Hoogfrequente PCB's

Een hoogfrequent PCB is een type PCB dat speciale substraten gebruikt met een lage diëlektrische constante (Dk) en laag diëlektrisch verlies (Df), zoals PTFE en de Rogers-serie. Het vereist strikte impedantiecontrole en geoptimaliseerde bedrading om paracitaire parameters te verminderen. Het is specifiek ontworpen voor scenario's met hoogfrequente signaaloverdracht variërend van 300 MHz tot 3 GHz. Hoogwaardige printplaten, breed compatibel met apparatuur in sectoren zoals communicatie, militaire industrie, medische zorg en consumentenelektronica.

Kenmerken van hoogfrequente PCB's

De kenmerken van hoogfrequente communicatiecircuits zijn ontworpen rond de drie kernvereisten laag verlies, hoge stabiliteit en interferentiebestendigheid bij de overdracht van hoogfrequente signalen variërend van 300 MHz tot 3 GHz. Elk kenmerk komt overeen met specifieke materiaalkeuze, procesnormen en toepassingswaarden. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg:

Het laagverlieskenmerk van de substraat

Wanneer hoogfrequente signalen worden getransmiteerd, treedt energieverlies op als gevolg van de diëlektrische eigenschappen van de substraat. Dit is het kernverschil tussen hoogfrequente circuits en gewone PCB's.
Sleutelparameters

· Lage diëlektrische constante (Dk): De diëlektrische constante bepaalt de signaaltransmissiesnelheid. Hoe lager de Dk-waarde, hoe sneller de signaaltransmissiesnelheid en hoe kleiner de signaalvertraging. De Dk-waarde van hoogfrequente PCB

substraten is meestal stabiel tussen 2,2 en 4,5 (de Dk van gangbare FR-4-substraten ligt ongeveer tussen 4,6 en 4,8), en het is noodzakelijk om de stabiliteit van Dk onder verschillende temperaturen en frequenties te waarborgen om signaalvervorming te voorkomen.

· Laag verlieshoek (Df): De Df-waarde geeft rechtstreeks het energieverlies van het signaal in het substraat weer. Hoe lager de Df, hoe kleiner het verlies. De Df-waarde van hoogfrequente PCB-substraten is over het algemeen lager dan 0,002 (de Df van

standaard FR-4 ligt rond de 0,02), wat effectief signaalverzwakking vermindert en bijzonder geschikt is voor langeafstands- en hoogfrequente signaaloverdracht.

Typisch substraat

·PTFE (Polytetrafluorethyleen): Dk≈2,1, Df≈0,0009, hoge temperatuurbestendigheid (boven 260℃), sterke chemische stabiliteit, het is de eerste keuze voor veeleisende toepassingen zoals in de defensie-industrie en satellietcommunicatie.

· Rogers-serie (zoals RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, met uitstekende impedantiestabiliteit, geschikt voor 5G-basisstations en RF-modules.

· Hoge-frequentie epoxyharsplaat: Lagere kosten, Dk≈3,5-4,0, voldoet aan de basisvereisten van RF-componenten in consumentenelektronica.

Hoogwaardige impedantiecontrole eigenschappen

Hoge-frequentie signalen zijn uiterst gevoelig voor impedantieveranderingen. Impedantieonafstemming kan signaalreflectie, staande golven en vervorming veroorzaken, wat direct van invloed is op de prestaties van apparatuur.

· Impedantiecontrole normen: De gebruikelijke impedantiewaarden voor hoge-frequentie PCB's zijn 50Ω (voor RF/microgolftransmissie) en 75Ω (voor video/coaxiale kabeltransmissie). De impedantietolerantie dient beheerst te worden

binnen ±3% tot ±5% (de impedantietolerantie voor gewone PCB's is meestal ±10%).

· Implementatiemethode: Door vier kernparameters nauwkeurig te ontwerpen – lijnbreedte, lijnafstand, substraatdikte en koperfoliedikte – en deze te verifiëren met elektromagnetische simulatiesoftware (zoals ADS, HFSS),

wordt impedantieconsistentie gewaarborgd. Bijvoorbeeld, de impedantiewaarde van een microstripstructuur is recht evenredig met de lijnbreedte en omgekeerd evenredig met de substraatdikte. Dit moet herhaaldelijk worden afgesteld om

de streefwaarde te bereiken.

Lage parasitaire parameters en anti-interferentie-eigenschappen

In hoogfrequentschakelingen kunnen de parasitaire capaciteit en inductantie van geleiders extra interferentiebronnen creëren, wat leidt tot signaaloverspreking of elektromagnetische straling (EMI). Daarom moeten hoogfrequent PCB's worden ontworpen

en geoptimaliseerd om parasitaire effecten te verminderen.

