Högfrekvens PCB

Högfrekvent PCB är en typ av PCB som använder specialmaterial med låg dielektrisk konstant (Dk) och låg dielektrisk förlust (Df), såsom PTFE och Rogers-serien. Det kräver strikt impedanskontroll och optimerad layout för att minska parasitiska parametrar. Det är särskilt utformat för scenarier med överföring av högfrekventa signaler från 300 MHz till 3 GHz. Högpresterande tryckkretskort med bred kompatibilitet med utrustning inom områden som kommunikation, militärindustri, medicinsk vård och konsumentelektronik.

Egenskaper hos högfrekventa PCB:er

Egenskaperna hos högfrekventa kommunikationskretsar är utformade kring de tre centrala kraven på låga förluster, hög stabilitet och störningsmotstånd vid överföring av högfrekventa signaler från 300 MHz till 3 GHz. Varje egenskap motsvarar specifika materialval, processstandarder och applikationsvärden. Följande är en detaljerad uppdelning:

Lågförlustegenskapen hos substratet

När högfrekventa signaler överförs sker energiförluster på grund av dielektriska egenskaper hos substratet. Detta är den centrala skillnaden mellan högfrekventa kretsar och vanliga PCB:er.
Nyckelparametrar

· Låg dielektrisk konstant (Dk): Dielektriska konstanten avgör signalförstärkningshastigheten. Ju lägre Dk-värde, desto snabbare signalförstärkningshastighet och mindre signalfördröjning. Dk-värdet för högfrekventa PCB

substrat är vanligtvis stabilt mellan 2,2 och 4,5 (Dk för vanliga FR-4-substrat är ungefär 4,6 till 4,8), och det är nödvändigt att säkerställa stabiliteten i Dk vid olika temperaturer och frekvenser för att undvika signalförvrängning.

· Låg dielektrisk förlusttangent (Df): Df-värdet återspeglar direkt energiförlusten hos signalen i substratet. Ju lägre Df, desto mindre förlust. Df-värdet för högfrekventa PCB-substrat är generellt mindre än 0,002 (Df för

vanligt FR-4 är cirka 0,02), vilket effektivt minskar signaldämpning och särskilt lämpar sig för långdistans- och högfrekventa signalsändningar.

Typiskt substrat

·PTFE (polytetrafluoroeten): Dk≈2,1, Df≈0,0009, hög temperaturmotstånd (över 260 ℃), stark kemisk stabilitet, är det första valet för krävande tillämpningar såsom militärindustri och satellitkommunikation.

· Rogers-serien (till exempel RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, med utmärkt impedansstabilitet, lämplig för 5G-basstationer och RF-moduler.

· Högfrekventa epoxihartsskivor: Lägre kostnad, Dk≈3,5–4,0, uppfyller grundkraven för RF-komponenter i konsumentelektronik.

Högprecisionsimpedansstyrningsegenskaper

Högfrekventa signaler är extremt känsliga för impedansändringar. Impedansomatchning kan orsaka signalljudd, stående vågor och distortion, vilket direkt påverkar utrustningens prestanda.

· Impedansstyrningsstandarder: De vanligaste impedansvärdena för högfrekventa PCB:s är 50 Ω (för RF/mikrovågsöverföring) och 75 Ω (för video/koaxialkabelöverföring). Impedanstoleransen bör kontrolleras

inom ±3 % till ±5 % (impedanstoleransen för vanliga PCB är vanligtvis ±10 %).

· Genomförandemetod: Genom noggrann dimensionering av fyra kärnparametrar – ledningsbredd, avstånd mellan ledningar, substrattjocklek och kopparfoljens tjocklek – och verifiering med elektromagnetisk simuleringsprogramvara (t.ex. ADS, HFSS),

säkerställs impedanskonstans. Till exempel är impedansvärdet för en mikrostrimslinjestruktur direkt proportionellt mot ledningsbredden och omvänt proportionellt mot substrattjockleken. Den måste justeras upprepade gånger för att

nå det önskade värdet.

