Печатные платы высокой частоты

Высокочастотная печатная плата — это тип печатной платы, которая использует специализированные подложки с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и низкими диэлектрическими потерями (Df), такие как PTFE и серия Rogers. Требуется строгий контроль импеданса и оптимизированная трассировка для уменьшения паразитных параметров. Она специально разработана для передачи высокочастотных сигналов в диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц. Печатные платы высокой точности, совместимые с оборудованием в таких областях, как связь, военная промышленность, медицина уход и бытовая электроника.

Характеристики высокочастотных печатных плат

Характеристики высокочастотных цепей связи разработаны с учетом трех основных требований: низкие потери, высокая стабильность и устойчивость к помехам при передаче высокочастотных сигналов в диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц. Каждая характеристика соответствует конкретному выбору материалов, стандартам процессов и областям применения. Ниже приведено подробное описание:

Характеристика низких потерь подложки

При передаче высокочастотных сигналов потери энергии возникают из-за диэлектрических свойств подложки. Это основное различие между высокочастотными цепями и обычными печатными платами.
Основные параметры

· Низкая диэлектрическая проницаемость (Dk): Диэлектрическая проницаемость определяет скорость передачи сигнала. Чем ниже значение Dk, тем выше скорость передачи сигнала и меньше задержка сигнала. Значение Dk для подложек высокочастотных печатных плат

обычно стабильно в диапазоне от 2,2 до 4,5 (у типичных подложек FR-4 значение Dk составляет приблизительно 4,6–4,8), необходимо обеспечить стабильность Dk при различных температурах и частотах, чтобы избежать искажения сигнала.

· Низкий тангенс угла диэлектрических потерь (Df): Значение Df напрямую отражает потери энергии сигнала в подложке. Чем ниже значение Df, тем меньше потери. Обычно значение Df для подложек высокочастотных печатных плат менее 0,002 (у обычного FR-4 около 0,02), что позволяет эффективно снижать затухание сигнала и особенно подходит для передачи сигналов на большие расстояния и на высоких частотах.

обычного FR-4 составляет около 0,02), что эффективно снижает затухание сигнала и особенно подходит для передачи сигналов на большие расстояния и на высоких частотах.

Типичная подложка

·PTFE (политетрафторэтилен): Dk≈2,1, Df≈0,0009, устойчивость к высоким температурам (выше 260 °C), высокая химическая стабильность, является первым выбором для требовательных сфер применения, таких как военная промышленность и спутниковая связь.

· Серия Rogers (например, RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, обладает отличной стабильностью импеданса, подходит для базовых станций 5G и ВЧ-модулей.

· Высокочастотная эпоксидная плата: более низкая стоимость, Dk≈3,5–4,0, удовлетворяет базовым требованиям к ВЧ-компонентам в потребительской электронике.

Характеристики высокоточного контроля импеданса

Высокочастотные сигналы чрезвычайно чувствительны к изменениям импеданса. Несоответствие импеданса может вызывать отражение сигнала, стоячие волны и искажения, что напрямую влияет на работу оборудования.

· Стандарты контроля импеданса: типичные значения импеданса для высокочастотных печатных плат — 50 Ом (для ВЧ/микроволновой передачи) и 75 Ом (для передачи видеосигнала/по коаксиальному кабелю). Допуск импеданса должен быть строго контролируемым

в пределах ±3% до ±5% (допуск импеданса для обычных печатных плат обычно составляет ±10%).

· Метод реализации: точное проектирование четырёх основных параметров — ширины линии, расстояния между линиями, толщины подложки и толщины медной фольги — с последующей проверкой с помощью программного обеспечения для электромагнитного моделирования (например, ADS, HFSS),

обеспечивается согласованность импеданса. Например, значение импеданса структуры микрополосковой линии прямо пропорционально ширине линии и обратно пропорционально толщине подложки. Требуется многократная корректировка для

достижения целевого значения.