Ontwerp met lage parasitaire parameters

Verkort de draadlengte, verminder de omslachtige bedrading en verlaag de parasitaire inductantie;

Verhoog de afstand tussen signaallijnen of gebruik aardingsisoliatiebanden om de parasitaire capacitantie te verlagen;

Er worden speciale transmissielijnstructuren gebruikt, zoals microstrip-lijnen en lintkabels, om de elektromagnetische koppeling tussen signalen en de buitenwereld te verminderen.

Anti-elektromagnetische-interferentie (EMI)-mogelijkheid

Verhoog het aantal aardingslagen om een "afschermingsholte" te vormen en blokkeer externe elektromagnetische interferentie;

Voer lokale afscherming uit op gevoelige componenten (zoals RF-chips) om interne signaalstraling te verminderen;

Optimaliseer de indeling van voeding en aarding om de invloed van voedingsruis op hoogfrequente signalen te verkleinen.

Uitstekende fysieke en milieugebonden aanpasbaarheidskenmerken

De toepassingsscenario's van hoogfrequente PCB's bevinden zich meestal in sectoren met strenge eisen aan het milieu, zoals industriële automatisering, gezondheidszorg en de defensie-industrie. Daarom moeten het basismateriaal en het productieproces voldoen aan

aanvullende fysische prestatie-eisen

· Hittebestendigheid: Sommige basismaterialen (zoals PTFE, Rogers) kunnen temperaturen boven de 260℃ weerstaan, waardoor ze voldoen aan de vereisten voor reflow- en golf solderen, en tegelijkertijd geschikt zijn voor

het langdurige functioneren van apparatuur in hoge-temperatuur omgevingen.

· Chemische bestendigheid: Het basismateriaal moet eigenschappen bezitten als zuur- en alkalibestendigheid en vochtbestendigheid, om afschilfering van het basismateriaal en oxidatie van de koperfolie in extreme omstandigheden te voorkomen.

· Mechanische stabiliteit: De koperfolie heeft een sterke hechting met de substraat, waardoor vervorming of warping minder waarschijnlijk is, wat de betrouwbaarheid van de apparatuur onder trillings- en schokomstandigheden waarborgt.

Hoge precisie in de productie

De verwerkingstechnologie van hoogfrequente PCB's is veel nauwkeuriger dan die van standaard PCB's. De kernprocesvereisten zijn:

· Fijne lijnbreedte/lijnafstand: Kan lijnbreedtes en -afstanden van 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) of zelfs kleiner bereiken, waardoor aan de bedradingseisen van hoogdichtheid en hoogfrequente circuits wordt voldaan.

· Precies boren: De minimale gatdiameter kan 0,1 mm bereiken, en de gatpositietolerantie wordt beheerst binnen ±0,01 mm, waardoor impedantieveranderingen door gatpositie-afwijkingen worden vermeden.

· Oppervlaktebehandeling: Goud- en zilverplating worden meestal toegepast om signaalverlies op het geleideroppervlak te verminderen (het huid-effect zorgt ervoor dat hoogfrequente signalen zich concentreren op het geleideroppervlak, en een glad oppervlak

behandeling kan verlies verminderen).

Kernsubstraat

Het substraat is de basis van hoogfrequente PCB's en beïnvloedt rechtstreeks het transmissieverlies en de stabiliteit van signalen. De gangbare typen en parameters zijn als volgt:

Koperfoliemateriaal

Hoge-frequentie signalen hebben een huid-effect (signalen zijn geconcentreerd op het oppervlak van de geleider voor transmissie), dus de keuze van koperfolie moet zowel geleidingsefficiëntie als oppervlaktevlakheid in overweging nemen:

Elektrolytische koperfolie: Lage kosten, matige oppervlakteruwheid, geschikt voor de meeste hoge-frequentie PCB-toepassingen;

Walskoperfolie: Gladder oppervlak, minder verliezen door het huid-effect, geschikt voor hoge-frequentie en hooggevoelige radiofrequipmateriaal;

Dikte koperfolie: Veelgebruikt zijn 1 oz (35 μm) of ½ oz (17,5 μm). Dunne koperfolie kan paracitaire inductantie verminderen en is geschikter voor hoge-dichtheid hoge-frequentie bedrading.

