Друковані плати високої частоти

Що таке високочастотна плата PCB?

Високочастотна друкована плата — це тип друкованої плати, яка використовує спеціалізовані матеріали з низькою діелектричною проникністю (Dk) та низькими діелектричними втратами (Df), такі як PTFE та серія Rogers. Вимагає суворого контролю імпедансу та оптимізованого трасування для зменшення паразитних параметрів. Спеціально розроблена для передачі високочастотних сигналів в діапазоні від 300 МГц до 3 ГГц. Високоточні друковані плати, сумісні з обладнанням у галузях, таких як зв'язок, військова промисловість, медицина охорона здоров'я та побутова електроніка.

Характеристики високочастотних друкованих плат

Особливості високочастотних кіл зв'язку розроблені з урахуванням трьох основних вимог: низьких втрат, високої стабільності та перешкодостійкості під час передачі високочастотних сигналів у діапазоні від 300 МГц до 3 ГГц. Кожна характеристика відповідає конкретному вибору матеріалів, стандартам виробництва та сфері застосування. Нижче наведено детальний розбір:

Характеристика низьких втрат підкладки

Під час передачі високочастотних сигналів виникають втрати енергії через діелектричні властивості підкладки. Це є основною відмінністю високочастотних кіл від звичайних друкованих плат.

Ключові параметри

· Низька діелектрична проникність (Dk): Діелектрична проникність визначає швидкість передачі сигналу. Чим нижче значення Dk, тим вища швидкість передачі сигналу та менший затримка сигналу. Значення Dk високочастотних друкованих плат підкладок зазвичай стабільне в межах від 2,2 до 4,5 (Dk звичайних підкладок FR-4 становить приблизно 4,6–4,8), необхідно забезпечити стабільність Dk при різних температурах і частотах, щоб уникнути спотворення сигналу.

· Низький кут втрат діелектрика (Df): Значення Df безпосередньо відображає втрати енергії сигналу в матеріалі основи. Чим нижче Df, тим менші втрати. Значення Df високочастотних матеріалів для друкованих плат, як правило, менше 0,002 (значення Df звичайного FR-4 становить близько 0,02), що ефективно зменшує загасання сигналу і особливо підходить для передачі сигналів на великі відстані та на високих частотах.

Типова підкладка

· PTFE (Політетрафторетилен): Dk≈2,1, Df≈0,0009, стійкість до високих температур (понад 260 °C), висока хімічна стабільність, є першим вибором для високонавантажених сценаріїв, таких як військова промисловість та супутниковий зв'язок.

· Серія Rogers (наприклад, RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, відрізняється чудовою стабільністю імпедансу, підходить для базових станцій 5G та РЧ-модулів.

· Високочастотна епоксидна смола: Нижча вартість, Dk≈3,5–4,0, задовольняє базові вимоги до РЧ-компонентів у побутовій електроніці.

Характеристики високоточного контролю імпедансу

Високочастотні сигнали надзвичайно чутливі до змін імпедансу. Невідповідність імпедансу може призводити до відбиття сигналу, стоячих хвиль і спотворень, безпосередньо впливаючи на роботу обладнання.

· Стандарти контролю імпедансу: Поширеними значеннями імпедансу для високочастотних друкованих плат є 50 Ом та 75 Ом. Допуск імпедансу має бути обмежений у межах ±3% до ±5%.

· Метод реалізації: Шляхом точного проектування чотирьох основних параметрів — ширини лінії, відстані між лініями, товщини підкладки та товщини фольги — та їх перевірки за допомогою програмного забезпечення електромагнітного моделювання, гарантується узгодженість імпедансу. Наприклад, значення імпедансу структури смугової лінії прямо пропорційне ширині лінії та обернено пропорційне товщині підкладки. Потрібно багаторазово коригувати, щоб досягти цільового значення.

Низькі паразитні параметри та антиперешкодні характеристики

У високочастотних колах паразитна ємність і індуктивність проводів можуть створювати додаткові джерела перешкод, що призводять до наведених сигналів або електромагнітного випромінювання (EMI). Тому високочастотні друковані плати потрібно проектувати та оптимізувати для зменшення паразитних ефектів.

Конструювання з низькими паразитними параметрами

· Скоротити довжину провідників, уникати петель у трасуванні й зменшити паразитну індуктивність;

· Збільшити відстань між сигнальними лініями або використовувати екрануючі смуги заземлення для зменшення паразитної ємності;

· Використовувати спеціальні структури передавальних ліній, такі як смужкові або стрічкові лінії, щоб зменшити електромагнітне зв'язування між сигналами та зовнішнім середовищем;

Здатність протидіяти електромагнітним перешкодам (ЕМП)

· Збільшити кількість шарів заземлення, щоб утворити «екрануючу порожнину» та блокувати зовнішні електромагнітні перешкоди;

· Виконуйте локальне екранування чутливих компонентів, щоб зменшити внутрішнє випромінювання сигналів;

· Оптимізувати розташування живлення та заземлення, щоб зменшити вплив шуму живлення на високочастотні сигнали.

Відмінні характеристики фізичної та екологічної адаптивності

Сфери застосування високочастотних друкованих плат переважно пов’язані з галузями, де існують суворі вимоги до навколишнього середовища, такими як промислова автоматизація, медицина та військова промисловість. Тому матеріал основи та технологія повинні відповідати додатковим вимогам до фізичних характеристик

· Стійкість до високих температур: Деякі матеріали підкладки витримують температури понад 260 °C, що відповідає вимогам до процесів опалювального та хвильового паяння, а також підходить для тривалої роботи обладнання в умовах високих температур.