Низкие паразитные параметры и характеристики подавления помех

В высокочастотных цепях паразитная ёмкость и индуктивность проводников могут создавать дополнительные источники помех, приводя к перекрёстным наводкам сигналов или электромагнитному излучению (EMI). Поэтому высокочастотные печатные платы необходимо проектировать

и оптимизировать с целью уменьшения паразитных эффектов.

Конструирование с низкими паразитными параметрами

Укоротить длину провода, уменьшить извилистость трассировки и снизить паразитную индуктивность;

Увеличить расстояние между сигнальными линиями или использовать экранирующие заземлённые полосы для уменьшения паразитной ёмкости;

Использовать специальные структуры передающих линий, такие как микрополосковые и ленточные линии, чтобы уменьшить электромагнитную связь между сигналами и внешней средой.

Способность противостоять электромагнитным помехам (EMI)

Увеличить количество заземлённых слоёв для формирования «экранирующей полости» и блокировки внешних электромагнитных помех;

Осуществлять локальное экранирование чувствительных компонентов (например, ВЧ-чипов) для уменьшения внутреннего излучения сигналов;

Оптимизировать разводку питания и заземления, чтобы уменьшить влияние шумов питания на высокочастотные сигналы.

Высокие показатели физической и экологической устойчивости

Сценарии применения высокочастотных печатных плат в основном находятся в областях с жёсткими требованиями к окружающей среде, таких как промышленная автоматика, медицина и военная промышленность. Поэтому исходный материал и технологический процесс должны соответствовать

дополнительным требованиям к физическим характеристикам

· Устойчивость к высоким температурам: Некоторые исходные материалы (например, PTFE, Rogers) выдерживают температуры выше 260 °C, что соответствует требованиям к процессам печатного монтажа, таким как оплавление и волна пайки, а также подходит для

длительной работы оборудования в условиях высоких температур.

· Стойкость к химическим воздействиям: Исходный материал должен обладать устойчивостью к кислотам, щелочам и влаге, чтобы предотвратить расслоение материала и окисление медной фольги в агрессивных средах.

· Механическая стабильность: медная фольга имеет высокую прочность сцепления с подложкой, что снижает вероятность коробления или деформации и обеспечивает надёжность оборудования в условиях вибрации и ударов.

Высокая точность производства

Точность технологических процессов при изготовлении высокочастотных печатных плат значительно выше, чем у обычных. Ключевые технологические требования включают:

· Малая ширина проводников/расстояние между ними: может достигать 3mil/3mil (0,076 мм/0,076 мм) или ещё меньше, что отвечает требованиям разводки высокочастотных и высокоплотных схем.

· Точное сверление: минимальный диаметр отверстия может составлять 0,1 мм, а допуск позиционирования отверстий находится в пределах ±0,01 мм, что предотвращает изменения импеданса из-за отклонения положения отверстий.

· Поверхностная обработка: в основном применяются процессы золочения и серебрения для уменьшения потерь сигнала на поверхности проводника (эффект поверхностного слоя вызывает концентрацию высокочастотных сигналов на поверхности проводника, а гладкая поверхность

обработка может снизить потери).

Основной материал

Субстрат является основой высокочастотных печатных плат и напрямую влияет на потери при передаче сигнала и стабильность. Основные типы и параметры следующие:

Материал медной фольги

Сигналы высокой частоты обладают поверхностным эффектом (сигналы концентрируются на поверхности проводника при передаче), поэтому при выборе медной фольги необходимо учитывать как эффективность проводимости, так и ровность поверхности:

Электролитическая медная фольга: низкая стоимость, умеренная шероховатость поверхности, подходит для большинства сценариев высокочастотных печатных плат;

Прокатная медная фольга: более гладкая поверхность, меньшие потери от поверхностного эффекта, подходит для высокочастотного и высокочувствительного радиочастотного оборудования;

Толщина медной фольги: обычно используются 1 унция (35 мкм) или ½ унции (17,5 мкм). Тонкая медная фольга позволяет уменьшить паразитную индуктивность и лучше подходит для плотной высокочастотной разводки.