Oppervlaktebehandelingsmaterialen

De oppervlaktebehandeling van hoge-frequentie PCB's moet de contactweerstand verlagen, oxidatie van de koperfolie voorkomen en het beïnvloeden van de overdracht van hoge-frequentie signalen vermijden

· Goudlaag (ENIG): Glad oppervlak, sterke oxidatiebestendigheid, laag contactweerstand, weinig invloed op verlies van hoogfrequente signalen, geschikt voor hoogwaardige RF-interfaces.

· Verzilvering: Heeft betere elektrische geleidbaarheid dan goudplating en minder verlies, maar is gevoelig voor oxidatie en moet worden gecombineerd met een anti-oxidatielaag. Geschikt voor hoogfrequente microgolfcircuits.

· Organische soldeermasker (OSP): Heeft een lage kosten en eenvoudig proces, maar de bestendigheid tegen hoge temperaturen is gemiddeld. Geschikt voor hoogfrequente PCB's in consumentenelektronica die gevoelig zijn voor kosten.

De kern van hoogfrequente PCB-ontwerp is het waarborgen van de signaalsignaliteit, laag verlies en anti-interferentieprestaties van signalen in het bereik van 300 MHz tot 3 GHz. Er moet strikt worden gecontroleerd op meerdere dimensies zoals substraatkeuze, impedantiebeheersing, bedradingindeling en aardingsafscherming. De specifieke voorzorgsmaatregelen zijn als volgt:

Nauwkeurige keuze van basismaterialen

Geef de voorkeur aan speciale substraten met een lage Dk (2,2-4,5) en lage Df (< 0,002) (zoals PTFE, Rogers RO4350B), en vermijd het gebruik van gewone FR-4-substraten om te voorkomen dat hoogfrequentsignalen te veel worden verzwakt.

Het is noodzakelijk om de stabiliteit van de Dk-waarde van het substraat binnen het werktemperatuur- en frequentiebereik te bevestigen, om impedantiedrift door omgevingsveranderingen te voorkomen.

De impedantiebeheersing is tijdens het gehele proces strikt

De overeenkomstige relatie tussen lijnbreedte, lijnafstand, substraatdikte en impedantie wordt op voorhand berekend middels elektromagnetische simulatiesoftware (zoals ADS, HFSS). De meest gebruikte doelimpedanties zijn

50Ω (voor RF-transmissie) en 75Ω (voor videotransmissie).

De impedantietolerantie dient te worden geregeld binnen ±3% tot ±5%. Vermijd bij het bedrading plotselinge veranderingen in lijnbreedte en rechte hoeken om signaalreflectie door impedantiediscointinuïteit te voorkomen.

Hoge-frequentie signaallijnen dienen zoveel mogelijk als microstrip- of binnenste strip-lijnen te worden aangelegd om impedantieschommelingen door ongelijkmatige media te verminderen.

Parasitaire parameters voor bedrading lay-out optimaliseren

Verkort de lengte van hoge-frequentie spoortjes: Vermijd lange circuits, verlaag parasitaire inductantie en minimaliseer signaalvertraging en straling.

Vergroot de afstand tussen signaallijnen: De afstand tussen hoge-frequentielijnen dient ≥3 keer de lijnbreedte te zijn, of er dient een geïsoleerde grondstrook te worden gebruikt om parasitaire capaciteit en signaaloverspraak te verminderen.

Vermijd parallelle en kruisende lijnen: Parallelle routing is gevoelig voor koppelingsinterferentie. Kruisende routing dient te worden geïsoleerd via een grondlaag of met een verticale kruisingmethode.

Plaatsing van nabijgelegen componenten: Hoge-frequentieapparaten zoals RF-chips, antennes en connectoren dienen dicht op elkaar te worden geplaatst om de lengte van hoge-frequentiepaden te verkorten.

Ontwerp voor aarding en afscherming verbetert de anti-interferentiecapaciteit

Voor meerdere lagen is het raadzaam om volledige aardlagen te ontwerpen: De aardlaag kan dienen als retourpad voor signalen, waardoor de lusimpedantie wordt verlaagd en tegelijkertijd signaalinterferentie tussen lagen wordt afgeschermd.

Enkellaags printplaten dienen op grote oppervlakte bedekt te worden om de aardingsweerstand te verlagen.

Lokale afscherming van gevoelige componenten: Voor kerncomponenten zoals RF-versterkers en oscillatoren kunnen metalen afschermkappen worden ontworpen om externe elektromagnetische interferentie (EMI) en interne signaalstraling te blokkeren.

Scheiding van digitale aarde en hoogfrequente aarde: De aarding van hoogfrequente signalen en de digitale schakeling moeten in één punt worden verbonden om te voorkomen dat digitale ruis koppelt naar het hoogfrequente signaalpad.

