PCB cu frecvență înaltă

Circuitul imprimat de înaltă frecvență este un tip de PCB care utilizează suporturi dedicate cu constantă dielectrică scăzută (Dk) și pierderi dielectrice reduse (Df), cum ar fi PTFE și seria Rogers. Necesită un control riguros al impedanței și o rutare optimizată pentru a reduce parametrii paraziti. Este special conceput pentru scenarii de transmisie a semnalelor de înaltă frecvență între 300 MHz și 3 GHz. Plăci de circuit imprimat de înaltă precizie, compatibile în mod larg cu echipamente din domenii precum comunicațiile, industria militară, domeniul medical îngrijire și electronice de consum.

Caracteristicile PCB-urilor de înaltă frecvență

Caracteristicile circuitelor de comunicații de înaltă frecvență sunt proiectate în jurul celor trei cerințe principale de pierderi reduse, stabilitate ridicată și imunitate la interferențe în transmisia semnalelor de înaltă frecvență, între 300 MHz și 3 GHz. Fiecare caracteristică corespunde unei selecții specifice de materiale, standarde de proces și valori de utilizare. Mai jos este o analiză detaliată:

Caracteristica de pierderi reduse a suportului

Atunci când semnalele de înaltă frecvență sunt transmise, apare o pierdere de energie datorită proprietăților dielectrice ale suportului. Aceasta este diferența principală între un circuit de înaltă frecvență și PCB-urile obișnuite.
Parametri cheie

· Constantă dielectrică scăzută (Dk): Constanta dielectrică determină viteza de transmisie a semnalului. Cu cât valoarea Dk este mai mică, cu atât viteza de transmisie a semnalului este mai mare și întârzierea semnalului este mai redusă. Valoarea Dk pentru substraturile PCB de înaltă frecvență

este de obicei stabilă între 2,2 și 4,5 (Dk al substraturilor FR-4 obișnuite este aproximativ 4,6–4,8), fiind necesară asigurarea stabilității Dk la diferite temperaturi și frecvențe pentru a evita distorsiunile semnalului.

· Tangentă redusă a pierderii dielectrice (Df): Valoarea Df reflectă direct pierderea de energie a semnalului în substrat. Cu cât Df este mai mic, cu atât pierderile sunt mai mici. Valoarea Df a substraturilor PCB de înaltă frecvență este în general mai mică de 0,002 (Df al FR-4 obișnuit este de aproximativ 0,02), ceea ce poate reduce eficient atenuarea semnalului și este potrivit în special pentru transmisia pe distanțe lungi și semnale de înaltă frecvență.

ordinar FR-4 este de aproximativ 0,02), care poate reduce eficient atenuarea semnalului și este în special potrivit pentru transmisia pe distanțe lungi și semnale de înaltă frecvență.

Substrat tipic

· PTFE (Politetrafluoroetilenă): Dk≈2,1, Df≈0,0009, rezistență la temperaturi înalte (peste 260℃), stabilitate chimică ridicată, este prima opțiune pentru scenarii cu cerințe ridicate, cum ar fi industria militară și comunicațiile satelitare.

· Seria Rogers (de exemplu RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, cu stabilitate excelentă a impedanței, potrivită pentru stațiile de bază 5G și modulele RF.

· Placă din rășină epoxidică de înaltă frecvență: Cost mai scăzut, Dk≈3,5-4,0, care îndeplinește cerințele de bază ale componentelor RF din electronica de consum.

Caracteristici de control precis al impedanței

Semnalele de înaltă frecvență sunt extrem de sensibile la schimbările de impedanță. O nepotrivire a impedanței poate cauza reflexii ale semnalului, unde staționare și distorsiuni, afectând direct performanța echipamentului.

· Standarde de control al impedanței: Valorile de impedanță utilizate frecvent pentru PCB-urile de înaltă frecvență sunt 50Ω (pentru transmisie RF/microunde) și 75Ω (pentru transmisie video/cablu coaxial). Toleranța la impedanță trebuie controlată

în limitele ±3% până la ±5% (toleranța de impedanță pentru PCB-urile obișnuite este în general ±10%).

· Metodă de implementare: Prin proiectarea precisă a patru parametri principali – lățimea traseului, distanța între trasee, grosimea suportului și grosimea foiței de cupru – și verificarea acestora cu software de simulare electromagnetică (cum ar fi ADS, HFSS),

se asigură consistența impedanței. De exemplu, valoarea impedanței unei structuri de tip microstrip este direct proporțională cu lățimea traseului și invers proporțională cu grosimea suportului. Este necesară o ajustare repetată pentru a

atinge valoarea dorită.

