Vysokofrekvenčné dosky plošných spojov

Vysokofrekvenčná DPS je typ DPS, ktorý používa špecializované substráty s nízkou dielektrickou konštantou (Dk) a nízkymi dielektrickými stratami (Df), ako napríklad PTFE a séria Rogers. Vyžaduje prísne riadenie impedancie a optimalizované prepojovanie, aby sa znížili parazitné parametre. Je špeciálne navrhnutá pre scenáre prenosu vysokofrekvenčných signálov v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz. Vysokopresné tlačené dosky s plošnými spojmi, ktoré sú široko kompatibilné so zariadeniami v oblastiach ako komunikácia, vojensý priemysel, medicína starostlivosť a spotrebná elektronika.

Vlastnosti vysokofrekvenčných DPS

Vlastnosti vysokofrekvenčných komunikačných obvodov sú navrhnuté na základe troch základných požiadaviek: nízke straty, vysoká stabilita a odolnosť voči rušeniu pri prenose vysokofrekvenčných signálov v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz. Každá vlastnosť zodpovedá konkrétnemu výberu materiálu, technologickým normám a aplikačným hodnotám. Nasleduje podrobné rozdelenie:

Vlastnosť nízkych strát substrátu

Pri prenose vysokofrekvenčných signálov dochádza k stratám energie v dôsledku dielektrických vlastností substrátu. Toto je základný rozdiel medzi vysokofrekvenčnými obvodmi a bežnými DPS.
Kľúčové parametre

· Nízka dielektrická konštanta (Dk): Dielektrická konštanta určuje rýchlosť prenosu signálu. Čím nižšia je hodnota Dk, tým vyššia je rýchlosť prenosu signálu a tým menšie je oneskorenie signálu. Hodnota Dk vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov

je zvyčajne stabilná medzi 2,2 a 4,5 (hodnota Dk bežných substrátov FR-4 je približne 4,6 až 4,8) a je potrebné zabezpečiť stabilitu Dk pri rôznych teplotách a frekvenciách, aby sa predišlo skresleniu signálu.

· Nízky tangent strátnej faktora (Df): Hodnota Df priamo odráža straty energie signálu v substráte. Čím nižšia je hodnota Df, tým menšie sú straty. Hodnota Df substrátov vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov je zvyčajne nižšia ako 0,002 (hodnota Df

bežného FR-4 je približne 0,02), čo efektívne zníži útlm signálu a je obzvlášť vhodné pre dlhodobý a vysokofrekvenčný prenos signálu.

Typický substrát

· PTFE (polytetrafluoroetylén): Dk≈2,1, Df≈0,0009, odolnosť voči vysokým teplotám (nad 260 ℃), vysoká chemická stabilita, je to prvá voľba pre náročné aplikácie ako vojensý priemysel a satelitná komunikácia.

· Séria Rogers (napr. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, s vynikajúcou stabilitou impedancie, vhodná pre 5G základne a RF moduly.

· Vysokofrekvenčná doska z epoxidovej živice: nižšia cena, Dk≈3,5-4,0, spĺňa základné požiadavky na RF komponenty v spotrebnej elektronike.

Vysoká presnosť riadenia impedancie

Vysokofrekvenčné signály sú extrémne citlivé na zmeny impedancie. Nesúlad impedancie môže spôsobiť odraz signálu, stojaté vlny a skreslenie, čím sa priamo ovplyvňuje výkon zariadenia.

· Štandardy riadenia impedancie: Bežne používané hodnoty impedancie pre vysokofrekvenčné DPS sú 50 Ω (pre RF/mikrovlnný prenos) a 75 Ω (pre video/koaxiálny kábelový prenos). Tolerancia impedancie by mala byť kontrolovaná

v rozmedzí ±3 % až ±5 % (impedančná tolerancia pre bežné DPS je zvyčajne ±10 %).

· Spôsob realizácie: Presným navrhnutím štyroch kľúčových parametrov – šírky vodiča, vzdialenosti medzi vodičmi, hrúbky substrátu a hrúbky medienej fólie – a overením pomocou softvéru na elektromagnetickú simuláciu (napr. ADS, HFSS),

sa zabezpečí konzistencia impedancie. Napríklad hodnota impedancie mikropáskovej štruktúry je priamo úmerná šírke vodiča a nepriamo úmerná hrúbke substrátu. Je potrebné ju opakovane upravovať, aby sa

dosiahla cieľová hodnota.

Nízke parazitné parametre a odolnosť voči rušeniu

Vo vysokofrekvenčných obvodoch môžu parazitné kapacity a indukčnosti vodičov spôsobiť dodatočné rušivé zdroje, čo vedie k prelievaniu signálov alebo elektromagnetickej interferencii (EMI). Preto je potrebné vysokofrekvenčné DPS navrhnúť

a optimalizovať tak, aby sa znížili parazitné efekty.

