แผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง

แผ่นวงจรพีซีบีความถี่สูงคืออะไร?

แผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูงเป็นแผ่นวงจรพิมพ์ชนิดหนึ่งที่ใช้วัสดุพื้นฐานเฉพาะที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (Dk) และการสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำ (Df) เช่น PTFE และซีรีส์โรเจอร์ส ต้องควบคุมความต้านทานเชิงซ้อนอย่างเข้มงวดและออกแบบเส้นทางสายไฟให้มีประสิทธิภาพเพื่อลดพารามิเตอร์รบกวน ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสถานการณ์การส่งสัญญาณความถี่สูง ตั้งแต่ 300 MHz ถึง 3 GHz บอร์ดวงจรอิเล็กทรอนิกส์พิมพ์ความแม่นยำสูงที่เข้ากันได้ดีกับอุปกรณ์ในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร อุตสาหกรรมทางทหาร การแพทย์ การดูแลสุขภาพ และอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

คุณลักษณะของแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง

คุณลักษณะของวงจรการสื่อสารความถี่สูงถูกออกแบบโดยคำนึงถึงความต้องการหลักสามประการ ได้แก่ การสูญเสียต่ำ ความเสถียรสูง และต้านทานการรบกวน ในการส่งสัญญาณความถี่สูงที่มีช่วงตั้งแต่ 300 MHz ถึง 3 GHz คุณลักษณะแต่ละอย่างสอดคล้องกับการเลือกวัสดุ มาตรฐานกระบวนการผลิต และคุณค่าการประยุกต์ใช้งานอย่างเฉพาะเจาะจง ดังนี้คือการวิเคราะห์อย่างละเอียด:

คุณลักษณะการสูญเสียต่ำของวัสดุพื้นฐาน

เมื่อมีการส่งสัญญาณความถี่สูง จะเกิดการสูญเสียพลังงานขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุพื้นฐาน ซึ่งถือเป็นความแตกต่างหลักระหว่างวงจรความถี่สูงกับแผ่นวงจรพิมพ์ทั่วไป

พารามิเตอร์หลัก

· ค่าคง dielectric ต่ำ (Dk): ค่าคง dielectric กำหนดความเร็วการส่งสัญญาณ ยิ่งค่า Dk ต่ำ ความเร็วการส่งสัญญาณยิ่งเร็ว และความหน่วงของสัญญาณยิ่งต่ำ ค่า Dk ของแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง มักมีความเสถียรระหว่าง 2.2 ถึง 4.5 (ค่า Dk ของซับสเตรต FR-4 ทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 4.6 ถึง 4.8) และจำเป็นต้องรักษาระดับความเสถียรของค่า Dk ภายใต้อุณหภูมิและความถี่ที่แตกต่างกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบือนของสัญญาณ

· ค่า tangent การสูญเสีย dielectric ต่ำ (Df): ค่า Df สะท้อนการสูญเสียพลังงานของสัญญาณในวัสดุพื้นฐานโดยตรง ยิ่งค่า Df ต่ำ ยิ่งสูญเสียน้อย ค่า Df ของวัสดุพื้นฐานแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูงทั่วทั่วต่ำกว่า 0.002 (ค่า Df ของ fR-4 ทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.02) ซึ่งสามารถลดการลดทอนของสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการส่งสัญญาณความถี่สูงและระยะไกล

ซับสเตรตทั่วไป

· PTFE (โพลีเททราฟลูออโรเอธิลีน): Dk≈2.1, Df≈0.0009, ทนความร้อนสูง (สูงกว่า 260℃), เสถียรทางเคมีดีเยี่ยม เป็นตัวเลือกแรกสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการสูง เช่น อุตสาหการทหารและการสื่อสารผ่านดาวเทียม

· ซีรีส์ Rogers (เช่น RO4350B): Dk≈3.48, Df≈0.0037, มีความมั่นคงของความต้านทานไฟฟ้าดีเยี่ยม เหมาะสำหรับสถานีฐาน 5G และโมดูล RF

· บอร์ดเรซินอีพ็อกซี่ความถี่สูง: ต้นทุนต่ำกว่า, Dk≈3.5-4.0, ตอบสนองความต้องการพื้นฐานของชิ้นส่วน RF ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภล

คุณสมบัติการควบคุมอิมพีแดนซ์แบบความแม่นยำสูง

สัญญาณความถี่สูงมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์อย่างมาก การไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์สามารถทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ สัญญาณคลื่นยืน และการบิดเบือน ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์

· มาตรฐานการควบคุมอิมพีแดนซ์: ค่าอิมพีแดนซ์ที่ใช้ทั่วทั่วสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูงคือ 50Ω และ 75Ω ค่าความคลาดของอิมพีแดนซ์ควรควบคุม ภายในช่วง ±3% ถึง ±5%

· วิธีการดำเนินการ: โดยออกแบบสี่พารามิเตอร์หลักอย่างแม่นยำ คือ ความกว้างของเส้น, ระยะห่างระหว่างเส้น, ความหนาของชั้นฉนวน และความหนาของฟอยล์ทองแดง จากนั้นยืนยันผลด้วยซอฟต์แวร์จำลองคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อให้มั่นใจในความสม่ำเสมอของค่าอิมพีแดนซ์ ตัวอย่างเช่น ค่าอิมพีแดนซ์ของโครงสร้างไมโครสตริปไลน์จะสัมพันธ์โดยตรงกับความกว้างของเส้น และผกผันกับความหนาของชั้นซับสเตรต จึงจำเป็นต้องมีการปรับค่าซ้ำๆ จนกว่าจะถึงค่าเป้าหมาย

ค่าพาราซิติกต่ำ และคุณสมบัติต้านทานการรบกวน

ในวงจรความถี่สูง พาราซิติกแฝงของสายไฟทั้งค่าความจุและค่าความเหนี่ยวนำ อาจก่อให้เกิดแหล่งรบกวนเพิ่มเติม ส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกันข้ามช่อง (crosstalk) หรือการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ดังนั้น พีซีบีความถี่สูงจึงจำเป็นต้องได้รับการออกแบบ และเพิ่มประสิทธิภาพเพื่อลดผลพาราซิติก

การออกแบบค่าพาราซิติกต่ำ

· ลดความยาวของเส้นลวด ลดการเดินสายแบบย้อนไปมา และลดแรงเหนี่ยวนำจุดรั่ว;

· เพิ่มระยะห่างระหว่างเส้นสัญญาณ หรือใช้แถบกันดินเพื่อลดความจุจุดรั่ว;

· ใช้โครงสร้างสายส่งพิเศษ เช่น ไมโครสตริปไลน์ และริบบอนไลน์ เพื่อลดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างสัญญาณกับสิ่งแวดล้อมภายนอก;

ความสามารถในการต้านทานการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

· เพิ่มจำนวนชั้นกราวด์เพื่อสร้าง "ช่องกันสัญญาณรบกวน" และป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก;

· ทำการป้องด้วยโลหะเกราะในส่วนของชิ้นส่วนที่ไวต่อสัญญาณ เพื่อลดการแผ่รังสีสัญญาณภายใน;

· ปรับปรุงการออกแบบวงจรจ่ายไฟและระบบกราวด์เพื่อลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟต่อสัญญาณความถี่สูง

คุณสมบัติที่โดดเด่นในด้านความเหมาะสมต่อสภาพแวดล้อมทางกายภาพและสิ่งแวดล้อม

สถานการณ์การใช้งานของแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง (PCBs) ส่วนใหญ่อยู่ในสาขาที่มีข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมอย่างเข้มงวด เช่น การควบคุมอุตสาหกรรม การแพทย์ และอุตสาหกรรมทางทหาร ดังนั้น วัสดุพื้นฐานและกระบวนการผลิตจึงจำเป็นต้องตอบสนอง ข้อกำหนดด้านสมรรถนะทางกายภาพเพิ่มเติม

· ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง: วัสดุบางชนิดสามารถทนอุณหภูมิสูงกว่า 260℃ ซึ่งเพียงพอสำหรับข้อกำหนดการประมวลงานของการบัดเดอร์แบบรีฟโลว์และการบัดเดอร์แบบเวฟ และในเวลาเดียวกันก็เหมาะสมสำหรับ การทำงานของอุปกรณ์ในระยะยาวภายใต้สภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