Материалы для обработки поверхности

Обработка поверхности высокочастотных печатных плат должна снижать контактное сопротивление, предотвращать окисление медной фольги и не нарушать передачу высокочастотных сигналов

· Гальваническое золочение (ENIG): Гладкая поверхность, высокая устойчивость к окислению, низкое сопротивление контакта, слабое влияние на потери высокочастотного сигнала, подходит для высокоточных ВЧ-интерфейсов.

· Покрытие серебром: Обладает лучшей электропроводностью по сравнению с золочением и меньшими потерями, но склонно к окислению и требует нанесения антиоксидантного покрытия. Подходит для высокочастотных микроволновых схем.

· Органическая маска для пайки (OSP): Имеет низкую стоимость и простой технологический процесс, однако среднюю устойчивость к высоким температурам. Подходит для высокочастотных печатных плат в потребительской электронике, чувствительной к стоимости.

Ключом к проектированию высокочастотных печатных плат является обеспечение целостности сигналов в диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц, минимальных потерь и устойчивости к помехам. Необходим строгий контроль по нескольким параметрам: выбору основы, контролю импеданса, трассировке и экранированию заземления. Основные меры предосторожности следующие:

Точный выбор основных материалов

Приоритет следует отдавать выбору специализированных подложек с низким значением Dk (2,2–4,5) и низким значением Df (< 0,002) (например, PTFE, Rogers RO4350B), и избегать использования обычных подложек FR-4, чтобы предотвратить чрезмерное затухание высокочастотных сигналов.

Необходимо подтвердить стабильность значения Dk подложки в рабочем диапазоне температур и частот, чтобы избежать изменения импеданса из-за изменений окружающей среды.

Контроль импеданса строгий на протяжении всего процесса

Взаимосвязь между шириной линии, расстоянием между линиями, толщиной подложки и импедансом рассчитывается заранее с помощью программного обеспечения для электромагнитного моделирования (например, ADS, HFSS). Обычно используемые целевые значения импеданса:

50 Ом (для ВЧ-передачи) и 75 Ом (для передачи видеосигнала).

Допуск импеданса должен находиться в пределах ±3% до ±5%. При трассировке следует избегать резких изменений ширины линий и поворотов под прямым углом, чтобы предотвратить отражение сигнала, вызванное разрывом импеданса.

Линии высокочастотных сигналов следует располагать, по возможности, в виде поверхностных микрополосковых линий или внутренних экранированных полосковых линий для уменьшения колебаний импеданса, вызванных неоднородностью диэлектрика.

Оптимизация паразитных параметров при трассировке

Сократите длину высокочастотных проводников: избегайте длинных цепей, уменьшайте паразитную индуктивность и минимизируйте задержку сигнала и излучение.

Увеличьте расстояние между сигнальными линиями: расстояние между высокочастотными линиями должно быть не менее чем в 3 раза больше ширины линии, либо должна использоваться заземлённая изолирующая полоса для уменьшения паразитной ёмкости и перекрёстных помех.

Избегайте параллельного и пересекающегося расположения линий: параллельная трассировка склонна к возникновению помех за счёт связывания, а пересечения должны быть изолированы с помощью слоя заземления или выполняться под прямым углом.

Размещение близлежащих компонентов: высокочастотные устройства, такие как ВЧ-микросхемы, антенны и разъёмы, должны быть размещены как можно ближе друг к другу, чтобы сократить длину высокочастотных путей.

Конструкция заземления и экранирования повышает помехоустойчивость

Для многослойных плат рекомендуется в первую очередь проектировать сплошные слои заземления: слой заземления может служить путем возврата сигнала, уменьшая импеданс контура и одновременно экранируя помехи между слоями.

Однослойные платы следует прокладывать на большой площади, чтобы уменьшить сопротивление заземления.

Локальное экранирование чувствительных компонентов: для ключевых компонентов, таких как ВЧ-усилители и генераторы, можно предусмотреть металлические экраны для блокировки внешних электромагнитных помех (ЭМП) и внутреннего излучения сигналов.