Návrh s nízkymi parazitnými parametrami

Skráťte dĺžku vodiča, znížte okružnú trassu a znížte parazitnú indukčnosť;

Zvýšte vzdialenosť medzi signálnymi vodičmi alebo použite izolačné pásy uzemnenia na zníženie parazitnej kapacity;

Používajú sa špeciálne štruktúry prenosových vedení, ako sú mikropásmové vedenia a páskové vedenia, na zníženie elektromagnetického spriahnutia medzi signálmi a vonkajším prostredím.

Odolnosť voči elektromagnetickému rušeniu (EMI)

Zvýšte počet vrstiev uzemnenia, aby ste vytvorili „chránenú dutinu“ a blokovali vonkajšie elektromagnetické rušenie;

Vykonajte lokálne krytie citlivých komponentov (napr. RF čipov), aby ste znížili vnútorné vyžarovanie signálov;

Optimalizujte usporiadanie napájania a uzemnenia, aby ste znížili vplyv šumu napájania na vysokofrekvenčné signály.

Vynikajúce fyzikálne a environmentálne prispôsobivé vlastnosti

Aplikačné scenáre vysokofrekvenčných DPS sa väčšinou nachádzajú v oblastiach s prísnymi požiadavkami na prostredie, ako sú priemyselné riadenie, zdravotníctvo a vojenský priemysel. Preto musia materiál základne a proces spĺňať

dodatočné fyzikálne vlastnosti

· Odolnosť voči vysokým teplotám: Niektoré základné materiály (ako PTFE, Rogers) vydržia teploty vyššie ako 260 ℃, čím splnia požiadavky na spracovanie reflow a vlnovej spájkovania, a zároveň sú vhodné pre

dlhodobý prevádzku zariadení v prostredí s vysokou teplotou.

· Odolnosť voči chemikáliám: Základný materiál musí mať vlastnosti odolnosti voči kyselinám, zásadám a vlhkosti, aby sa zabránilo delaminácii základného materiálu a oxidácii medi vo nepriaznivých prostrediach.

· Mechanická stabilita: Medená fólia má silný spoj s nosným materiálom, čo znižuje riziko skreslenia alebo deformácie a zabezpečuje spoľahlivosť zariadenia pri vibráciách a nárazoch.

Vysoká presnosť výroby

Presnosť spracovania technológie vysokofrekvenčných DPS je oveľa vyššia ako u bežných DPS. K základným požiadavkám procesu patrí:

· Jemná šírka vedenia/vzdialenosť medzi vedeniami: Možno dosiahnuť šírku vedenia a medzery 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) alebo ešte tenšie, čím sa splnia požiadavky na zapojenie hustých a vysokofrekvenčných obvodov.

· Presné vŕtanie: Minimálny priemer otvoru môže dosiahnuť 0,1 mm a poloha otvoru je kontrolovaná v tolerancii ±0,01 mm, čím sa zabráni zmene impedancie spôsobenej odchýlkou polohy otvoru.

· Úprava povrchu: Procesy zlatého a strieborného pokovovania sa väčšinou používajú na zníženie strát signálu na povrchu vodiča (kožový efekt spôsobuje, že vysokofrekvenčné signály sa koncentrujú na povrchu vodiča, hladký povrch

úprava môže znížiť straty).

Jadrový materiál

Substrát je základom pre vysokofrekvenčné dosky plošných spojov a priamo ovplyvňuje straty pri prenose signálu a stabilitu. Hlavné typy a parametre sú nasledovné:

Materiál medienej fólie

Vysokofrekvenčné signály vykazujú kožný efekt (signály sú pri prenose sústredené na povrchu vodiča), preto pri výbere medi treba zohľadniť nielen vodivú účinnosť, ale aj povrchovú rovnosť:

Elektrolytická medi: Nízka cena, stredná drsnosť povrchu, vhodná pre väčšinu vysokofrekvenčných PCB aplikácií;

Valcovaná medi: Hladší povrch, menšie straty kožným efektom, vhodná pre vysokofrekvenčné a vysokej citlivosti rádiové zariadenia;

Hrúbka medi: Bežne používané sú 1 unca (35 μm) alebo ½ unca (17,5 μm). Tenká medi znižuje parazitnú indukčnosť a je vhodnejšia pre husté vysokofrekvenčné zapojenie.

Materiály pre povrchovú úpravu

Povrchová úprava vysokofrekvenčných PCB musí znížiť prechodový odpor, zabrániť oxidácii medi a zabrániť vplyvu na prenos vysokofrekvenčných signálov

· Zlatá úprava (ENIG): Hladký povrch, vysoká odolnosť voči oxidácii, nízky prechodový odpor, malý vplyv na stratu vysokofrekvenčného signálu, vhodné pre vysokopresné RF rozhrania.