Låga parasitparametrar och störningsimmunitet

I högfrekventa kretsar kan de parasitiska kapacitanserna och induktanserna i ledningarna skapa ytterligare störkällor, vilket leder till signalkorsning eller elektromagnetisk strålning (EMI). Därför måste högfrekventa PCB utformas

och optimeras för att minska parasiteffekter.

Design med låga parasitparametrar

Förkorta kabellängden, minska slingrande routning och sänk den parasitiska induktansen;

Öka avståndet mellan signalledningar eller använd jordade isoleringsband för att minska den parasitiska kapacitansen;

Särskilda transmissionsledningsstrukturer, såsom mikrostrimlar och bandledningar, används för att minska den elektromagnetiska kopplingen mellan signaler och omvärlden.

Motståndskraft mot elektromagnetiska störningar (EMI)

Öka antalet jordplanslag för att bilda en "skärmskyddad kavitet" och blockera yttre elektromagnetiska störningar;

Utför lokal skärmning av känsliga komponenter (till exempel RF-chip) för att minska intern signalstrålning;

Optimera strömförsörjnings- och jordningslayouten för att minska påverkan av brus i strömförsörjningen på högfrekventa signaler.

Utmärkta fysiska och miljöanpassningsbara egenskaper

Applikationsscenarierna för högfrekventa PCB:ar finns främst inom områden med stränga miljökrav, såsom industriell styrning, medicinsk utrustning och militärindustrin. Därför måste basmaterialet och tillverkningsprocessen uppfylla

ytterligare krav på fysikaliska prestanda

· Hög temperaturmotstånd: Vissa basmaterial (till exempel PTFE, Rogers) kan tåla temperaturer över 260 °C, vilket uppfyller kraven för reflow- och vågsoldering samt är lämpliga för

långvarig drift av utrustning i högtemperaturlmiljöer.

· Kemikaliemotstånd: Basmaterialet måste ha egenskaper som motstånd mot syror och baser samt fuktmotstånd för att förhindra delaminering av basmaterialet och oxidation av kopparfolien i hårda miljöer.

· Mekanisk stabilitet: Kopparfolien har en stark bindningskraft till substratet, vilket gör att den knappast vrids eller deformeras, och säkerställer utrustningens pålitlighet vid vibrationer och stötar.

Höga tillverkningsprecisionsegenskaper

Bearbetningsteknikens noggrannhet för högfrekventa PCB:er är mycket högre än för vanliga PCB:er. De viktigaste processkraven inkluderar:

· Fina linjevidder/linjeavstånd: Kan uppnå linjevidder och avstånd på 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) eller ännu tunnare, vilket möter kraven på kopplingar för kretskort med hög densitet och hög frekvens.

· Exakt borrning: Minsta håldiameter kan vara 0,1 mm, och hålets positionstolerans hålls inom ±0,01 mm, vilket undviker impedansändringar orsakade av felaktig hålplacering.

· Ytbehandling: Guldplätering och silverplätering används främst för att minska signalförlust på ledarens yta (skineffekten gör att högfrekventa signaler koncentreras till ledarens yta, och en slät yta

behandling kan minska förlusten).

Kärmaterial

Substratet är grunden för högfrekventa PCB:ar och påverkar direkt signalförlust och stabilitet. De dominerande typerna och parametrarna är följande:

Kopparfoliematerial

Högfrekventa signaler har en skineffekt (signalerna koncentreras på ledarens yta vid överföring), därför måste valet av kopparfolie ta hänsyn till både ledningseffektivitet och ytjämnhet:

Elektrolytisk kopparfolie: Låg kostnad, måttlig ytjämnhet, lämplig för de flesta högfrekventa PCB-scenarier;

Valsad kopparfolie: Slätare yta, mindre förluster p.g.a. skineffekten, lämplig för högfrekventa och känsliga radiofrekvensapparater;

Kopparfolietycklek: Vanligtvis 1 oz (35 μm) eller ½ oz (17,5 μm). Tunnare kopparfolie kan minska parasitisk induktans och är mer lämplig för tät, högfrekvent koppling.

