Mga High Frequency PCBs

Ang high frequency PCB ay isang uri ng PCB na gumagamit ng dedikadong substrates na may mababang dielectric constant (Dk) at mababang dielectric loss (Df), tulad ng PTFE at Rogers series. Nangangailangan ito ng mahigpit na impedance control at pinakamainam na wiring upang mabawasan ang parasitic parameters. Ito ay partikular na idinisenyo para sa mataas na dalas na signal transmission scenarios na nasa pagitan ng 300 MHZ hanggang 3GHz. Mataas na presisyong mga printed circuit board na malawak na kompatibol sa mga kagamitan sa mga larangan tulad ng komunikasyon, industriya militar, medikal pangangalaga, at consumer electronics.

Mga Katangian ng mataas na dalas na PCB

Ang mga katangian ng mataas na dalas na mga circuit ng komunikasyon ay idinisenyo batay sa tatlong pangunahing pangangailangan: mababang pagkawala, mataas na katatagan, at paglaban sa interference sa paghahatid ng mataas na dalas na signal na nasa pagitan ng 300 MHZ hanggang 3GHz. Ang bawat katangian ay tumutugma sa tiyak na pagpili ng materyales, pamantayan sa proseso, at mga halaga sa aplikasyon. Ang sumusunod ay detalyadong pagsusuri:

Ang katangian ng mababang pagkawala ng substrate

Kapag nahahatid ang mataas na dalas na mga signal, nagkakaroon ng pagkawala ng enerhiya dahil sa dielectric na katangian ng substrate. Ito ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mataas na dalas na circuit at karaniwang PCB.
Mga Pangunahing Parameter

· Mababang dielectric constant (Dk): Tinutukoy ng dielectric constant ang bilis ng signal transmission. Mas mababa ang halaga ng Dk, mas mabilis ang bilis ng paghahatid ng signal at mas maliit ang delay ng signal. Karaniwan ang halaga ng Dk ng mataas na dalas na PCB

substrate ay matatag sa pagitan ng 2.2 at 4.5 (ang Dk ng karaniwang FR-4 substrate ay mga 4.6 hanggang 4.8), at kinakailangan siguraduhin ang katatagan ng Dk sa ilalim ng iba't ibang temperatura at dalas upang maiwasan ang distorsyon ng signal.

· Mababang dielectric loss tangent (Df): Direktang ipinapakita ng halaga ng Df ang nawawalang enerhiya ng signal sa loob ng substrate. Mas mababa ang Df, mas maliit ang nawala. Ang halaga ng Df ng mataas na dalas na substrate ng PCB ay karaniwang mas mababa sa 0.002 (ang Df ng

karaniwang FR-4 ay mga 0.02), na maaaring epektibong mapaliit ang pagbaba ng signal at lalo na angkop para sa mahabang distansya at mataas na dalas na paghahatid ng signal.

Karaniwang substrate

·PTFE (Polytetrafluoroethylene): Dk≈2.1, Df≈0.0009, mataas na paglaban sa temperatura (higit sa 260℃), matibay na kemikal na katatagan, ito ang unang pinipili para sa mga mataas na pangangailangan tulad ng industriya militar at satelayt na komunikasyon.

· Serye ng Rogers (tulad ng RO4350B): Dk≈3.48, Df≈0.0037, may mahusay na katatagan ng impedance, angkop para sa mga estasyon ng 5G at RF na module.

· Mataas na dalas na epoxy resin board: Mas mababang gastos, Dk≈3.5-4.0, nakakatugon sa pangunahing mga kinakailangan ng RF na sangkap sa consumer electronics.

Mataas na presisyong kontrol sa impedance

Ang mga signal na mataas ang dalas ay lubhang sensitibo sa mga pagbabago ng impedance. Ang hindi tugmang impedance ay maaaring magdulot ng signal na reflection, standing waves, at distortion, na direktang nakakaapekto sa pagganap ng kagamitan.