Parametri paraziti redusi și caracteristici anti-interferențe

În circuitele de înaltă frecvență, capacitățile și inductanțele parazite ale conductoarelor pot crea surse suplimentare de interferențe, ducând la diafonie semnal sau radiație electromagnetică (EMI). Prin urmare, PCB-urile de înaltă frecvență trebuie proiectate

și optimizate pentru a reduce efectele parazite.

Proiectare cu parametri paraziți reduși

Scurtați lungimea cablului, reduceți traseele încâlcite și scădeți inductanța parazitară;

Măriți distanța dintre liniile de semnal sau utilizați benzi de izolare prin împământare pentru a reduce capacitatea parazitară;

Se adoptă structuri speciale de linii de transmisie, cum ar fi liniile microstrip și liniile tip panglică, pentru a reduce cuplajul electromagnetic între semnale și mediul exterior.

Capacitate anti-interferențe electromagnetice (EMI)

Măriți numărul straturilor de împământare pentru a forma o „cavitate de ecranare” și pentru a bloca interferențele electromagnetice externe;

Efectuați o ecranare locală a componentelor sensibile (cum ar fi cipurile RF) pentru a reduce radiația semnalelor interne;

Optimizați amplasarea alimentării și a împământării pentru a reduce impactul zgomotului sursei de alimentare asupra semnalelor de înaltă frecvență.

Caracteristici excelente de adaptabilitate fizică și la mediu

Scenariile de aplicare ale PCB-urilor cu frecvență înaltă se regăsesc în special în domenii cu cerințe stricte privind mediu, cum ar fi controlul industrial, medicina și industria militară. Prin urmare, materialul de bază și procesul trebuie să îndeplinească

cerințe suplimentare de performanță fizică

· Rezistență la temperaturi înalte: Unele materiale de bază (cum ar fi PTFE, Rogers) pot rezista la temperaturi de peste 260℃, satisfăcând cerințele de procesare pentru lipirea prin reflow și lipirea în val, precum și fiind potrivite pentru

funcționarea pe termen lung a echipamentelor în medii cu temperaturi ridicate.

· Rezistență chimică: Materialul de bază trebuie să aibă caracteristici de rezistență la acizi și baze, precum și la umiditate, pentru a preveni delaminarea materialului de bază și oxidarea foliei de cupru în condiții severe.

· Stabilitate mecanică: Foița de cupru are o forță mare de aderență la substrat, fiind mai puțin probabilă să se deformeze sau să se curbeze, asigurând fiabilitatea echipamentului în condiții de vibrații și șocuri.

Caracteristici de precizie ridicată în fabricație

Precizia tehnologicică în fabricarea PCB-urilor de înaltă frecvență este mult mai ridicată decât cea a PCB-urilor obișnuite. Cerințele principale ale procesului includ:

· Lățime fină a traseelor/între trasee: poate atinge valori de 3mil/3mil (0,076mm/0,076mm) sau chiar mai subțiri, satisfăcând cerințele de cablare pentru circuitele de înaltă densitate și înaltă frecvență.

· Găurire precisă: diametrul minim al găurii poate ajunge la 0,1 mm, iar toleranța poziției găurii este controlată în limitele ±0,01 mm, evitând schimbările de impedanță cauzate de deviația poziției găurii.

· Tratamentul suprafeței: Se folosesc în principal procesele de placare cu aur și placare cu argint pentru a reduce pierderile de semnal pe suprafața conductorului (efectul de piele determină concentrarea semnalelor de înaltă frecvență pe suprafața conductorului, iar un tratament al suprafeței netede poate reduce pierderile).

poate reduce pierderile).

Substratul central

Substratul este baza PCB-urilor de înaltă frecvență și influențează direct pierderea și stabilitatea transmisiei semnalului. Tipurile și parametrii principali sunt următorii:

Material din folie de cupru

Semnalele de înaltă frecvență au un efect de suprafață (semnalele sunt concentrate pe suprafața conductorului pentru transmisie), astfel încât alegerea foilajului de cupru trebuie să ia în considerare atât eficiența de conductivitate, cât și netezimea suprafeței:

Foi de cupru electrolitic: Cost redus, rugozitate moderată a suprafeței, potrivit pentru majoritatea scenariilor de PCB de înaltă frecvență;

Foi de cupru laminat: Suprafață mai netedă, pierderi mai mici datorate efectului de suprafață, potrivit pentru echipamente radio de înaltă frecvență și înalte sensibilități;

Grosimea foilajului de cupru: Cele mai utilizate sunt 1 uncă (35μm) sau ½ uncă (17,5μm). Un foilaj subțire de cupru poate reduce inductanța parazitară și este mai potrivit pentru cablaje dense de înaltă frecvență.