Разделение цифрового заземления и высокочастотного заземления: высокочастотный земляной слой и цифровая схема заземления должны быть соединены в одной точке, чтобы предотвратить проникновение цифрового шума в высокочастотный сигнальный путь.

Конструкция источника питания и фильтра уменьшает шум

Высокочастотные цепи чувствительны к шумам источника питания. Поэтому высокочастотные фильтрующие конденсаторы (например, керамические конденсаторы 0,1 мкФ + танталовые конденсаторы 10 мкФ) должны быть подключены параллельно на входе источника питания и

рядом с выводами питания микросхемы для подавления высокочастотных помех в источнике питания.

Проводку источника питания следует делать короткой и широкой, чтобы уменьшить импеданс проводов и избежать взаимного влияния шумов питания и высокочастотных сигналов.

Технологический процесс совместим с обработкой поверхности

Выберите технологию обработки, поддерживающую малую ширину линии/расстояние между линиями (3mil/3mil и ниже) и точное сверление (допуск диаметра отверстия ±0,01 мм), чтобы соответствовать точности, необходимой для высокочастотных печатных плат.

Для поверхностной обработки предпочтительны золочение и серебрение: поверхность золочения гладкая и имеет низкое контактное сопротивление. Серебрение обладает хорошей электропроводностью и низкими потерями от поверхностного эффекта, что делает его подходящим для высокочастотных

сценариев. Избегайте использования процессов OSP с плохими антиоксидантными свойствами в основной высокочастотной области.

Тепловая конструкция адаптирована к требованиям высоких температур

Некоторые высокочастотные подложки (например, PTFE) обладают плохой теплопроводностью. Поэтому необходимо рационально спроектировать путь отвода тепла или использовать теплопроводные прокладки для предотвращения деформации подложки и

деградации характеристик, вызванных тепловыделением от высокомощных устройств.

Низкое затухание сигнала обеспечивает качество передачи

Использование специализированных подложек с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и низкими диэлектрическими потерями (Df), таких как PTFE и серии Rogers, позволяет эффективно

снизить потери энергии высокочастотных сигналов в диапазоне от 300 МГц до 3 ГГц при передаче, избежать искажения сигналов и удовлетворить требования к дальней и высокочастотной связи и передаче данных.

Высокоточный контроль импеданса повышает целостность сигнала

Точное проектирование ширины линий, расстояния между линиями и толщины подложки позволяет контролировать допуск импеданса в пределах ±3% до ±5%, обеспечивая стабильное согласование стандартных импедансов, таких как 50 Ом/75 Ом, избегая отражения сигналов

и явлений стоячих волн, а также гарантируя надежную работу высокочастотных цепей, таких как ВЧ и микроволновые.

Высокая устойчивость к помехам, подходит для сложных электромагнитных сред

Оптимизированная структура проводки (например, микрополосковые и ленточные линии) и многослойная схема заземления позволяют уменьшить паразитную ёмкость и индуктивность, а также перекрёстные помехи сигналов и электромагнитное излучение (EMI). В сочетании

с локальной металлической экранировкой она обеспечивает защиту от внешних электромагнитных помех и подходит для применения в условиях высоких требований к электромагнитной совместимости, например, в промышленном оборудовании и медицинских приборах.

Высокая экологическая устойчивость, соответствует тяжёлым условиям эксплуатации

Специализированная высокочастотная подложка обладает устойчивостью к высоким температурам (выше 260 °C), химической коррозии и влаге. В сочетании с надёжным процессом соединения медной фольги она способна сохранять стабильные

характеристики в тяжёлых условиях эксплуатации, таких как вибрация и циклы высоких и низких температур, что соответствует требованиям длительной работы на уровне автомобильной и военной техники

оборудования.

Поддержка высокой степени интеграции способствует миниатюризации конструкции

Поддерживает обработку мелких линий и зазоров размером 3 мил/3 мил и менее, а также небольшие диаметры отверстий. Позволяет достичь высокой плотности трассировки, удовлетворяя требованиям проектирования миниатюрных и высокоинтегрированных продуктов, таких как RF

модули и компоненты базовых станций 5G, а также экономит место оборудования.