Høyfrekvens-PCB

Høyfrekvent kretskort er en type kretskort som bruker spesialiserte substrater med lav dielektrisk konstant (Dk) og lav dielektrisk tap (Df), som for eksempel PTFE og Rogers-serien. Det krever streng impedanskontroll og optimalisert ledningsføring for å redusere parasittiske parametere. Det er spesielt utformet for høyfrekvente signaloverføringscenarioer fra 300 MHz til 3 GHz. Høyteknologiske trykte kretskort som er bredt kompatible med utstyr innen felt som kommunikasjon, militærindustri, medisinsk omsorg og konsumentelektronikk.

Egenskaper ved høyfrekvente kretskort

Egenskapene til høyfrekvente kommunikasjonskretser er utformet basert på de tre grunnleggende kravene lav tap, høy stabilitet og interferensmotstand ved overføring av høyfrekvente signaler fra 300 MHz til 3 GHz. Hver egenskap tilsvarer spesifikk materialevalg, prosessstandarder og bruksverdier. Nedenfor følger en detaljert oversikt:

Lavtapsegenskapen til substratet

Når høyfrekvente signaler overføres, oppstår energitap på grunn av dielektriske egenskaper til substratet. Dette er hovedforskjellen mellom høyfrekvente kretser og vanlige kretskort.
Nøkkelparametere

· Lav dielektrisk konstant (Dk): Dielektrisk konstant bestemmer signalledningshastigheten. Jo lavere Dk-verdi, jo raskere signalledningshastighet og mindre signalforsinkelse. Dk-verdien for høyfrekvente PCB

substrater er vanligvis stabil mellom 2,2 og 4,5 (Dk for vanlige FR-4-substrater er ca. 4,6 til 4,8), og det er nødvendig å sikre stabilitet i Dk under ulike temperaturer og frekvenser for å unngå signaldistorsjon.

· Lav dielektrisk tapstangent (Df): Df-verdien reflekterer direkte energitapet til signalet i substratet. Jo lavere Df, jo mindre tap. Df-verdien for høyfrekvente PCB-substrater er generelt mindre enn 0,002 (Df for

vanlig FR-4 er ca. 0,02), noe som effektivt reduserer signaldemping og er spesielt egnet for langdistanse- og høyfrekvent signaloverføring.

Typisk substrat

·PTFE (Polytetrafluoroeten): Dk≈2,1, Df≈0,0009, motstandsdyktig mot høye temperaturer (over 260 °C), sterke kjemiske stabilitetsegenskaper, er det første valget for kravsvingende anvendelser som militærindustri og satellittkommunikasjon.

· Rogers-serien (for eksempel RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, med utmerket impedansstabilitet, egnet for 5G-basestasjoner og RF-moduler.

· Høyfrekvent epoksyharpiksplate: Lavere kostnad, Dk≈3,5–4,0, oppfyller grunnkravene til RF-komponenter i konsumentelektronikk.

Høypresisjonsimpedanskontroll egenskaper

Høyfrekvente signaler er svært følsomme for endringer i impedans. Impedanstatning kan føre til signalrefleksjon, stående bølger og forvrengning, noe som direkte påvirker ytelsen til utstyret.

· Impedanskontrollstandarder: De vanligste impedansverdiene for høyfrekvente PCB-er er 50 Ω (for RF/mikrobølgeoverføring) og 75 Ω (for video/koaksialkabeloverføring). Impedanstoleransen bør kontrolleres

innenfor ±3 % til ±5 % (impedanstoleransen for vanlige PCB-er er vanligvis ±10 %).

· Implementeringsmetode: Ved nøyaktig å utforme fire kjerneparametere – ledningsbredde, ledningsavstand, substrat tykkelse og kopperfolie tykkelse – og bekrefte dem med elektromagnetisk simuleringsprogramvare (som ADS, HFSS),

sikres impedanskonsistens. For eksempel er impedansverdien til en mikrobølgestriplederstruktur direkte proporsjonal med ledningsbredden og omvendt proporsjonal med substrat tykkelsen. Den må justeres gjentatte ganger for å

nå målverdien.