· Хімічна стійкість: Матеріал підкладки повинен мати властивості стійкості до кислот, лугів і вологи, щоб запобігти розшарюванню матеріалу та окисленню мідної фольги в жорстких умовах.

· Механічна стабільність: Мідна фольга має сильний зв'язок із основою, що робить її менш схильною до вигинання чи деформації, забезпечуючи надійність обладнання в умовах вібрації та ударів.

Висока точність виготовлення

Точність технології виготовлення високочастотних друкованих плат значно вища, ніж у звичайних. До основних вимог щодо технологічних процесів належать:

· Малий розмір лінії/проміжку між лініями: Можливо досягти ширини ліній та проміжків 3mil/3mil (0,076 мм/0,076 мм) або навіть менше, що задовольняє вимоги до розводки високощільних та високочастотних кіл.

· Точне свердління: Мінімальний діаметр отвору може досягати 0,1 мм, а допуск на положення отвору контролюється в межах ±0,01 мм, що запобігає змінам імпедансу через відхилення положення отвору.

· Поверхнева обробка: Переважно використовуються процеси золочення та сріблення для зменшення втрат сигналу на поверхні провідника .

Основний матеріал

Підкладка є основою високочастотних друкованих плат і безпосередньо впливає на втрати та стабільність передачі сигналу. Основні типи та параметри наведені нижче:

Матеріал мідної фольги

На високих частотах сигнали піддаються поверхневому ефекту, тому при виборі мідної фольги потрібно враховувати як ефективність провідності, так і рівність поверхні:

· Електролітична мідна фольга: Низька вартість, помірна шорсткість поверхні, підходить для більшості високочастотних сценаріїв PCB;

· Валкована мідна фольга: Гладша поверхня, менші втрати від скин-ефекту, підходить для високочастотного та високочутливого радіочастотного обладнання;

· Товщина мідної фольги: Найчастіше використовуються 1 унція (35 мкм) або ½ унції (17,5 мкм). Тонка мідна фольга зменшує паразитну індуктивність і більше підходить для високощільного високочастотного розведення.

Матеріали для обробки поверхні

Обробка поверхні високочастотних друкованих плат повинна зменшувати контактний опір, запобігати окисленню мідної фольги та уникати впливу на передачу високочастотних сигналів

· Золочення (ENIG): Гладка поверхня, висока стійкість до окиснення, низький опір контакту, мінімальний вплив на втрати високочастотного сигналу, підходить для високоточних ВЧ-інтерфейсів.

· Сріблення: Має кращу електропровідність, ніж золочення, і менші втрати, але схильне до окиснення, тому потребує поєднання з антиокисною плівкою. Підходить для високочастотних мікрохвильових кіл.

· Органічна паяльна маска (OSP): Має низьку вартість і простий технологічний процес, але середню стійкість до високих температур. Підходить для високочастотних друкованих плат у побутовій електроніці, чутливій до вартості.

Низьке згасання сигналу забезпечує якість передачі

Використання спеціалізованих підкладок із низьким діелектричним коефіцієнтом (Dk) та низькими діелектричними втратами (Df), таких як PTFE та серія Rogers, дозволяє ефективно зменшити втрати енергії високочастотних сигналів у діапазоні від 300 МГц до 3 ГГц під час передачі зменшити спотворення сигналів та задовольнити вимоги до довгодистанційного та високочастотного зв'язку та передачі даних.

Контроль імпедансу підвищеної точності забезпечує цілісність сигналу

Шляхом точного проектування ширини ліній, відстані між лініями та товщини підкладки допуск імпедансу контролюється в межах ±3% до ±5%, забезпечуючи стабільне узгодження стандартних імпедансів, таких як 50 Ом/75 Ом, уникнення відбиття сигналів та явища стоячих хвиль, а також надійну роботу високочастотних кіл, таких як РЧ та мікрохвильові.

Висока завадостійкість, підходить для складних електромагнітних середовищ

Оптимізована структура проводки (наприклад, смужкові лінії та стрічкові лінії) і багаторівнева конструкція заземлення зменшують паразитну ємність і індуктивність, а також перехідні завади сигналів і електромагнітне випромінювання (ЕМВ). У поєднанні з локальним металевим екрануванням це забезпечує захист від зовнішніх електромагнітних завад і підходить для сценаріїв із високими вимогами до електромагнітної сумісності, таких як промислове обладнання та медичні інструменти.

Виняткова адаптація до умов навколишнього середовища, відповідає жорстким умовам експлуатації

Спеціалізована високочастотна підкладка має високу термостійкість (понад 260 °C), стійкість до хімічного корозійного впливу та вологи. У поєднанні зі стабільним процесом приєднання мідної фольги може забезпечувати стабільну роботу в складних умовах, таких як вібрація та цикли високих і низьких температур, відповідаючи вимогам тривалої роботи на рівні автомобільної та військової техніки обладнання.

Підтримка високого рівня інтеграції сприяє мініатюризації конструкції

Підтримує обробку тонких ліній та проміжків розміром 3mil/3mil і нижче, а також малих діаметрів отворів. Дозволяє досягти високощільного проводування, відповідаючи вимогам проектування мініатюрних та високопротехнічних інтегрованих продуктів, таких як RF модулі та компоненти базових станцій 5G, а також економить простір устаткування.