, jānovērš vara folijas oksidēšanās un jāizvairās no augstfrekvences signālu pārraides traucējumiem

· Zelta pārklājums (ENIG): Gluda virsma, liela oksidēšanās pretestība, zema kontaktrezistences, mazs ietekmējums uz augstfrekvences signāla zudumu, piemērota augstas precizitātes RF savienojumiem.

· Sudraba pārklājums: Tam ir labāka elektriskā vadītspēja salīdzinājumā ar zelta pārklājumu un zemāki zudumi, taču tas viegli oksidējas un tam jābūt kombinētam ar pretoksidēšanas pārklājumu. Tas ir piemērots augstfrekvences mikroviļņu shēmām.

· Organisks lodēšanas maskējošais slānis (OSP): Tam ir zemas izmaksas un vienkāršs izgatavošanas process, bet tās termoizturība ir vidēja. Tā ir piemērota augstfrekvences PCB lietošanai patēriņa elektronikā, kurā izmaksas ir būtisks faktors.

Augstfrekvences PCB dizaina pamatā ir nodrošināt signālu integritāti, zemus zudumus un pretestību traucējumiem diapazonā no 300 MHz līdz 3 GHz. Ir nepieciešams stingri kontrolēt vairākas dimensijas, tostarp substrāta izvēli, pretestības regulēšanu, vadu izvietojumu un zemējuma aizsardzību. Konkrētie piesardzības pasākumi ir šādi:

Precīza materiāla izvēle

Dod priekšroku specializētiem materiāliem ar zemu Dk (2,2–4,5) un zemu Df (< 0,002) (piemēram, PTFE, Rogers RO4350B), un izvairieties no parasta FR-4 izmantošanas, lai novērstu pārmērīgu augstfrekvences signālu vājināšanos.

Ir jāpārliecinās par materiāla Dk vērtības stabilitāti darba temperatūras un frekvenču diapazonā, lai izvairītos no pretestības svārstībām, ko izraisa vides izmaiņas.

Pretestības regulējums ir stingrs visā procesā

Līnijas platuma, līnijas atstatuma, materiāla biezuma un pretestības savstarpējā attiecība tiek aprēķināta iepriekš, izmantojot elektromagnētiskās simulācijas programmatūru (piemēram, ADS, HFSS). Bieži izmantotās mērķa pretestības ir

50Ω (RF pārraidēm) un 75Ω (video pārraidēm).

Pretestības pieļaujamā novirze jāievēro ietvaros no ±3% līdz ±5%. Veidojot trases, jāizvairās no pēkšņām līnijas platumu izmaiņām un taisnleņķa pagriezieniem, lai novērstu signāla atstarošanos, ko izraisa pretestības nepārtrauktība.

Augstfrekvences signāllīnijas, cik vien iespējams, jāizvieto kā virsmas mikrostripu līnijas vai iekšējās striplīnijas, lai samazinātu pretestības svārstības, ko izraisa nevienmērīga vide.

Optimizēt parazitāros parametrus vadu izkārtojumam

Saīsināt augstfrekvences vadiņu garumu: izvairīties no garām ķēdēm, samazināt parazitāro induktivitāti un minimizēt signāla aizkavi un starojumu.

Palielināt signāllīniju attālumu: attālums starp augstfrekvences līnijām jābūt ≥3 reizes lielākam par līnijas platumu, vai arī jāizmanto zemes izolācijas josla, lai samazinātu parazitāro kapacitāti un signālu savstarpējo ietekmi.

Izvairīties no paralēlām un krustveida līnijām: paralēla maršrutēšana ir slieka koplinga traucējumiem. Krustveida maršrutēšanai jābūt izolētai caur zemes slāni vai jāizmanto vertikāla krustošanās metode.

Tuvo komponentu izkārtojums: augstfrekvences ierīces, piemēram, RF čipi, antenas un konektori, jānovieto cieši kopā, lai samazinātu augstfrekvences ceļu garumu.

Zemēšanas un ekrānēšanas dizains uzlabo pretestību traucējumiem

Dažu slāņu plāksnēm ieteicams priorитетā izveidot nepārtrauktus zemes slāņus: zemes slānis var kalpot kā signāla atgriešanās ceļš, samazinot lēnijas impedansi un vienlaikus ekrānējot signālu traucējumus starp slāņiem.

Viena slāņa plāksnēm ieteicams izvietot lielu zemes laukumu, lai samazinātu zemēšanas pretestību.

Jutīgu komponentu lokāls ekrānējums: kodolkomponentiem, piemēram, RF pastiprinātājiem un oscilatoriem, var projektēt metāla ekrāna pārseglus, lai bloķētu ārējus elektromagnētiskos traucējumus (EMI) un iekšējo signālu starojumu.

Ciparu zemes un augstfrekvences zemes atdalīšana: augstfrekvences signāla zeme un ciparu shēmas zeme jāsavieno vienā punktā, lai novērstu ciparu trokšņa iekļūšanu augstfrekvences signāla ceļā.

