Hoogfrequente PCB's

Wat is een printplaat voor hoge frequentie?

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 hoogfrequent 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.

· Lage diëlektrische verlieshoek (Df): De Df-waarde weerspiegelt rechtstreeks het energieverlies van het signaal in het substraat. Hoe lager de Df, hoe kleiner het verlies. De Df-waarde van hoogfrequent PCB-substraten is over het algemeen minder 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, bestand tegen hoge temperaturen (boven 260℃), sterke chemische stabiliteit, het is de eerste keuze voor veeleisende toepassingen zoals de militaire industrie en satellietcommunicatie.

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

· Hoogfrequent 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.

· Impedantiebesturingsnormen: De gebruikelijke impedantiewaarden voor hoogfrequente PCB's zijn 50Ω en 75Ω. De impedantietolerantie dient te liggen binnen ±3% tot ±5%.

· Toepassingsmethode: Door nauwkeurig vier kernparameters te ontwerpen – lijnbreedte, lijnafstand, substraatdikte en koperfoliedikte – en deze te verifiëren met elektromagnetische simulatiesoftware, 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 ronddolende routing en verlaag de parasitaire inductantie;

· Verhoog de afstand tussen signaallijnen of gebruik aardingsisoleringsbanden om parasitaire capaciteit te verminderen;

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

Anti-elektromagnetische-interferentie (EMI)-mogelijkheid

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

· Voer lokale afscherming uit op gevoelige componenten om interne signaalstraling te verminderen;

· Optimaliseer de voeding en aardingslay-out 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 kunnen temperaturen boven de 260 °C weerstaan, waardoor ze voldoen aan de verwerkingsvereisten van reflow- en golf solderen, en tegelijkertijd geschikt zijn voor het langdurige functioneren van apparatuur in hoge-temperatuur omgevingen.

· Chemische weerstand: Het basismateriaal moet eigenschappen bezitten als zuur- en alkalibestendigheid en vochtbestendigheid om delaminatie van het basismateriaal en oxidatie van de koperfolie in extreme omgevingen te voorkomen.

· Mechanische stabiliteit: De koperfolie heeft een sterke hechtingskracht met de substraat, waardoor vervorming of warpen minder waarschijnlijk is, wat de betrouwbaarheid van de apparatuur onder trillingen en schokken 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 lijnbreedten en -afstanden van 3 mil/3 mil (0,076 mm/0,076 mm) of zelfs kleiner realiseren, waarmee aan de bedradingseisen van hoge-dichtheid- en hoogfrequentecircuits wordt voldaan.

· Precies boren: De minimale gatdiameter kan 0,1 mm bereiken, en de tolerantie in gatpositie wordt beheerst binnen ±0,01 mm, om impedantieveranderingen door afwijking in gatpositie te voorkomen.

· Oppervlaktebehandeling: Er worden meestal goud- en zilverplateringsprocessen toegepast om signaalverlies op het geleideroppervlak te verlagen .

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

Hogefrequentsignalen vertonen het huid-effect, dus bij de keuze van koperfolie moet rekening worden gehouden met zowel geleidingsefficiëntie als oppervlaktevlakheid:

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

· Walskoperfolie: Vlakker oppervlak, minder huideffectverlies, geschikt voor hoogfrequente en hooggevoelige radiofrequentieapparatuur;

· Dikte koperfolie: Veelgebruikt zijn 1oz (35μm) of ½oz (17,5μm). Dunne koperfolie kan paracitische inductantie verminderen en is beter geschikt voor hoge-dichtheid hoogfrequente 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.

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.