Ytbehandlingsmaterial

Ytbehandlingen av högfrekventa PCB:n måste minska kontaktresistansen, förhindra oxidation av kopparfolien och undvika att påverka överföringen av högfrekventa signaler

· Guldplätering (ENIG): Slät yta, stark oxidationsmotstånd, låg kontaktresistans, liten inverkan på förlust av högfrekventa signaler, lämplig för högprestanda RF-gränssnitt.

· Silverplätering: Har bättre elektrisk ledningsförmåga än guldplätering och lägre förluster, men är benägen att oxidera och måste kombineras med en oxidationsskyddande beläggning. Lämplig för högfrekventa mikrovågskretsar.

· Organiskt lödmask (OSP): Har låg kostnad och enkel process, men har genomsnittlig motståndskraft mot hög temperatur. Lämpligt för högfrekventa PCB:er i konsumentelektronik som är känslig för kostnader.

Kärnan i design av högfrekventa PCB:er är att säkerställa signalkvalitet, låg förlust och god störningsimmunitet för signaler i området 300 MHz till 3 GHz. Strikt kontroll krävs i flera dimensioner såsom val av basmaterial, impedanskontroll, layout av spår och jordningsskärmning. Följande punkter bör särskilt beaktas:

Precist val av basmaterial

Ge företräde åt specialunderlag med låg Dk (2,2–4,5) och låg Df (< 0,002) (till exempel PTFE, Rogers RO4350B) och undvik att använda vanliga FR-4-underlag för att förhindra överdriven dämpning av högfrekventa signaler.

Det är nödvändigt att bekräfta stabiliteten i underlagets Dk-värde inom arbets temperaturen och frekvensområdet för att undvika impedansdrift orsakad av miljöförändringar.

Impedanskontrollen är sträng under hela processen

Sambandet mellan linjebredd, linjeavstånd, underlagstjocklek och impedans beräknas i förväg genom elektromagnetisk simuleringsprogramvara (till exempel ADS, HFSS). De vanligaste målimpedanserna är

50Ω (för RF-överföring) och 75Ω (för videoöverföring).

Impedanstoleransen bör hållas inom ±3 % till ±5 %. Vid layout ska plötsliga förändringar i linjebredd och räta vinklar undvikas för att förhindra signallinjering orsakad av impedansdiskontinuitet.

Högeffektsignallinjer bör så långt som möjligt anordnas som ytmikroband eller inre planlinjer för att minska impedansfluktuationer orsakade av ojämnt medium.

Optimera parasitparametrar för kabeldragning

Förkorta längden på högfrekvensledningar: Undvik långa kretsar, minska parasitinduktans och minimera signalfördröjning och strålning.

Öka avståndet mellan signallinjer: Avståndet mellan högfrekvenslinjer bör vara ≥3 gånger linjebredden, eller så bör en jordad isoleringszon användas för att minska parasitkapacitans och signalkorsning.

Undvik parallella och korsade linjer: Parallell routing är benägen för kopplingsstörningar. Korsad routing bör isoleras genom en jordad nivå eller genom vertikal korsning.

Komponentplacering i närheten: Högfrekvenskomponenter såsom RF-chip, antenn och kontaktdon bör placeras tätt för att minska längden på högfrekvensvägar.

Marknings- och skärmdesign förbättrar störningsmotståndet

För flerskiktskort bör man prioritera utformningen av heltäckande markplan: Markplanet kan fungera som returledning för signaler, vilket minskar slingimpedansen och samtidigt skärmar bort signalspridning mellan skikten.

Enkelskiktskort bör täckas med stora ytor av koppar för att minska jordningsmotståndet.

Lokal skärmning av känsliga komponenter: För kärnkomponenter såsom RF-förstärkare och oscillatorer kan metalliska skärmhöljen utformas för att blockera extern elektromagnetisk störning (EMI) och intern signalspridning.

Isolering av digital mark och högfrekvent mark: Den högfrekventa signaljorden och den digitala kretsens jord måste anslutas i en enda punkt för att förhindra att digital brus kopplas in i den högfrekventa signalvägen.