Lave parasittiske parametere og god interferensmotstand

I høyfrekvente kretser kan den parasittiske kapasitansen og induktansen i ledninger skape ekstra interferenskilder, noe som fører til signaloverslag eller elektromagnetisk utstråling (EMI). Derfor må høyfrekvente PCB-er utformes

og optimaliseres for å redusere parasittiske effekter.

Design med lave parasittiske parametere

Forkort ledningslengden, reduser omstendelig routing og senk parasittisk induktans;

Øk avstanden mellom signalledninger eller bruk jordingsisolasjonsbånd for å redusere parasittisk kapasitans;

Spesielle transmisjonslinjestrukturer som mikrobølgeledninger og båndledninger benyttes for å redusere elektromagnetisk kobling mellom signaler og omverdenen.

Antistøy (EMI) egenskaper

Øk antallet jordingslag for å danne en «skjermet hulrom» og blokkere for ekstern elektromagnetisk støy;

Utfør lokal skjerming av følsomme komponenter (som RF-kretser) for å redusere intern signalutstråling;

Optimaliser strømforsynings- og jordingsoppsett for å redusere innvirkningen av støy fra strømforsyningen på høyfrekvente signaler.

Utmerkede fysiske og miljømessige tilpasningsegenskaper

Bruksscenariene for høyfrekvente PCB-er ligger for det meste i felt med strenge miljøkrav, som industriell kontroll, helsevesen og militærindustri. Derfor må basematerialet og prosessen oppfylle

ytterligere fysiske ytelseskrav

· Høytemperaturmotstand: Noen basematerialer (som PTFE, Rogers) tåler temperaturer over 260 °C, noe som tilfredsstiller kravene til reflow- og bølgesoldring, og samtidig er egnet for

langvarig drift av utstyr i høytemperaturmiljøer.

· Kjemisk motstand: Basematerialet må ha egenskaper som motstand mot syrer og baser samt fuktighet, for å forhindre delaminering av basematerialet og oksidasjon av kopperfolien i harde miljøer.

· Mekanisk stabilitet: Kopperfolien har en sterk bindningskraft til underlaget, noe som gjør at den lettere unngår krumpling eller deformasjon, og sikrer pålitelighet til utstyret under vibrasjoner og sjokkbetingelser.

Høy produksjonsnøyaktighetsegenskaper

Presisjonen i prosessteknologien for høyfrekvente PCB-er er mye høyere enn for vanlige PCB-er. De viktigste prosesskravene inkluderer:

· Fin linjebredde/linjeavstand: Kan oppnå linjebredder og avstander på 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) eller enda tynnere, og dermed oppfylle kravene til kobling i høy tetthet og høyfrekvente kretser.

· Presis borring: Minimum bor diameter kan nå 0,1 mm, og hullposisjonstoleransen holdes innenfor ±0,01 mm, noe som unngår impedansendringer forårsaket av avvik i hullposisjon.

· Overflatebehandling: Gullplatering og sølvplatering brukes hovedsakelig for å redusere signaltap på lederoverflaten (skineffekten fører til at høyfrekvente signaler konsentrerer seg på lederoverflaten, og en jevn overflate

behandling kan redusere tap).

Kjerneunderlag

Underlaget er grunnlaget for høyfrekvente PCB-er og påvirker direkte signaloverføringstap og stabilitet. De mest brukte typene og parameterne er som følger:

Kobberfoliemateriale

Høyfrekvente signaler har en skineffekt (signalene konsentreres på lederens overflate for overføring), så valg av kopperfolie må ta hensyn til både ledningseffektivitet og overflatens planhet:

Elektrolyttisk kopperfolie: Lav kostnad, moderat overflaterygghet, egnet for de fleste høyfrekvente PCB-scenarier;

Valset kopperfolie: Jevnere overflate, mindre tap pga. skineffekt, egnet for høyfrekvent og høysensitivt radiofrekvent utstyr;

Tykkelse på kopperfolie: Vanligvis brukt er 1 oz (35 μm) eller ½ oz (17,5 μm). Tynn kopperfolie kan redusere parasittisk induktans og er mer egnet for tett og høyfrekvent kobling.

