Plošče visokih frekvenc

Visokofrekvenčno tiskano vezje je vrsta tiskanega vezja, ki uporablja specializirane podlage z nizko dielektrično konstanto (Dk) in nizkimi dielektričnimi izgubami (Df), kot so PTFE in serija Rogers. Zahteva strogo kontroliranje impedanc in optimizirano razporeditev prevodnikov za zmanjšanje parazitskih parametrov. Posebej je zasnovano za scenarije prenosa visokofrekvenčnih signalov v razponu od 300 MHz do 3 GHz. Natančne tiskane vezje, ki so široko združljive s opremo na področjih, kot so komunikacije, vojaška industrija, medicinska skrb in potrošniška elektronika.

Značilnosti visokofrekvenčnih tiskanih vezij

Značilnosti visokofrekvenčnih komunikacijskih vezij so zasnovane okoli treh osnovnih zahtev: nizke izgube, visoka stabilnost in odpornost proti motnjam pri prenosu visokofrekvenčnih signalov v razponu od 300 MHz do 3 GHz. Vsaka značilnost ustreza določenemu izboru materialov, standardom postopkov in uporabnim vrednostim. Spodaj je podroben razcep:

Značilnost nizkih izgub podlage

Ob prenosu visokofrekvenčnih signalov pride do izgube energije zaradi dielektričnih lastnosti podlage. To je osnovna razlika med visokofrekvenčnimi vezji in običajnimi tiskanimi vezji.
Ključni parametri

· Nizka dielektrična konstanta (Dk): Dielektrična konstanta določa hitrost prenosa signala. Manjša kot je vrednost Dk, višja je hitrost prenosa signala in manjši je zamik signala. Vrednost Dk podlag za visokofrekvenčne tiskane vezje

je navadno stabilna med 2,2 in 4,5 (Dk običajnih podlag FR-4 je približno 4,6 do 4,8), pri čemer je potrebno zagotoviti stabilnost Dk pri različnih temperaturah in frekvencah, da se izognemo izkrivljanju signala.

· Nizka tangenta dielektričnih izgub (Df): Vrednost Df neposredno odraža izgubo energije signala v podlagi. Manjša kot je vrednost Df, manjše so izgube. Vrednost Df podlag za visokofrekvenčne tiskane vezje je navadno manjša od 0,002 (Df

navadnega FR-4 je približno 0,02), kar učinkovito zmanjša slabljenje signala in je zlasti primerno za dolgotrajen in visokofrekvenčni prenos signala.

Tipična podlaga

· PTFE (politetrafluoroetilen): Dk≈2,1, Df≈0,0009, odpornost na visoke temperature (nad 260 ℃), visoka kemična stabilnost, prva izbira za zahtevne aplikacije, kot so vojaška industrija in satelitska komunikacija.

· Serija Rogers (npr. RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, odlična stabilnost impedance, primerna za 5G bazne postaje in RF module.

· Epoxy smolna plošča za visoke frekvence: nižji stroški, Dk≈3,5-4,0, izpolnjuje osnovne zahteve za RF komponente v potrošniški elektroniki.

Značilnosti visoko natančnega nadzora impedance

Visokofrekvenčni signali so izjemno občutljivi na spremembe impedance. Neujemanje impedance lahko povzroči odboj signalov, nastanek stoječih valov in popačenje, kar neposredno vpliva na zmogljivost opreme.

· Standardi nadzora impedance: pogosto uporabljene vrednosti impedance za visokofrekvenčne tiskane vezije so 50Ω (za RF/mikrovalovno prenos) in 75Ω (za video/kaksialni kabelski prenos). Tolerance impedance morajo biti nadzorovane

znotraj ±3 % do ±5 % (toleranca impedanc za običajne tiskane plošče je ponavadi ±10 %).

· Način izvedbe: S točnim načrtovanjem štirih osnovnih parametrov – širine tirnice, razmika med tirnicami, debeline podlage in debeline bakrenega folija – ter preveritvijo z uporabo programske opreme za elektromagnetno simulacijo (npr. ADS, HFSS),

se zagotovi doslednost impedance. Na primer, vrednost impedance mikrotraku je neposredno sorazmerna s širino tirnice in obratno sorazmerna z debelino podlage. Potrebno jo je večkrat prilagajati, da se

doseže ciljna vrednost.

Nizki parazitski parametri in odpornost proti motenjam

V visokofrekvenčnih vezjih lahko parazitska kapacitivnost in induktivnost vodnikov povzročita dodatne viri motenj, kar vodi do križnih motenj signalov ali elektromagnetnega sevanja (EMI). Zato morajo biti visokofrekvenčne tiskane plošče zasnovane

in optimizirane tako, da se zmanjšajo parazitski učinki.