Strömförsörjning och filterdesign minskar brus

Högfrekventa kretsar är känsliga för brus i strömförsörjningen. Därför bör högfrekventa filterkondensatorer (till exempel 0,1 μF keramiska kondensatorer + 10 μF tantal-kondensatorer) anslutas parallellt vid strömförsörjningens ingång och

bredvid kretsens strömförsörjningspinnar för att filtrera bort högfrekvent brus i strömförsörjningen.

Strömförsörjningsledningarna bör vara korta och breda för att minska ledarnas impedans och undvika koppling av brus i strömförsörjningen till högfrekventa signaler.

Tillverkningsprocessen är kompatibel med ytbehandlingen

Välj en bearbetningsteknik som stöder fin linjebredd/linjeavstånd (3 mil/3 mil och lägre) och exakt borrning (håldiameterstolerans ±0,01 mm) för att uppfylla precisionskraven för högfrekventa PCB.

För ytbehandling föredras guldplätering och silverplätering: Ytan hos guldplätering är slät och har låg kontaktresistans. Silverplätering har god elektrisk ledningsförmåga och låga förluster på grund av skinneffekten, vilket gör den lämplig för högfrekventa

scenarier. Undvik att använda OSP-processer med dålig oxidationsmotstånd i kärnområdet för högfrekventa signaler.

Värmedesignen anpassas till kraven på hög temperatur

Vissa högfrekventa substrat (till exempel PTFE) har dålig värmeledningsförmåga. Därför är det nödvändigt att dimensionera värmeavledningsvägen på ett rationellt sätt eller använda värmeledande tätningar för att förhindra deformation av substratet och

prestandaförsämring orsakad av värme från högeffektsenheter.

Låg signaldämpning säkerställer överföringskvaliteten

Genom att använda specialtillverkade substrat med låg dielektrisk konstant (Dk) och låg dielektrisk förlust (Df), såsom PTFE och Rogers-serien, kan energiförlusten för högfrekventa signaler i området 300 MHz till 3 GHz under överföring effektivt

minskas, signaldistorsion kan undvikas, och kraven på långdistans- och högfrekvenskommunikation samt datatransmission kan uppfyllas.

Högprecis impedanskontroll förbättrar signalkvaliteten

Genom att noggrant dimensionera ledningsbredd, ledningsavstånd och substrattjocklek, hålls impedanstoleransen inom ±3 % till ±5 %, vilket möjliggör stabil anpassning till standardimpedanser såsom 50Ω/75Ω, undviker signalreflektion

och ståendevågsfenomen, samt säkerställer tillförlitlig drift av högfrekvenskretsar såsom RF och mikrovåg.

Stark störresistens, lämplig för komplexa elektromagnetiska miljöer

Den optimerade kablagestrukturen (såsom mikrostrip- och bandledningar) och flerlagers jordningsdesign kan minska parasitisk kapacitans och induktans, samt signalöverhörning och elektromagnetisk strålning (EMI). I kombination

med lokal metallskärmning kan den motstå yttre elektromagnetisk störning och är lämplig för scenarier med höga krav på elektromagnetisk kompatibilitet, såsom industriell styrelektronik och medicinska instrument.

Utmärkt anpassningsförmåga till miljö, uppfyller hårda driftsförhållanden

Den specialiserade högfrekvensplattan har egenskaper som motståndskraft mot hög temperatur (över 260℃), kemisk korrosion och fukt. Kombinerat med en stabil process för kopparfoljebonding kan det bibehålla stabil

prestanda i hårda miljöer såsom vibration samt höga och låga temperaturcykler, och uppfyller kraven för långvarig drift enligt bil- och militärstandard

utrustningens säkerhet.

Stöd för hög integration underlättar miniatyriserad design

Stödjer bearbetning av fina linjebredder och mellanrum på 3mil/3mil och lägre, samt små håldiameter. Det kan uppnå hög täthet i kopplingar, vilket uppfyller designkraven för miniatyriserade och högintegrerade produkter såsom RF

moduler och 5G-basstationskomponenter, samt spar utrymme i utrustningen.