Materiale pentru tratarea suprafeței

Tratarea suprafeței PCB-urilor de înaltă frecvență trebuie să reducă rezistența de contact, să prevină oxidarea foilajului de cupru și să evite afectarea transmisiei semnalelor de înaltă frecvență

· Placare cu aur (ENIG): Suprafață netedă, rezistență puternică la oxidare, rezistență de contact scăzută, impact minim asupra pierderii semnalelor de înaltă frecvență, potrivit pentru interfețe RF de înaltă precizie.

· Placare cu argint: Are o conductivitate electrică mai bună decât placarea cu aur și pierderi mai mici, dar este predispusă la oxidare și trebuie combinată cu un strat protector anti-oxidant. Este potrivită pentru circuitele de microunde de înaltă frecvență.

· Mască organică de lipit (OSP): Are un cost scăzut și un proces simplu, dar rezistența sa la temperaturi ridicate este medie. Este potrivită pentru PCB-uri de înaltă frecvență utilizate în electronica de consum, unde se acordă importanță costului.

Nucleul proiectării PCB de înaltă frecvență constă în asigurarea integrității, a pierderilor reduse și a performanței anti-perturbare a semnalelor în domeniul 300 MHz până la 3 GHz. Este necesară o controlare strictă din mai multe dimensiuni, cum ar fi selecția suportului, controlul impedanței, traseul cablajului și ecranarea la masă. Măsurile specifice de precauție sunt următoarele:

Selectarea precisă a materialelor de bază

Acorda prioritate alegerii suporturilor dedicate cu Dk scăzut (2,2-4,5) și Df scăzut (< 0,002) (cum ar fi PTFE, Rogers RO4350B) și evită utilizarea suporturilor obișnuite FR-4 pentru a preveni atenuarea excesivă a semnalelor de înaltă frecvență.

Este necesar să confirmi stabilitatea valorii Dk a suportului în cadrul gamei de temperaturi și frecvențe de funcționare pentru a evita deriva impedanței cauzată de schimbările de mediu.

Controlul impedanței este strict pe întregul proces

Relația dintre lățimea traseului, distanța dintre trasee, grosimea suportului și impedanță este calculată dinainte prin utilizarea unui software de simulare electromagnetică (cum ar fi ADS, HFSS). Impedanțele țintă utilizate frecvent sunt

50Ω (pentru transmisie RF) și 75Ω (pentru transmisie video).

Toleranța la impedanță ar trebui menținută între ±3% și ±5%. La traseu, evită schimbările bruște ale lățimii traseului și virajele la unghi drept pentru a preveni reflexia semnalului cauzată de discontinuitatea impedanței.

Liniile de semnal de înaltă frecvență ar trebui să fie aranjate cât mai mult posibil ca linii microstrip de suprafață sau linii stripline interne pentru a reduce fluctuațiile de impedanță cauzate de mediile neuniforme.

Optimizați parametrii paraziti pentru amplasarea traseelor

Scurtați lungimea traseelor de înaltă frecvență: Evitați circuite lungi, reduceți inductanța parazită și minimizați întârzierea și radiația semnalului.

Măriți distanța dintre liniile de semnal: Distanța dintre liniile de înaltă frecvență ar trebui să fie ≥3 ori lățimea liniei, sau ar trebui utilizată o bandă de izolare la masă pentru a reduce capacitatea parazită și crosstalk-ul semnalului.

Evitați liniile paralele și liniile care se intersectează: Traseul paralel este predispus la interferențe prin cuplaj. Traseul în cruce trebuie izolat printr-un strat de masă sau trebuie adoptată o metodă de trecere perpendiculară.

Amplasarea componentelor din apropiere: Dispozitivele de înaltă frecvență, cum ar fi cipurile RF, antenele și conectorii, ar trebui plasate cât mai aproape unul de celălalt pentru a reduce lungimea traseelor de înaltă frecvență.

Proiectarea de legare la pământ și ecranare îmbunătățește capacitatea de anti-interferență

Pentru plăcile cu mai multe straturi, se recomandă prioritatea acordată proiectării unor straturi complete de masă: Stratul de masă poate servi ca cale de revenire a semnalului, reducând impedanța buclei și ecranând în același timp interferențele semnalelor dintre straturi.

Plăcile monocouă trebuie acoperite pe o suprafață mare pentru a reduce rezistența la legarea la pământ.

Ecranarea locală a componentelor sensibile: Pentru componente cheie precum amplificatoarele RF și oscilatorii, se pot proiecta carcase metalice de ecranare pentru a bloca interferențele electromagnetice externe (EMI) și radiațiile semnalelor interne.

Izolare între masa digitală și masa de înaltă frecvență: Masa semnalului de înaltă frecvență și masa circuitului digital trebuie conectate într-un singur punct pentru a preveni cuplarea zgomotului digital în traseul semnalului de înaltă frecvență.