Zasnova z nizkimi parazitskimi parametri

Skrajšaj dolžino žice, zmanjšaj zapleteno usmerjanje in znižaj parazitsko induktivnost;

Povečaj razmik signalnih linij ali uporabi ločilne trakove ozemljitve za zmanjšanje parazitske kapacitivnosti;

Uporabljene so posebne strukture prenosnih linij, kot so mikrotrakovne in trakove linije, da se zmanjša elektromagnetno sklopitev med signali in okoljem.

Zmožnost proti elektromagnetnim motnjam (EMI)

Povečaj število slojev ozemljitve, da oblikuješ »zaščitno votlino« in blokiraš zunanje elektromagnetne motnje;

Izvedi lokalno ekraniranje občutljivih komponent (npr. RF čipov), da zmanjšaš notranjo sevanje signalov;

Optimiziraj razpored napajanja in ozemljitve, da zmanjšaš vpliv hrupa napajanja na visokofrekvenčne signale.

Odlične fizične in okoljske prilagodljive lastnosti

Uporabni primeri visokofrekvenčnih tiskanih vezij so večinoma v področjih z velikimi zahtevi glede okolja, kot so industrijsko nadzorovanje, zdravstvo in vojaška industrija. Zato morajo osnovni materiali in postopki izpolnjevati

dodatne zahteve glede fizičnih lastnosti

· Odpornost proti visoki temperaturi: Nekateri osnovni materiali (kot so PTFE, Rogers) lahko prenesejo temperature nad 260 °C, s čimer izpolnjujejo zahteve za procese reflow in valovito lemljenje, hkrati pa so primerni za

daljši čas delovanja opreme v okolju z visoko temperaturo.

· Odpornost proti kemikalijam: Osnovni material mora biti odporen proti kislinam, alkalijem in vlage, da se prepreči razslojevanje osnovnega materiala in oksidacija bakrenih folij v težkih okoljskih pogojih.

· Mehanska stabilnost: Bakreni folij ima močno oprijemljivost na podlago, zaradi česar je manj verjetno, da se upogne ali deformira, kar zagotavlja zanesljivost opreme v pogojih vibracij in udarcev.

Značilnosti visoke natančnosti izdelave

Natančnost izdelovalne tehnologije visokofrekvenčnih tiskanih vezij je veliko višja kot pri običajnih tiskanih vezjih. K osnovnim zahtevam procesa spadajo:

· Majhna širina trakov/razmik med trakovi: Možna je doseči širina trakov in razmiki 3 mil/3 mil (0,076 mm/0,076 mm) ali celo manj, kar izpolnjuje zahteve za razvajanje visoko gostotnih in visokofrekvenčnih vezij.

· Natančno vrtanje: Najmanjši premer luknje znaša 0,1 mm, tolerance položaja luknje pa so nadzorovane znotraj ±0,01 mm, s čimer se preprečijo spremembe impedanc, povzročene zaradi odstopanja položaja luknje.

· Površinska obdelava: Za zmanjšanje izgube signala na površini prevodnika se najpogosteje uporabljata zlatenje in srebrnenje (kožni efekt povzroči, da se visokofrekvenčni signali koncentrirajo na površini prevodnika, gladka površina pa lahko zmanjša izgube).

obdelava lahko zmanjša izgube).

Osnovni podlagi

Podlaga je temelj visokofrekvenčnih tiskanih vezij in neposredno vpliva na izgube pri prenosu signalov ter stabilnost. Glavni tipi in parametri so naslednji:

Material bakerja

Signali visoke frekvence imajo kožni učinek (signali so koncentrirani na površini prevodnika za prenos), zato pri izbiri bakrenega folija moramo upoštevati tako učinkovitost prevodnosti kot tudi ravnanje površine:

Elektrolitični bakreni folij: Nizka cena, zmerna hrapavost površine, primeren za večino scenarijev visokofrekvenčnih tiskanih vezij;

Valjani bakreni folij: Bolj gladka površina, manjši izgubi zaradi kožnega učinka, primeren za visokofrekvenčno in visokoobčutljivo radijsko opremo;

Debelina bakrenega folija: Najpogosteje uporabljena je 1 oz (35 μm) ali ½ oz (17,5 μm). Tanek bakreni folij zmanjša parazitsko induktivnost in je bolj primeren za visoko gostoto visokofrekvenčnega razvoda.