· ทนต่อสารเคมี: วัสดุฐานต้องมีคุณลักษณะที่ต้านทานกรดและด่าง รวมถึงต้านความชื้น เพื่อป้องกันการแยกชั้นของวัสดุฐานและการเกิดออกซิเดชันของฟอยล์ทองแดงในสภาพแวดล้อมที่เลวร้าย

· ความมั่นคงทางกล: ฟอยล์ทองแดงมีแรงยึดเกาะที่แข็งแรงกับชั้นซับสเตรต ทำให้มีโอกาสน้อยที่จะบิดงอหรือเสียรูป จึงมั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ภายใต้สภาวะการสั่นสะเทือนและแรงกระแทก

คุณสมบัติความแม่นยำสูงในการผลิต

ความแม่นยำของเทคโนโลยีการประมวลผลในแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง (PCB) สูงกว่าแผ่นวงจรพิมพ์ทั่วไปมาก ข้อกำหนดกระบวนการหลัก ได้แก่:

· ความกว้างเส้น/ระยะห่างระหว่างเส้นขนาดเล็ก: สามารถทำให้ความกว้างเส้นและระยะห่างระหว่างเส้นขนาด 3mil/3mil (0.076mm/0.076mm) หรือบางกว่านั้นได้ เพื่อตอบสนองความต้องการของการเดินสายในวงจรความหนาแน่นสูงและความถี่สูง

· การเจาะรูที่แม่นยำ: เส้นผ่านศูนย์กลางรูขั้นต่ำสามารถทำได้ถึง 0.1 มม. และค่าความคลาดเคลื่อนตำแหน่งรูควบคุมไว้ภายใน ±0.01 มม. เพื่อหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากตำแหน่งรูที่เบี่ยงเบน

· การเคลือบผิว: โดยทั่วไปจะใช้กระบวนการชุบทองและชุบนิกเกิลเพื่อลดการสูญเสียสัญญาณบนพื้นผิวตัวนำ .

สารตั้งต้นแกนกลาง

สารตั้งต้นเป็นพื้นฐานของแผ่นวงจรพีซีบีความถี่สูง และมีผลโดยตรงต่อการสูญเสียสัญญาณและการทำงานที่มั่นคง ชนิดและพารามิเตอร์หลักมีดังนี้:

วัสดุฟอยล์ทองแดง

สัญญาณความถี่สูงมีผลผิวหนัง (Skin Effect) ดังนั้นการเลือกฟอยล์ทองแดงจึงจำเป็นต้องพิจารณาทั้งประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าและพื้นผิวเรียบ

· ฟอยล์ทองแดงแบบอิเล็กโทรไลต์: ต้นทุนต่ำ พื้นผิวมีความหยาบปานกลาง เหมาะสำหรับสถานการณ์แผงวงจรพีซีบีความถี่สูงส่วนใหญ่;

· ฟอยล์ทองแดงแบบรีด: พื้นผิวเรียบเนียนมากขึ้น ลดการสูญเสียจากเอฟเฟกต์ผิว สอดคล้องกับอุปกรณ์ความถี่วิทยุที่มีความถี่สูงและความไวสูง

· ความหนาของแผ่นทองแดง: โดยทั่วไปใช้ขนาด 1 ออนซ์ (35 ไมโครเมตร) หรือ ½ ออนซ์ (17.5 ไมโครเมตร) แผ่นทองแดงที่บางลงสามารถลดการเหนี่ยวนำแบบพาราซิติก และเหมาะสมกับงานเดินสายไฟความถี่สูงแบบหนาแน่นมากขึ้น

วัสดุเคลือบผิว

การเคลือบผิวของพีซีบีความถี่สูงจำเป็นต้องลดความต้านทานการสัมผัส ป้องกันการเกิดออกซิเดชันของฟอยล์ทองแดง และหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อการส่งสัญญาณความถี่สูง

· การชุบด้วยทองคำ (ENIG) : พื้นผิวเรียบ ทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ดี มีความต้านทานการสัมผัสต่ำ ส่งผลต่อการสูญเสียสัญญาณความถี่สูงน้อย เหมาะสำหรับอินเทอร์เฟซ RF ที่ต้องการความแม่นยำสูง

