Plošče visokih frekvenc

Kaj je visokofrekvenčno tiskano vezje?

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 signalni zamik. Vrednost Dk visokofrekvenčnih tiskanih vezij 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. Nižja kot je vrednost Df, manjše so izgube. Vrednost Df podlag za visokofrekvenčna tiskana vezja je praviloma manjša od 0,002 (vrednost Df pri 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, odporen na visoke temperature (nad 260 °C), zelo kemično stabilen, idealen za zahtevne aplikacije, kot so vojaška industrija in satelitska komunikacija.

· Serija Rogers (npr. RO4350B): Dk ≈ 3,48, Df ≈ 0,0037, izjemno stabilen impedančni odziv, primeren 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 in 75Ω. Tolerance impedance je treba nadzorovati v mejah ±3 % do ±5 %.

· Način izvedbe: Z natančnim načrtovanjem štirih osnovnih parametrov – širine tirnice, razmika tirnic, debeline podlage in debeline bakrenega folija – ter preveritvijo z elektromagnetno simulacijsko programske opreme, 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

· Skrajšati dolžino žic, zmanjšati ovijanje usmerjanja in znižati parazitsko indukcijo;

· Povečati razdaljo med signalnimi vodniki ali uporabiti ozemljitvene ločene pasove za zmanjšanje parazitske kapacitivnosti;

· Uporabiti posebne strukture prenosnih vodov, kot so mikrotrakovi in trakovni vodovi, da zmanjšajo elektromagnetno sklopitev med signali in okoljem;

Zmožnost proti elektromagnetnim motnjam (EMI)

· Povečati število ozemljitvenih slojev, da tvorijo »zaščitno votlino« in blokirajo zunanje elektromagnetne motnje;

· Izvedite lokalno ekraniranje občutljivih komponent, da zmanjšate notranje sevanje signalov;

· Optimizirajte razpored napajanja in ozemljitve, da zmanjšate 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 lahko prenesejo temperature nad 260 °C, kar ustreza zahtevam procesiranja pri reflow soldering in valovnem lemljenju, hkrati pa so primerne za daljši čas delovanja opreme v okolju z visoko temperaturo.

· Oprostnost pred kemičnimi snovmi: Osnovni material mora imeti lastnosti odpornosti proti kislinam in alkalijem ter odpornosti proti vlage, da se prepreči luščenje osnovnega materiala in oksidacija bakrenega folija v ekstremnih okoljih.

· Mehanska stabilnost: Bakerjeva folija ima močno oprijemljivost na podlagi, kar zmanjša verjetnost upogibanja ali deformacije in zagotavlja zanesljivost opreme v pogojih vibracij in trkov.

Značilnosti visoke natančnosti izdelave

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

· Vozilo črte / razmik med črtami: Doseči je mogoče širine črt in razmake 3 mil/3 mil (0,076 mm/0,076 mm) ali celo manjše, kar izpolnjuje zahteve za razvajenje visoko gostotnih in visokofrekvenčnih vezij.

· Natančno vrtanje: Najmanjši premer luknje doseže 0,1 mm, toleranca položaja luknje pa je nadzorovana znotraj ±0,01 mm, s čimer se preprečijo spremembe impedanc, povzročene odstopanjem položaja luknje.

· Površinska obdelava: Za zmanjšanje izgube signala na površini prevodnika se večinoma uporabljata postopka pozlačevanja in posrebravanja .

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

Pri visokofrekvenčnih signalih pride do kožnega učinka, zato pri izbiri bakerjeve folije moramo upoštevati tako učinkovitost prevajanja kot tudi ravnanje površine:

· Elektrolitska bakerjeva folija: Nizka cena, zmerna hrapavost površine, primerna za večino visokofrekvenčnih PCB primerov;

· Valjana bakerjeva folija: Gladka površina, manjše izgube zaradi kožnega učinka, primerno za visokofrekvenčno in visokoobčutljivo radijsko opremo;

· Debelina bakrenega folija: Pogosto uporabljena je 1 oz (35 μm) ali ½ oz (17,5 μm). Tanek bakreni folij zmanjša parazitsko induktivnost in je bolj primeren za visokokoncentrirana visokofrekvenčna vezja.

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.

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.