Overflatebehandlingsmaterialer

Overflatebehandling av høyfrekvente PCB-er må redusere kontaktresistans, forhindre oksidering av kopperfolie og unngå å påvirke overføring av høyfrekvente signaler

· Gullplatering (ENIG): Glatt overflate, god oksidasjonsmotstand, lav kontaktresistans, liten innvirkning på høyfrekvent signaltap, egnet for høypresisjons RF-grensesnitt.

· Sølvplatering: Har bedre elektrisk ledningsevne enn gullplatering og lavere tap, men er utsatt for oksidasjon og må kombineres med en antioksidasjonsbelegg. Egnet for høyfrekvente mikrobølgekretser.

· Organisk loddeplate (OSP): Har lav kostnad og enkel prosess, men middels motstand mot høy temperatur. Egnet for høyfrekvente PCB-er i konsumentelektronikk som er følsomme for kostnad.

Kjernen i design av høyfrekvente PCB-er er å sikre signallintegritet, lavt tap og god interferensmotstand for signaler i området 300 MHz til 3 GHz. Det er nødvendig med streng kontroll fra flere dimensjoner som valg av substrat, impedanskontroll, ledningslayout og jording/skjerming. Følgende punkter bør merkes:

Nøyaktig valg av basismaterialer

Gi prioritet til å velge dedikerte substrater med lav Dk (2,2–4,5) og lav Df (< 0,002) (som PTFE, Rogers RO4350B), og unngå bruk av vanlige FR-4-substrater for å forhindre overdreven demping av høyfrekvente signaler.

Det er nødvendig å bekrefte stabiliteten til Dk-verdien til substratet innenfor driftstemperatur- og frekvensområdet for å unngå impedansdrift forårsaket av miljøendringer.

Impedanskontrollen er streng gjennom hele prosessen

Sammenhengen mellom linjebredde, linjeavstand, substrattykkelse og impedans beregnes på forhånd ved hjelp av elektromagnetisk simuleringsprogramvare (som ADS, HFSS). De vanligste målimpedansene er

50Ω (for RF-overføring) og 75Ω (for videooverføring).

Impedanstoleransen bør holdes innen ±3 % til ±5 %. Ved routing unngår man plutselige endringer i linjebredde og rette vinkler for å forhindre signalrefleksjon forårsaket av impedansdiskontinuitet.

Høyfrekvente signallinjer bør plasseres som overflate-mikrobølgeledere eller indre planledere så mye som mulig for å redusere impedanssvingninger forårsaket av ujevnt medium.

Optimaliser parasittiske parametere for ledningslayout

Forkort lengden på høyfrekvente spor: Unngå lange kretser, reduser parasittisk induktans og minimaliser signalforsinkelse og stråling.

Øk avstanden mellom signallinjer: Avstanden mellom høyfrekvente linjer bør være ≥3 ganger linjebredden, eller det bør brukes en jordisoleringsstripe for å redusere parasittisk kapasitans og signaloverslag.

Unngå parallelle linjer og kryssende linjer: Parallell routing er følsom for koblingsstøy. Kryssende routing må isoleres gjennom en jordelag eller det bør brukes en vinkelrett kryssningsmetode.

Plassering av komponenter i nærheten: Høyfrekvente enheter som RF-kretser, antenner og kontakter bør plasseres tett sammen for å redusere lengden på høyfrekvente baner.

Jording og skjermingsdesign forbedrer interferensmotstand

For flerlagskort bør design av komplette jordlag prioriteres: Jordlaget kan fungere som retursti for signaler, redusere sløyfeimpedans og samtidig skjerme signalstøy mellom lag.

Enkeltlagskort bør legges over et stort areal for å redusere jordingsmotstand.

Lokal skjerming av følsomme komponenter: For kjernekomponenter som RF-forsterkere og oscillatorer, kan metallskjermehus designes for å blokkere ekstern elektromagnetisk støy (EMI) og intern signalemisjon.

Adskillelse av digital jord og høyfrekvent jord: Høyfrekvente signaljord og digital kretsjord må kobles i ett enkelt punkt for å forhindre at digital støy koples inn i høyfrekvente signalstier.