· Mga pamantayan sa kontrol ng impedance: Karaniwang ginagamit ang mga halaga ng impedance para sa mataas na dalas na PCBs ay 50Ω (para sa RF/mikrobyo na transmisyon) at 75Ω (para sa video/coaxial cable na transmisyon). Dapat mapanatili ang toleransya ng impedance

loob sa ±3% hanggang ±5% (ang toleransya ng impedance para sa karaniwang PCBS ay karaniwang ±10%).

· Paraan ng pagpapatupad: Sa pamamagitan ng tumpak na pagdidisenyo ng apat na pangunahing parameter – lapad ng linya, agwat ng linya, kapal ng substrate, at kapal ng copper foil – at ang pagpapatunay gamit ang electromagnetic simulation software (tulad ng ADS, HFSS),

sinisiguro ang pagkakapare-pareho ng impedance. Halimbawa, ang halaga ng impedance ng isang microstrip line structure ay direktang proporsyonal sa lapad ng linya at inversely proporsyonal sa kapal ng substrate. Kailangang paulit-ulit itong i-adjust upang

maabot ang target na halaga.

Mababang parasitic parameters at anti-interference na katangian

Sa mataas na dalas na mga circuit, ang parasitic capacitance at inductance ng mga wire ay maaaring lumikha ng karagdagang mga pinagmumulan ng interference, na nagdudulot ng signal crosstalk o electromagnetic radiation (EMI). Kaya, kailangang idisenyo at i-optimize ang mataas na dalas na mga PCB

upang bawasan ang mga epekto ng parasitics.

Disenyo ng mababang parasitic parameter

Ipagkunti ang haba ng wire, bawasan ang paliku-likong routing, at ibaba ang parasitic inductance;

Palakihin ang espasyo sa pagitan ng mga signal line o gamitin ang grounding isolation belts upang bawasan ang parasitic capacitance;

Gumamit ng mga espesyal na istraktura ng transmission line tulad ng microstrip lines at ribbon lines upang bawasan ang electromagnetic coupling sa pagitan ng mga signal at ng labas na mundo.

Kakayahang anti-electromagnetic interference (EMI)

Palakihin ang bilang ng grounding layer upang makabuo ng "shielding cavity" at harangan ang panlabas na electromagnetic interference;

Gawin ang lokal na shielding sa mga sensitibong bahagi (tulad ng RF chips) upang bawasan ang panloob na signal radiation;

I-optimize ang layout ng power supply at grounding upang bawasan ang epekto ng power supply noise sa mga high-frequency signal.

Mahusay na mga katangian sa pisikal at adaptabilidad sa kapaligiran

Ang mga aplikasyon ng mataas na dalas na PCB ay karamihan sa mga larangan na may mahigpit na pangangailangan sa kapaligiran tulad ng kontrol sa industriya, pangangalagang medikal, at industriya militar. Kaya, ang base material at proseso ay kailangang matugunan

karagdagang mga pangangailangan sa pisikal na pagganap

· Paglaban sa mataas na temperatura: Ang ilang mga base material (tulad ng PTFE, Rogers) ay kayang tumanggap ng temperatura na mahigit sa 260℃, natutugunan ang mga pangangailangan sa proseso ng reflow soldering at wave soldering, at angkop din para sa

matagalang operasyon ng kagamitan sa mga kapaligirang may mataas na temperatura.

· Paglaban sa kemikal: Dapat may katangian ang base material na paglaban sa asido at alkali at paglaban sa kahalumigmigan upang maiwasan ang paghihiwalay ng base material at pag-oxidize ng copper foil sa mahihirap na kapaligiran.

· Katatagan na mekanikal: Ang tanso na pelikula ay matibay ang pagkakadikit sa substrate, kaya't hindi ito madaling umungol o magbago ang hugis, tinitiyak ang katiyakan ng kagamitan sa ilalim ng mga kondisyon ng pag-uga at pagkaluskos.

Mataas na katumpakan sa pagmamanupaktura

Ang kahusayan sa teknolohiya ng proseso ng mataas na dalas na PCB ay mas mataas kaysa sa karaniwang PCB. Kasama sa mga pangunahing kinakailangan sa proseso:

· Manipis na lapad ng linya/pagitan ng linya: Kayang makamit ang lapad ng linya at pagitan na 3mil/3mil (0.076mm/0.076mm) o kahit mas payak, upang matugunan ang mga kinakailangan sa wiring ng mataas na density at mataas na dalas na mga sirkito.