Materiali za obdelavo površin

Obdelava površine visokofrekvenčnih tiskanih vezij mora zmanjšati stikalno upornost, preprečiti oksidacijo bakrenega folija ter izogniti vplivu na prenos visokofrekvenčnih signalov

· Zlata prevleka (ENIG): Gladka površina, močna odpornost proti oksidaciji, nizka prehodna upornost, majhen vpliv na izgubo visokofrekvenčnega signala, primerno za visoko natančne RF vmesnike.

· Pocinkanje s srebrno prevleko: Ima boljšo električno prevodnost kot pocinkanje z zlatom in nižje izgube, vendar je nagnjeno k oksidaciji ter zahteva kombinacijo s protioksidacijskim premazom. Primerno za visokofrekvenčne mikrovalovne tokokroge.

· Organski levarni maskirni premaz (OSP): Nizka cena in preprost proces, vendar je odpornost na visoke temperature povprečna. Primerno za visokofrekvenčne tiskane vezije v potrošniški elektroniki, ki so občutljive na stroške.

Jedro oblikovanja visokofrekvenčnih tiskanih vezij je zagotavljanje celovitosti, nizkih izgub in odpornosti proti motnjam signalov v območju od 300 MHz do 3 GHz. Treba je strogo nadzorovati več razsežnosti, kot so izbira podlage, nadzor impedanc, razporeditev povezav in ozemljitveno ekraniranje. Posebej je treba upoštevati naslednje točke:

Natančna izbira osnovnih materialov

Dajte prednost izbiri namenskih podlag z nizkim Dk (2,2–4,5) in nizkim Df (< 0,002) (npr. PTFE, Rogers RO4350B) ter se izogibajte uporabi običajnih podlag FR-4, da preprečite preveliko slabljenje visokofrekvenčnih signalov.

Treba je potrditi stabilnost vrednosti Dk podlage v delovnem temperaturnem in frekvenčnem območju, da se izognemo odmiku impedanc zaradi sprememb okolja.

Kontrola impedance je strogo nadzorovana skozi celoten proces

Ustrezen razmerje med širino črte, razmikom črt, debelino podlage in impedanco se vnaprej izračuna s pomočjo programske opreme za elektromagnetno simulacijo (npr. ADS, HFSS). Najpogosteje uporabljene ciljne impedance so

50Ω (za RF prenos) in 75Ω (za video prenos).

Toleranca impedance naj bi bila omejena na ±3 % do ±5 %. Pri vodnikih je treba izogibati nenadnim spremembam širine in pravokotnim obratom, da se prepreči odboj signala zaradi prekinjenosti impedance.

Linije visokofrekvenčnih signalov naj bi čim bolj bile razporejene kot površinske mikropolne linije ali notranje ravne linije, da se zmanjšajo nihanja impedanc, ki jih povzroča neenakomerna sredstva.

Optimizacija parazitskih parametrov za postavitev ožičenja

Skrajšajte dolžino visokofrekvenčnih sledi: Izogibajte se dolgim vezjem, zmanjšajte parazitsko induktivnost in zmanjšajte zakasnitev signalov ter sevanje.

Povečajte razdaljo med signalnimi vodniki: Razdalja med visokofrekvenčnimi vodniki mora biti ≥3-krat širina vodnika, ali pa je treba uporabiti ločeno pasovo ozemljitev, da se zmanjša parazitska kapacitivnost in prehajanje signalov.

Izogibanje vzporednim in križnim vodnikom: Vzporedno usmerjanje je podvrženo sklopnemu motenjam. Križno usmerjanje je treba ločiti prek ozemljitvenega sloja ali uporabiti navpično križanje.

Razporeditev komponent v bližini: Visokofrekvenčne naprave, kot so RF čipi, antene in priključki, naj bodo tesno razporejene, da se zmanjša dolžina visokofrekvenčnih poti.

Zasnova ozemljitve in ekraniranja izboljša zmogljivost proti motnjam

Pri večplastnih tiskanih vezjih je priporočljivo prednostno zasnovati popolne sloje ozemljitve: Sloj ozemljitve lahko služi kot pot za vračanje signala, zmanjšuje zankovno impedanco in hkrati ekranira motnje med plastmi.

Enoplastna vezja naj bodo razprostrta na velikem območju, da se zmanjša upor ozemljitve.

Lokalno ekraniranje občutljivih komponent: Za ključne komponente, kot so RF ojačevalniki in oscilatorji, je mogoče zasnovati kovinske pokrove za ekraniranje, ki blokirajo zunanje elektromagnetne motnje (EMI) ter notranjo oddajanje signalov.

Ločitev digitalne ozemljitve in visokofrekvenčne ozemljitve: Visokofrekvenčno ozemljitev in digitalno vezje ozemljitve je treba povezati v eni točki, da se prepreči sklepanje digitalnega hrupa v visokofrekvenčno pot signala.