Strømforsyning og filterdesign reduserer støy

Høyfrekvente kretser er følsomme for støy fra strømforsyningen. Derfor bør høyfrekvente filterkondensatorer (som 0,1 μF keramiske kondensatorer + 10 μF tantal-kondensatorer) kobles parallelt ved inngangen til strømforsyningen og

ved siden av strømtilkoblingene på chipen for å filtrere bort høyfrekvent støy fra strømforsyningen.

Strømledningene bør være korte og brede for å redusere ledningsimpedansen og unngå kobling av strømstøy med høyfrekvente signaler.

Produksjonsprosessen er kompatibel med overflatebehandlingen

Velg en prosessteknologi som støtter fin linjebredde/linjeavstand (3 mil/3 mil og under) og presis boring (hull diameterstoleranse ±0,01 mm) for å oppfylle presisjonskravene til høyfrekvente PCB-er.

For overflatebehandling foretrekkes gull- og sølvplatering: Overflaten til gullplatering er glatt og har lav kontaktmotstand. Sølvplatering har god elektrisk ledningsevne og lav skin-effekttap, noe som gjør den egnet for høyfrekvente scenarier.

unngå bruk av OSP-prosesser med dårlige antioksidantegenskaper i den sentrale høyfrekvente sonen.

Varmeutformingen er tilpasset kravene for høy temperatur

Noen høyfrekvente substrater (som PTFE) har dårlig varmeledningsevne. Derfor er det nødvendig å designe en rasjonell varmeavgivelsesbane eller bruke varmeledende tetninger for å forhindre deformasjon av underlaget og

ytelsesnedgang forårsaket av varme fra høyeffektenheter.

Lav signaldempning sikrer overføringskvalitet

Ved å bruke dedikerte substrater med lav dielektrisk konstant (Dk) og lav dielektrisk tap (Df), som for eksempel PTFE og Rogers-serien, kan energitapet for høyfrekvente signaler i området fra 300 MHz til 3 GHz under overføring effektivt

reduseres, signalforvrengning kan unngås, og kravene til langdistanse- og høyfrekvenskommunikasjon og dataoverføring kan oppfylles.

Høypresisjons impedanskontroll forbedrer signalkvaliteten

Ved nøyaktig å designe ledningsbredde, ledningsavstand og substratetykkelse, kontrolleres impedanstoleransen innenfor ±3 % til ±5 %, noe som oppnår stabil avstemming av standardimpedanser som 50Ω/75Ω, unngår signalrefleksjon

og stående bølgefenomener, og sikrer pålitelig drift av høyfrekvenskretser som RF og mikrobølger.

Sterk immunitet mot interferens, egnet for komplekse elektromagnetiske miljøer

Den optimaliserte ledningsstrukturen (som mikrostrip- og båndledninger) og flerlags jordingsteknologi reduserer parasittisk kapasitans og induktans, samt signaloverslag og elektromagnetisk utstråling (EMI). I kombinasjon

med lokal metallskjerming kan den motstå ekstern elektromagnetisk interferens og er egnet for scenarier med høye krav til elektromagnetisk kompatibilitet, som industriell styreelektronikk og medisinsk utstyr.

Utmerket miljøtilpasningsevne, oppfyller krav til krevende driftsbetingelser

Det dedikerte høyfrekvens-underlaget har høy temperaturmotstand (over 260 ℃), kjemisk korrosjonsbestandighet og fuktighetstål. Kombinert med en stabil kobberfolie-bondingprosess kan det sikre stabil

ytelse i krevende miljøer som vibrasjoner og høye/lave temperatursykluser, og oppfyller kravene til langvarig drift på bilindustri- og militærnivå

utstyr.

Støtte for høy integrasjon letter miniatyrisert design

Støtter behandling av fine linjebredder og avstander på 3mil/3mil og under, samt små hull-diametre. Kan oppnå høy tetthet i ledningsføring, og imøtekomme designkravene til miniatyriserte og svært integrerte produkter som RF

moduler og 5G-basestasjonskomponenter, og spare utstyrsrom.