· Strieborné pokovovanie: Má lepšiu elektrickú vodivosť ako zlaté pokovovanie a nižšie straty, no je náchylnejšie k oxidácii a vyžaduje kombináciu s protioxidačnou vrstvou. Je vhodné pre vysokofrekvenčné mikrovlnné obvody.

· Organická spájkovacia maska (OSP): Má nízku cenu a jednoduchý proces, no jej odolnosť voči vysokým teplotám je priemerná. Je vhodná pre vysokofrekvenčné dosky plošných spojov (PCB) vo spotrebných elektronických zariadeniach citlivých na náklady.

Jadrom návrhu vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov (PCB) je zabezpečenie integrity, nízkych strát a odolnosti voči rušeniu signálov v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz. Je potrebné prísne kontrolovať viaceré parametre, ako je voľba substrátu, riadenie impedancie, usporiadanie spojov a uzemňovacie stínovanie. Konkrétne opatrenia sú nasledovné:

Presný výber základných materiálov

Dajte prednosť výberu špeciálnych substrátov s nízkym Dk (2,2–4,5) a nízkym Df (< 0,002) (napr. PTFE, Rogers RO4350B) a vyhýbajte sa používaniu bežných substrátov FR-4, aby ste predišli nadmernému útlmu vysokofrekvenčných signálov.

Je potrebné potvrdiť stabilitu hodnoty Dk substrátu v pracovnom teplotnom a frekvenčnom rozsahu, aby sa predišlo kolísaniu impedancie spôsobenému zmenami prostredia.

Impedančná kontrola je po celom procese prísná

Zodpovedajúci vzťah medzi šírkou vodiča, vzdialenosťou vodičov, hrúbkou substrátu a impedanciou sa vopred vypočíta pomocou softvéru pre elektromagnetickú simuláciu (napr. ADS, HFSS). Bežne používané cieľové impedancie sú

50Ω (pre RF prenos) a 75Ω (pre video prenos).

Tolerancia impedance by mala byť kontrolovaná v rozmedzí ±3 % až ±5 %. Pri uskladňovaní sa vyhýbajte náhlym zmenám šírky vodiča a pravouhlým ohybom, aby ste predišli odrazu signálu spôsobenému nespojitosti impedancie.

Vysokofrekvenčné signálne vedenia by mali byť usporiadané čo najviac ako povrchové mikropásmové alebo vnútorné plošné vedenia, aby sa znížili výkyvy impedancie spôsobené nerovnomerným médiom.

Optimalizujte parazitné parametre pre usporiadanie vedení

Zkráťte dĺžku vysokofrekvenčných spojov: Vyhnite sa dlhým vedeniam, znížte parazitnú indukčnosť a minimalizujte oneskorenie a vyžarovanie signálu.

Zväčšite vzdialenosť medzi signálnymi vedeniami: Vzdialenosť medzi vysokofrekvenčnými vedeniami by mala byť ≥3-násobok šírky vedenia, alebo by sa mal použiť izolačný pás zemníka na zníženie parazitnej kapacity a preliezania signálov.

Vyhnite sa paralelným a krížovým vedeniam: Paralelné vedenie je náchylné na rušivé vazby. Pri krížovom vedení sa musí použiť izolácia cez zemnú vrstvu alebo sa musí uplatniť kolmé kríženie.

Usporiadanie súčiastok v blízkosti: Vysokofrekvenčné súčiastky, ako RF čipy, antény a konektory, by mali byť umiestnené tesne vedľa seba, aby sa skrátila dĺžka vysokofrekvenčných ciest.

Navrhovanie uzemnenia a krytia zvyšuje odolnosť proti rušeniu

U viacvrstvových dosiek sa odporúča uprednostniť návrh kompletných vrstiev uzemnenia: Vrstva uzemnenia môže slúžiť ako spätná cesta pre signál, čím sa zníži impedancia slučky a súčasne sa eliminuje vzájomné rušenie signálov medzi vrstvami.

Jednovrstvové dosky by mali byť pokryté veľkou plochou uzemnenia, aby sa znížil odpor uzemnenia.

Lokálne krytie citlivých komponentov: Pre kľúčové komponenty, ako sú RF zosilňovače a oscilátory, je možné navrhnúť kovové kryty, ktoré blokujú vonkajšie elektromagnetické rušenie (EMI) aj vnútorné vyžarovanie signálov.

Oddelenie digitálneho a vysokofrekvenčného uzemnenia: Vysokofrekvenčná uzemňovacia cesta a digitálna obvodová uzemňovacia cesta musia byť spojené v jednom bode, aby sa zabránilo prenikaniu digitálneho šumu do vysokofrekvenčnej signálnej cesty.