Zasnova napajanja in filtra zmanjša hrup

Visokofrekvenčni krogi so občutljivi na hrup napajanja. Zato naj bodo na vhodu napajanja in

ob pinih čipa priključeni vzporedno visokofrekvenčni filtrski kondenzatorji (npr. keramični kondenzatorji 0,1 μF + tantalovi kondenzatorji 10 μF), da se izloči visokofrekvenčni hrup v napajanju.

Povezave napajanja morajo biti kratke in široke, da se zmanjša impedanca vodnikov in se izognemo sklopu hrupa napajanja z visokofrekvenčnimi signalih.

Proizvodni postopek je združljiv s površinsko obdelavo

Izberite tehnologijo obdelave, ki podpira drobne širine/razmike med tirnicami (3 mil/3 mil in manj) ter natančno vrtanje (dopustna odstopanja premera luknje ±0,01 mm), da se izpolnijo zahteve po natančnosti za visokofrekvenčne tiskane vezije.

Za površinsko obdelavo sta prednostni zlata in srebrna prevleka: površina zlate prevleke je gladka in ima nizko prehodno upornost. Srebrna prevleka ima dobro električno prevodnost in majhne izgube zaradi kožnega efekta, zaradi česar je primerna za visokofrekvenčne

scenarije. V jedrskem visokofrekvenčnem območju je treba izogibati uporabi postopkov OSP z slabimi protioksidacijskimi lastnostmi.

Toplotno oblikovanje je prilagojeno zahtevam pri visokih temperaturah

Nekateri visokofrekvenčni podlagi (na primer PTFE) imata slabo toplotno prevodnost. Zato je potrebno racionalno zasnovati pot odvajanja toplote ali uporabiti toplotno prevodne tesnilne podložke, da se prepreči deformacija podlage in

zmanjšanje zmogljivosti, povzročeno s toploto, ki jo oddajajo visokomočni elementi.

Nizka slabljenje signala zagotavlja kakovost prenosa

Z uporabo specializiranih podlag z nizko dielektrično konstanto (Dk) in nizkimi dielektričnimi izgubami (Df), kot so PTFE in serija Rogers, se lahko učinkovito zmanjšajo izgube energije visokofrekvenčnih signalov v območju od 300 MHz do 3 GHz med prenosom

zmanjšajo izgube, se izognejo izkrivljanju signalov ter izpolnijo zahteve za dolgotrajno in visokofrekvenčno komunikacijo ter prenos podatkov.

Natančna kontrola impedance izboljša integriteto signala

Z natančnim načrtovanjem širine, razmika in debeline podlage se toleranca impedance nadzoruje znotraj ±3 % do ±5 %, kar omogoča stabilno ujemanje standardnih impedanc, kot sta 50 Ω/75 Ω, ter se izogne odboju signalov

in pojavu stoječih valov ter zagotavlja zanesljivo delovanje visokofrekvenčnih vezij, kot so RF in mikrovalovna.

Močna odpornost proti motnjam, primerna za kompleksna elektromagnetna okolja

Optimizirana žična struktura (kot so mikrotrake in trakovi) ter večplastna konstrukcija ozemljitve zmanjšata parazitsko kapacitivnost in induktivnost, ter prekrivanje signalov in elektromagnetno sevanje (EMI). V kombinaciji

z lokalnim kovinskim ekraniranjem omogoča uporabo proti zunanjim elektromagnetnim motnjam ter je primerna za uporabo v pogojih z visokimi zahtevami glede elektromagnetne združljivosti, kot so industrijska krmilna oprema in medicinske naprave.

Odlična prilagodljivost okolju, primerna za zahtevne delovne pogoje

Dedikirana visokofrekvenčna podlaga ima odpornost proti visoki temperaturi (nad 260 ℃), odpornost proti kemični koroziji in vlagi. V kombinaciji s stabilnim postopkom lepljenja bakrenega folija lahko ohranja stabilne

lastnosti v zahtevnih okoljih, kot so vibracije ter visoke in nizke temperaturne nihaje, ter izpolnjuje zahteve za dolgotrajno delovanje avtomobilske in vojaške kakovosti

opremo.

Podpora za visoko stopnjo integracije omogoča miniaturizirano zasnovo

Podpira obdelavo tankih črt in razmikov 3mil/3mil in manj ter majhne premerne odprtine. Omogoča visoko gostoto razvoda, kar izpolnjuje konstrukcijske zahteve za miniaturne in visoko integrirane izdelke, kot so RF

moduli in komponente 5G baznih postaj ter prihrani prostor opreme.