· Tumpak na pagbuho: Ang pinakamaliit na diameter ng butas ay maabot ang 0.1mm, at ang pagkakaiba-iba ng posisyon ng butas ay kontrolado sa loob ng ±0.01mm, upang maiwasan ang mga pagbabago ng impedance dahil sa paglihis ng posisyon ng butas.

· Pagpoproseso sa ibabaw: Karamihan ay ginagamit ang ginto at pilak na plating upang mabawasan ang pagkawala ng signal sa ibabaw ng conductor (dahil sa skin effect, ang mataas na frequency na signal ay nakatuon sa ibabaw ng conductor, at ang makinis na ibabaw

na pagpoproseso ay nakakabawas sa pagkalugi).

Core substrate

Ang substrate ang siyang pundasyon ng mataas na frequency na PCBs at direktang nakakaapekto sa pagkalugi at katatagan ng transmisyon ng signal. Ang mga pangunahing uri at parameter ay ang mga sumusunod:

Materyal na copper foil

Ang mga mataas na dalas na signal ay may epekto sa balat (naka-concentrate ang mga signal sa ibabaw ng conductor para sa transmisyon), kaya ang pagpili ng copper foil ay dapat isaalang-alang ang parehong kahusayan ng pagkakabukod at kabagalan ng ibabaw:

Electrolytic copper foil: Mababa ang gastos, katamtaman ang kabagalan ng ibabaw, angkop para sa karamihan ng mataas na dalas na PCB na sitwasyon;

Rolled copper foil: Mas makinis ang ibabaw, mas kaunti ang pagkawala dahil sa epekto ng balat, angkop para sa mataas na dalas at mataas na sensitivity na radio frequency na kagamitan;

Kapal ng copper foil: Karaniwang ginagamit ang 1oz (35μm) o ½oz (17.5μm). Ang manipis na copper foil ay nakakabawas sa parasitic inductance at mas angkop para sa mataas na density at mataas na dalas na wiring.

Mga materyal sa pagpoproseso ng ibabaw

Ang pagpoproseso sa ibabaw ng mataas na dalas na PCB ay kailangang bawasan ang contact resistance, pigilan ang pag-oxidize ng copper foil, at iwasan ang pag-aapekto sa paglipat ng mataas na dalas na signal

· Pagkakalagyan ng ginto (ENIG): Makinis na ibabaw, matibay na paglaban sa oksihenasyon, mababang contact resistance, kaunting epekto sa mataas na dalas ng signal loss, angkop para sa mataas na presisyong RF na interface.

· Plate ng pilak: Mas mainam ang kondaktibidad nito kaysa sa plate ng ginto at mas mababa ang pagkawala, ngunit madaling maoksida kaya kailangang pagsamahin ito sa anti-oxidation coating. Angkop ito para sa mataas na dalas na microwave circuit.

· Organic solder mask (OSP): Mura ang gastos at simple ang proseso, ngunit katamtaman lamang ang resistensya nito sa mataas na temperatura. Angkop ito para sa mataas na dalas na PCB sa consumer electronics na sensitibo sa gastos.

Ang core ng disenyo ng mataas na dalas na PCB ay tinitiyak ang integridad, mababang pagkawala, at paglaban sa interference ng mga signal na saklaw mula 300 MHZ hanggang 3GHz. Kailangang mahigpit na kontrolin ang maraming aspeto tulad ng pagpili ng substrate, kontrol ng impedance, layout ng wiring, at grounding shielding. Ang mga partikular na pag-iingat ay ang mga sumusunod:

Tumpak na pagpili ng base materials

Bigyan ng prayoridad ang pagpili ng mga dedikadong substrate na may mababang Dk (2.2-4.5) at mababang Df (< 0.002) (tulad ng PTFE, Rogers RO4350B), at iwasan ang paggamit ng karaniwang FR-4 substrate upang maiwasan ang labis na paghina ng mataas na dalas na senyales.