Barošanas avota un filtra dizains samazina troksni

Augstfrekvences shēmas ir jutīgas pret barošanas avota trokšņiem. Tāpēc augstfrekvences filtrējošos kondensatorus (piemēram, 0,1 μF keramiskos kondensatorus + 10 μF tantalija kondensatorus) vajadzētu pieslēgt paralēli barošanas avota ieejas galā un

blakus čipa barošanas kontaktiem, lai nofiltrētu augstfrekvences troksni no barošanas avota.

Barošanas vadu izvietojumam jābūt īsam un platajam, lai samazinātu vadu pretestību un izvairītos no barošanas avota trokšņu saistīšanās ar augstfrekvences signāliem.

Ražošanas process ir saderīgs ar virsmas apstrādi

Izvēlieties apstrādes tehnoloģiju, kas atbalsta smalku līnijas platumu/līniju atstarpi (3mil/3mil un zemāku) un precīzu urbumu (urbuma diametra tolerances ±0,01 mm), lai atbilstu augstfrekvences PCB precizitātes prasībām.

Priekš virsmas apstrādes tiek izvēlēta zelta un sudraba pārklāšana: zelta pārklājuma virsma ir gluda un tai ir zema kontaktrezistivitāte. Sudraba pārklājumam ir laba elektriskā vadāmība un zemi zābaka efekta zudumi, tādējādi to padarot piemērotu augstfrekvences

scenārijiem. Izvairieties no OSP procesiem ar sliktām pretošanās oksidēšanās īpašībām kodola augstfrekvences reģionā.

Siltuma konstrukcija ir pielāgota augstas temperatūras prasībām

Dažiem augstfrekvences pamatnēm (piemēram, PTFE) ir sliktas siltumvadītspējas īpašības. Tāpēc ir nepieciešams racionāli izstrādāt siltuma izkliedes ceļu vai izmantot siltumvadošas blīves, lai novērstu pamatnes deformāciju un

veiktspējas pasliktināšanos, ko izraisa augstas jaudas ierīču radīts siltums.

Zema signāla vājināšanās nodrošina pārraides kvalitāti

Izmantojot speciālus materiālus ar zemu dielektrisko konstanti (Dk) un zemu dielektrisko zudumu (Df), piemēram, PTFE un Rogers sēriju, efektīvi var samazināt enerģijas zudumu augstfrekvences signāliem diapazonā no 300 MHz līdz 3 GHz pārraides laikā

samazināt signāla izkropļojumus un nodrošināt attālās un augstfrekvences sakaru un datu pārraides prasības.

Augsta precizitātes pretestības vadība uzlabo signāla integritāti

Precīzi projektējot līnijas platumu, līniju atstatumu un materiāla biezumu, pretestības toleranci var kontrolēt iekš ±3% līdz ±5%, panākot stabila atbilstību standarta pretestībām, piemēram, 50Ω/75Ω, novēršot signālu atstarošanos

un stāvošo viļņu parādības, kā arī nodrošinot uzticamu RF un mikroviļņu augstfrekvences shēmu darbību.

Lieliska pretestība traucējumiem, piemērota sarežģītiem elektromagnētiskiem vides apstākļiem

Optimizēta vada struktūra (piemēram, mikrojoslas un lentveida vadu līnijas) un daudzslāņu zemējuma dizains samazina parazīto kapacitāti un induktivitāti, kā arī signāla savstarpējo ietekmi un elektromagnētisko starojumu (EMI). Kombinācijā

ar lokālu metāla ekrānu tā pretojas ārējai elektromagnētiskajai ietekmei un ir piemērota situācijām, kurām tiek izvirzītas augstas prasības attiecībā uz elektromagnētisko saderību, piemēram, rūpniecības kontroles aprīkojumam un medicīniskajiem instrumentiem.

Lieliska adaptācija videi, atbilstoši grūtiem ekspluatācijas apstākļiem

Speciālais augstfrekvences pamatnes materiāls ir izturīgs pret augstām temperatūrām (virs 260 °C), ķīmisku koroziju un mitrumu. Apvienojumā ar stabila vara folijas saistīšanas procesu tas var uzturēt stabilu

veiktspēju grūtos ekspluatācijas apstākļos, piemēram, vibrācijā un augstas zemas temperatūras ciklos, atbilstot automašīnu un militāro standartu ilgtermiņa darbības prasībām

iekārtu drošībai.

Augsta integrācija atbalsta miniatūru dizainu

Atbalsta tiešsaistes plākšņu platības un atstarpes ar izmēru 3mil/3mil un zemāku, kā arī mazus caurumu diametrus. Tas ļauj sasniegt augstu blīvuma vadiem, atbilstot RF moduļu un 5G bāzes staciju komponentu mazizmēra un augsti integrētu produktu dizaina prasībām un ietaupot aprīkojuma vietu.

un ietaupot aprīkojuma vietu.