Návrh napájania a filtrovania znižuje hluk

Vysokofrekvenčné obvody sú citlivé na šum napájania. Preto by sa na vstupnom konci napájania a

vedľa napájacích vývodov čipu mali pripojiť vysokofrekvenčné filtračné kondenzátory (napr. keramické kondenzátory 0,1 μF + tantalové kondenzátory 10 μF) na odstránenie vysokofrekvenčného šumu v napájaní.

Napájacie vedenie by malo byť krátke a široké, aby sa znížilo impedančné zaťaženie vodičov a predišlo sa vazbe šumu napájania s vysokofrekvenčnými signálmi.

Výrobný proces je kompatibilný s povrchovou úpravou

Vyberte spracovateľskú technológiu, ktorá podporuje jemnú šírku vedenia/vzdialenosť medzi vedeniami (3mil/3mil a nižšie) a presné vŕtanie (tolerancia priemeru otvoru ±0,01 mm), aby boli splnené presné požiadavky pre vysokofrekvenčné dosky plošných spojov.

Pri povrchovej úprave sa uprednostňuje zlatá a strieborná pokovovacia vrstva: povrch zlatej pokovovej vrstvy je hladký a má nízky prechodový odpor. Strieborná pokovovacia vrstva má dobrú elektrickú vodivosť a nízke straty v dôsledku blízkosti povrchu, čo ju robí vhodnou pre vysoké

frekvenčné scenáre. V oblasti jadrových vysokých frekvencií je potrebné vyhnúť sa použitiu procesov OSP s nedostatočnými protioxidačnými vlastnosťami.

Tepelný dizajn je prispôsobený požiadavkám vysokých teplôt

Niektoré vysokofrekvenčné podložky (napr. PTFE) majú nízku tepelnú vodivosť. Preto je nevyhnutné racionálne navrhnúť cestu odvodu tepla alebo použiť tepelne vodivé tesnenia, aby sa predišlo deformácii podložky a

zhoršeniu výkonu spôsobenému teplom generovaným výkonnými zariadeniami.

Nízke útlmy signálu zabezpečujú kvalitu prenosu

Použitím špeciálnych substrátov s nízkou dielektrickou konštantou (Dk) a nízkymi dielektrickými stratami (Df), ako sú PTFE a série Rogers, možno účinne znížiť stratu energie vysokofrekvenčných signálov v rozsahu od 300 MHz do 3 GHz počas prenosu

možno zabrániť skresleniu signálu a splniť požiadavky na dlhodobú a vysokofrekvenčnú komunikáciu a prenos dát.

Vysoká presnosť riadenia impedancie zvyšuje integritu signálu

Presným navrhovaním šírky vodiča, vzdialenosti medzi vodičmi a hrúbky substrátu sa tolerancia impedance udržiava v rozmedzí ±3 % až ±5 %, čo umožňuje stabilné prispôsobenie štandardným impedanciám, ako sú 50Ω/75Ω, a zabraňuje odrazu signálu

a vzniku stojatých vĺn a zabezpečuje spoľahlivý chod vysokofrekvenčných obvodov, ako sú RF a mikrovlnné.

Silná odolnosť voči rušeniu, vhodné pre komplexné elektromagnetické prostredia

Optimalizovaná káblová štruktúra (napríklad mikropáskové vedenia a pásikové spoje) a viacvrstvový návrh uzemnenia môžu znížiť parazitnú kapacitu a indukčnosť, ako aj prelievanie signálov a elektromagnetické vyžarovanie (EMI). V kombinácii

s lokálnym kovovým clonením dokáže odolávať vonkajšiemu elektromagnetickému rušeniu a je vhodná pre scenáre s vysokými požiadavkami na elektromagnetickú kompatibilitu, ako sú priemyselné riadiace zariadenia a lekárne prístroje.

Vynikajúca prispôsobivosť prostrediu, spĺňa náročné prevádzkové podmienky

Vyhradený vysokofrekvenčný substrát má odolnosť voči vysokým teplotám (vyše 260 ℃), odolnosť voči chemickému koróznemu pôsobeniu a vlhkosti. Spolu s stabilným procesom spojovania mediakovou fóliou môže zachovať stabilný

výkon v náročných prostrediach, ako sú vibrácie a cykly vysokých a nízkych teplôt, a spĺňa požiadavky na dlhodobý prevádzku automobilovej a vojenskej triedy

zariadení.

Podpora vysokého stupňa integrácie umožňuje miniaturizovaný dizajn

Podporuje spracovanie jemných šírok čiar a vzdialeností 3mil/3mil a nižších, ako aj malé priemery otvorov. Môže dosiahnuť vysokú hustotu zapojenia, čím spĺňa návrhové požiadavky miniaturizovaných a vysoce integrovaných produktov, ako sú RF

moduly a komponenty 5G záklňových staníc, a ušetrí priestor zariadení.