Kinakailangang ikumpirma ang katatagan ng halaga ng Dk ng substrate sa loob ng saklaw ng temperatura at dalas ng operasyon upang maiwasan ang paglihis ng impedance dahil sa mga pagbabago sa kapaligiran.

Mahigpit ang kontrol sa impedance sa buong proseso

Ang kaugnay na relasyon sa pagitan ng lapad ng linya, espasyo ng linya, kapal ng substrate, at impedance ay kinakalkula nang maaga gamit ang electromagnetic simulation software (tulad ng ADS, HFSS). Ang karaniwang target na impedances ay

50Ω (para sa RF transmission) at 75Ω (para sa video transmission).

Dapat mapanatili ang tolerance ng impedance sa loob ng ±3% hanggang ±5%. Sa pagroroute, iwasan ang biglang pagbabago sa lapad ng linya at mga turns na may tamang anggulo upang maiwasan ang signal reflection dulot ng hindi pare-parehong impedance.

Ang mga linyang senyales ng mataas na dalas ay dapat iayos bilang surface microstrip o inner stripline nang mas marami upang mabawasan ang mga pagbabago ng impedance dahil sa hindi pare-parehong media.

I-optimize ang mga parasitic parameter para sa layout ng wiring

Ibawasan ang haba ng mga mataas na dalas na trace: Iwasan ang mahabang circuitry, bawasan ang parasitic inductance, at minimumin ang signal delay at radiation.

Palakihin ang espasyo sa pagitan ng mga linyang senyal: Ang agwat sa pagitan ng mga mataas na dalas na linya ay dapat ≥3 beses ang lapad ng linya, o dapat gamitin ang ground isolation band upang mabawasan ang parasitic capacitance at signal crosstalk.

Iwasan ang magkatulad na linya at nag-uugnay na linya: Ang parallel routing ay madaling ma-couple ang interference. Ang cross routing ay kailangang i-isolate sa pamamagitan ng ground layer o dapat gamitin ang vertical crossing method.

Ang pagkakaayos ng mga komponente sa malapit: Ang mga device na mataas ang dalas tulad ng RF chip, antenna, at connector ay dapat nakaposisyon nang magkadikit upang mabawasan ang haba ng mataas na dalas na path.

Ang disenyo ng grounding at shielding ay nagpapahusay sa kakayahan laban sa interference

Para sa mga multi-layer board, inirerekomenda na unahin ang disenyo ng buong ground layer: Ang ground layer ay maaaring gamitin bilang signal return path, na nagpapababa sa loop impedance at sabay-sabay na nagsho-shield sa signal interference sa pagitan ng mga layer.

Ang mga single-layer board ay dapat i-layout sa malaking lugar upang mabawasan ang grounding resistance.

Lokal na shielding ng mga sensitibong komponente: Para sa mga pangunahing komponente tulad ng RF amplifiers at oscillators, maaaring idisenyo ang metal shielding covers upang harangan ang panlabas na electromagnetic interference (EMI) at panloob na signal radiation.

Paghihiwalay ng digital ground at high-frequency ground: Ang high-frequency signal ground at digital circuit ground ay kailangang ikonekta sa isang punto upang maiwasan ang pag-couple ng digital noise sa high-frequency signal path.

Ang disenyo ng power supply at filter ay nagpapababa ng ingay

Ang mga high-frequency circuit ay sensitibo sa ingay ng power supply. Kaya, dapat i-connect nang pahilis ang mga high-frequency filter capacitor (tulad ng 0.1μF ceramic capacitor + 10μF tantalum capacitor) sa dulo ng power supply input at

sa tabi ng mga power supply pin ng chip upang ma-filter ang high-frequency noise sa power supply.

Dapat maikli at malawak ang wiring ng power supply upang mabawasan ang impedance ng mga kable at maiwasan ang coupling ng power supply noise sa mga high-frequency signal.

Ang proseso ng pagmamanupaktura ay tugma sa surface treatment

Pumili ng teknolohiyang pang-proseso na sumusuporta sa manipis na linya/lawak ng linya (3mil/3mil at mas mababa) at tumpak na pagbuho (toleransya ng diameter ng butas ±0.01mm) upang matugunan ang mga kinakailangan sa katumpakan ng high-frequency PCB.