Proiectarea sursei de alimentare și a filtrului reduce zgomotul

Circuitele de înaltă frecvență sunt sensibile la zgomotul sursei de alimentare. Prin urmare, condensatorii de filtrare de înaltă frecvență (cum ar fi condensatori ceramici de 0,1μF + condensatori tantalici de 10μF) trebuie conectați în paralel la capătul de intrare al sursei de alimentare și

lângă pini de alimentare ai cipului pentru a filtra zgomotul de înaltă frecvență din sursa de alimentare.

Traseele de alimentare trebuie să fie scurte și largi pentru a reduce impedanța conductoarelor și pentru a evita cuplarea zgomotului sursei de alimentare cu semnalele de înaltă frecvență.

Procesul de fabricație este compatibil cu tratamentul de suprafață

Selectați o tehnologie de procesare care să susțină lățimi mici ale traseelor/spații între trasee (3mil/3mil și sub) și găurire precisă (toleranță diametru gaură ±0,01mm) pentru a satisface cerințele de precizie ale PCB-urilor de înaltă frecvență.

Pentru tratamentul suprafeței, se preferă placarea cu aur și placarea cu argint: suprafața placată cu aur este netedă și are o rezistență de contact scăzută. Placarea cu argint are o conductivitate electrică bună și pierderi reduse datorate efectului pelicular, ceea ce o face potrivită pentru scenariile de înaltă

frecvență. Evitați utilizarea proceselor OSP cu proprietăți antioxidante slabe în zona centrală de înaltă frecvență.

Proiectarea termică este adaptată cerințelor de temperatură înaltă

Unele substraturi de înaltă frecvență (cum ar fi PTFE) au o conductivitate termică scăzută. Prin urmare, este necesar să se proiecteze rațional traseul de disipare a căldurii sau să se utilizeze garnituri conductoare de căldură pentru a preveni deformarea substratului și

degradarea performanței cauzată de căldura generată de dispozitivele de putere.

Atenuarea scăzută a semnalului asigură calitatea transmisiei

Prin utilizarea unor suporturi dedicate cu constantă dielectrică scăzută (Dk) și pierderi dielectrice reduse (Df), cum ar fi PTFE și seria Rogers, se poate reduce eficient pierderea de energie a semnalelor înalte frecvențe, în intervalul 300 MHz până la 3 GHz, în timpul transmisiei

se poate evita distorsiunea semnalului și se pot satisface cerințele pentru comunicații și transmisiuni de date pe distanțe lungi și la frecvențe înalte.

Controlul de impedanță înaltă precizie îmbunătățește integritatea semnalului

Prin proiectarea precisă a lățimii traseelor, distanței dintre trasee și grosimii suportului, toleranța de impedanță este controlată în limitele ±3% până la ±5%, realizându-se o potrivire stabilă pentru impedanțe standard, cum ar fi 50Ω/75Ω, evitându-se reflexia semnalului

și fenomenele de undă staționară, asigurând funcționarea fiabilă a circuitelor înalte frecvențe, cum ar fi RF și microunde.

Capacitate ridicată de imunitate la interferențe, potrivită pentru medii electromagnetice complexe

Structura optimizată de cablare (cum ar fi liniile microstrip și liniile tip bandă) și proiectarea cu împământare multi-strat pot reduce capacitățile și inductanțele parazite, precum și crosstalk-ul semnalelor și radiația electromagnetică (EMI). În combinație

cu o ecranare metalică locală, poate rezista interferențelor electromagnetice externe și este potrivită pentru scenarii cu cerințe ridicate privind compatibilitatea electromagnetică, cum ar fi echipamentele de control industrial și instrumentele medicale.

Adaptabilitate excepțională la mediu, corespunzând unor condiții de funcționare severe

Substratul special pentru înalte frecvențe are rezistență la temperaturi înalte (peste 260℃), rezistență la coroziunea chimică și la umiditate. În combinație cu un proces stabil de lipire a foliei de cupru, poate menține o performanță stabilă

în medii dificile, cum ar fi vibrațiile și ciclurile de temperatură înaltă și joasă, satisfăcând cerințele de funcționare pe termen lung pentru aplicații auto și militare

echipamentului.

Suport ridicat pentru integrare, facilitând o proiectare miniaturizată

Suportă procesarea lățimilor și spațiilor fine de 3 mil/3 mil și mai mici, precum și diametre mici ale găurilor. Poate realiza o cablare înalt densitate, satisfăcând cerințele de proiectare ale produselor miniaturizate și foarte integrate, cum ar fi modulele RF

și componentele stațiilor de bază 5G, economisind spațiul echipamentelor.