Het voeding- en filterontwerp vermindert ruis

Hoogfrequente circuits zijn gevoelig voor ruis op de voeding. Daarom dienen hoogfrequente filtercondensatoren (zoals 0,1μF keramische condensatoren + 10μF tantaalcondensatoren) parallel te worden aangesloten aan het ingangseinde van de voeding en

naast de voedingspinnen van de chip om hoogfrequente ruis in de voeding te filteren.

De bedrading van de voeding moet kort en breed zijn om de impedantie van de draden te verlagen en koppeling van voedingsruis met hoogfrequente signalen te voorkomen.

Het productieproces is compatibel met de oppervlaktebehandeling

Selecteer een bewerkingstechnologie die ondersteuning biedt voor fijne lijnbreedte/lijnafstand (3 mil/3 mil en lager) en nauwkeurig boren (gatdiameter tolerantie ±0,01 mm) om voldoen aan de precisie-eisen van hoogfrequente PCB's.

Voor oppervlaktebehandeling worden goud- en zilverplating verkozen: het oppervlak van goudplating is glad en heeft een lage contactweerstand. Zilverplating heeft een goede elektrische geleidbaarheid en lage verliezen door huid-effect, waardoor het geschikt is voor hoogfrequente toepassingen.

vermijd het gebruik van OSP-processen met slechte antioxidant-eigenschappen in de kern hoogfrequente zone.

Het thermische ontwerp is afgestemd op hoge-temperatuurvereisten

Sommige hoogfrequente substraten (zoals PTFE) hebben slechte warmtegeleidbaarheid. Daarom is het noodzakelijk om het koelpad rationeel te ontwerpen of thermisch geleidende dichtingen te gebruiken om vervorming van het substraat en

prestatiedegradatie te voorkomen die wordt veroorzaakt door de warmte die wordt gegenereerd door hoogvermogenapparatuur.

Lage signaalverzwakking zorgt voor transmissiekwaliteit

Door het gebruik van speciale substraten met een lage diëlektrische constante (Dk) en lage diëlektrische verliezen (Df), zoals PTFE en de Rogers-serie, kan het energieverlies van hoogfrequente signalen in het bereik van 300 MHz tot 3 GHz tijdens transmissie effectief

worden verminderd, signaalvervorming kan worden voorkomen, en kunnen de eisen voor langeafstands- en hoogfrequentcommunicatie en gegevensoverdracht worden vervuld.

Hoge-nauwkeurigheidsimpedantiecontrole verbetert de signaalinhoud

Door nauwkeurig het ontwerp van lijnbreedte, lijnafstand en substraatdikte te bepalen, wordt de impedantietolerantie gehandhaafd binnen ±3% tot ±5%, waarmee stabiele aanpassing van standaardimpedanties zoals 50Ω/75Ω wordt bereikt, signaalreflectie

en staande golfverschijnselen worden voorkomen, en de betrouwbare werking van hoogfrequente circuits zoals RF en microgolf wordt gewaarborgd.

Sterke anti-interferentiecapaciteit, geschikt voor complexe elektromagnetische omgevingen

De geoptimaliseerde bedradingstructuur (zoals microstrip-lijnen en lintkabels) en de meerlaagse aardingsontwerp kunnen paracitische capaciteit en inductie, evenals signaaloverspraak en elektromagnetische straling (EMI) verminderen. In combinatie

met lokale metalen afscherming kan het externe elektromagnetische interferentie weerstaan en is het geschikt voor toepassingen met hoge eisen aan elektromagnetische compatibiliteit, zoals industriële regelapparatuur en medische instrumenten.

Uitstekende aanpassingsvermogen aan de omgeving, voldoet aan zware werkomstandigheden

De speciale hoogfrequente substraat biedt hoge temperatuurbestendigheid (boven 260℃), bestand tegen chemische corrosie en vocht. Gecombineerd met een stabiel koperfolie-hechtingsproces kan het stabiele

prestaties behouden in zware omgevingen zoals trillingen en hoge en lage temperatuurcycli, en voldoet aan de eisen voor langdurige werking op automobiel- en militair niveau

apparatuur.

Ondersteuning voor hoge integratie vergemakkelijkt miniaturisering van het ontwerp

Ondersteunt de verwerking van fijne lijnbreedtes en -afstanden van 3 mil/3 mil en kleiner, evenals kleine gatdiameters. Het kan hoge-dichtheidsbedrading realiseren, waarmee aan de ontwerpeisen wordt voldaan van geminiaturiseerde en hooggeïntegreerde producten zoals RF

modules en componenten voor 5G-basisstations, en ruimte in apparatuur bespaart.