Para sa paggamot sa ibabaw, ang ginto at pilak na plate ay inirerekomienda: Ang ibabaw ng ginto ay makinis at may mababang contact resistance. Ang silver plating ay may magandang conductivity at mababang skin effect loss, kaya ito angkop para sa mataas na

mga frequency na sitwasyon. Iwasan ang paggamit ng OSP proseso na may mahinang antioxidant properties sa pangunahing mataas na frequency na rehiyon.

Ang thermal design ay nakakatugon sa mga kinakailangan sa mataas na temperatura

Ang ilang mataas na frequency na substrates (tulad ng PTFE) ay may mahinang thermal conductivity. Kaya't kinakailangan ang maayos na disenyo ng landas ng pag-alis ng init o gumamit ng thermal conductive gaskets upang maiwasan ang pagbaluktot ng substrate at

pagbaba ng performance dulot ng init na nabuo ng high-power devices.

Mababang signal attenuation upang matiyak ang kalidad ng transmission

Sa pamamagitan ng paggamit ng mga dedikadong substrate na may mababang dielectric constant (Dk) at mababang dielectric loss (Df), tulad ng PTFE at Rogers series, ang enerhiyang nawawala ng mataas na dalas na signal na nasa saklaw ng 300 MHZ hanggang 3GHz habang nagtatransmisyon ay maaaring epektibong

bawasan, maiiwasan ang distorsyon ng signal, at matutugunan ang mga pangangailangan para sa komunikasyon at pagpapalit ng datos na pang-matagalang distansya at mataas na dalas.

Ang mataas na presisyong kontrol sa impedance ay nagpapahusay sa integridad ng signal

Sa pamamagitan ng tumpak na disenyo ng lapad ng linya, espasyo sa pagitan ng mga linya, at kapal ng substrate, ang toleransya ng impedance ay kinokontrol sa loob ng ±3% hanggang ±5%, upang makamit ang matatag na pagtutugma sa mga karaniwang impedance tulad ng 50Ω/75Ω, maiwasan ang pagrereflect ng signal

at mga kababalaghan ng standing wave, at mapanatili ang maaasahang operasyon ng mga high-frequency circuit tulad ng RF at microwave.

Matibay na kakayahang lumaban sa interference, angkop para sa mga kumplikadong electromagnetic environment

Ang na-optimize na istruktura ng wiring (tulad ng microstrip lines at ribbon lines) at multi-layer grounding design ay maaaring magbawas ng parasitic capacitance at inductance, gayundin ang signal crosstalk at electromagnetic radiation (EMI). Kapag pinagsama

sa lokal na metal shielding, ito ay makakatanggol sa panlabas na electromagnetic interference at angkop para sa mga sitwasyon na may mataas na pangangailangan sa electromagnetic compatibility, tulad ng industrial control equipment at medical instruments.

Mahusay na pag-aangkop sa kapaligiran, nakakatugon sa mahihirap na kondisyon sa pagtatrabaho

Ang dedikadong high-frequency substrate ay may mataas na resistensya sa temperatura (higit sa 260℃), resistensya sa kemikal na corrosion, at resistensya sa kahalumigmigan. Kasama ang matatag na proseso ng copper foil bonding, ito ay kayang mapanatili ang matatag na

pagganap sa mahihirap na kapaligiran tulad ng vibration at mataas o mababang temperature cycles, at nakakatugon sa pangmatagalang operasyon na kinakailangan para sa automotive-grade at military-grade

kagamitan.

Suporta sa mataas na integration, nagpapadali sa miniaturized na disenyo

Suportado ang pagproseso ng manipis na linya at espasyo na 3mil/3mil at mas mababa, kasama na ang maliit na diametro ng butas. Maaari itong makamit ang mataas na density na wiring, natutugunan ang mga pangangailangan sa disenyo ng mga produktong miniaturized at mataas na integrasyon tulad ng RF

mga module at mga bahagi ng 5G base station, at nakakapagtipid ng espasyo ng kagamitan.