· ชุบเงิน: มีความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ดีกว่าการชุบทอง และมีการสูญเสียน้อยกว่า แต่เกิดออกซิเดชันได้ง่าย จึงจำเป็นต้องเคลือบป้องกันการเกิดออกซิเดชันร่วมด้วย เหมาะสำหรับวงจรไมโครเวฟความถี่สูง

· มาสก์บัดกรีอินทรีย์ (OSP): มีต้นทุนต่ำและขั้นตอนการผลิตง่าย แต่ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ในระดับปานกลาง เหมาะสำหรับแผ่น PCB ความถี่สูงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่คำนึงถึงต้นทุน

การลดการสูญเสียสัญญาณต่ำเพื่อรักษาระดับคุณภาพการส่งผ่าน

โดยการใช้ซับสเตรตเฉพาะที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (Dk) และการสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำ (Df) เช่น PTFE และชุดโรเจอร์ส สามารถลดการสูญเสียพลังงานของสัญญาณความถี่สูงที่มีช่วงความถี่ตั้งแต่ 300 MHz ถึง 3 GHz ลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลีกเลี่ยงการบิดเบือนของสัญญาณ และตอบสนองความต้องการในการสื่อสารและถ่ายโอนข้อมูลระยะไกลและความถี่สูง

การควบคุมอิมพีแดนซ์อย่างแม่นยำช่วยเพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณ

โดยการออกแบบความกว้างของเส้น ระยะห่างระหว่างเส้น และความหนาของซับสเตรตอย่างแม่นยำ ทำให้สามารถควบคุมค่าความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์ไว้ในช่วง ±3% ถึง ±5% ทำให้เกิดการจับคู่อิมพีแดนซ์มาตรฐาน เช่น 50Ω/75Ω อย่างมั่นคง หลีกเลี่ยงการสะท้อนของสัญญาณ และปรากฏการณ์คลื่นยืน รวมถึงรับประกันการทำงานที่เชื่อถือได้ของวงจรความถี่สูง เช่น คลื่นวิทยุ (RF) และไมโครเวฟ

มีความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนได้ดี เหมาะสำหรับใช้งานในสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อน

โครงสร้างสายไฟที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม (เช่น ไมโครสตริปไลน์ และริบบอนไลน์) และการออกแบบต่อพื้นแบบหลายชั้น สามารถลดความจุและเหนี่ยวนำแบบพาราซิติก รวมถึงการรบกวนสัญญาณและการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ได้ เมื่อรวมกับ การป้องกันด้วยโลหะในพื้นที่เฉพาะ จะสามารถต้านทานการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกได้ เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีข้อกำหนดสูงด้านความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น อุปกรณ์ควบคุมอุตสาหกรรม และเครื่องมือแพทย์

ความสามารถในการปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมที่ยอดเยี่ยม เพื่อรองรับสภาวะการทำงานที่รุนแรง

ซับสเตรตความถี่สูงเฉพาะทางมีคุณสมบัติทนต่ออุณหภูมิสูง (มากกว่า 260℃) ทนต่อการกัดกร่อนจากสารเคมี และทนต่อความชื้น ร่วมกับกระบวนการยึดติดฟอยล์ทองแดงที่มีเสถียรภาพ สามารถรักษา ประสิทธิภาพที่มั่นคงภายใต้สภาวะแวดล้อมที่รุนแรง เช่น การสั่นสะเทือน และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูง-ต่ำ เป็นระยะเวลานาน ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานระดับยานยนต์และระดับทางทหาร อุปกรณ์.

รองรับการรวมตัวสูง ช่วยอำนวยความสะดวกในการออกแบบขนาดเล็กลง

รองรับการประมวลผลเส้นและความหนาแน่นของเส้นขนาดเล็กตั้งแต่ 3mil/3mil ลงไป รวมถึงรูขนาดเล็ก สามารถทำให้เกิดการต่อสายไฟฟ้าแบบความหนาแน่นสูง ตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเล็กลงและรวมวงจรได้สูง เช่น โมดูลและชิ้นส่วนสถานีฐาน 5G และช่วยประหยัดพื้นที่อุปกรณ์ และชิ้นส่วนสถานีฐาน 5G และช่วยประหยัดพื้นที่อุปกรณ์