Mạch in Tần số Cao

Mạch in tần số cao là loại mạch in sử dụng các lớp nền chuyên dụng có hằng số điện môi thấp (Dk) và tổn hao điện môi thấp (Df), chẳng hạn như PTFE và dòng Rogers. Nó yêu cầu kiểm soát trở kháng nghiêm ngặt và bố trí dây dẫn được tối ưu hóa để giảm các thông số ký sinh. Nó được thiết kế đặc biệt cho các tình huống truyền tín hiệu tần số cao dao động từ 300 MHz đến 3 GHz. Các bảng mạch in độ chính xác cao tương thích rộng rãi với thiết bị trong các lĩnh vực như viễn thông, công nghiệp quân sự, y tế chăm sóc và điện tử tiêu dùng.

Đặc điểm của bảng mạch in tần số cao

Các đặc điểm của mạch truyền thông tần số cao được thiết kế xoay quanh ba yêu cầu cốt lõi là tổn hao thấp, độ ổn định cao và chống nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu tần số cao dao động từ 300 MHz đến 3 GHz. Mỗi đặc điểm tương ứng với việc lựa chọn vật liệu cụ thể, tiêu chuẩn quy trình và giá trị ứng dụng. Dưới đây là phân tích chi tiết:

Đặc tính tổn hao thấp của lớp nền

Khi truyền tín hiệu tần số cao, sẽ xảy ra tổn thất năng lượng do tính chất điện môi của lớp nền. Đây là điểm khác biệt cốt lõi giữa mạch tần số cao và bảng mạch in thông thường.
Thông số kỹ thuật chính

· Hằng số điện môi thấp (Dk): Hằng số điện môi xác định tốc độ truyền tín hiệu. Giá trị Dk càng thấp thì tốc độ truyền tín hiệu càng nhanh và độ trễ tín hiệu càng nhỏ. Giá trị Dk của các tấm nền PCB tần số cao

thường ổn định trong khoảng từ 2,2 đến 4,5 (Dk của các tấm nền FR-4 thông thường vào khoảng 4,6 đến 4,8), và cần đảm bảo độ ổn định của Dk ở các nhiệt độ và tần số khác nhau để tránh méo tín hiệu.

· Tangent tổn hao điện môi thấp (Df): Giá trị Df phản ánh trực tiếp mức tổn hao năng lượng của tín hiệu trong tấm nền. Df càng thấp thì tổn hao càng nhỏ. Giá trị Df của các tấm nền PCB tần số cao thường nhỏ hơn 0,002 (Df của

fR-4 thông thường khoảng 0,02), có thể hiệu quả giảm suy hao tín hiệu và đặc biệt phù hợp cho việc truyền tín hiệu tần số cao và khoảng cách xa.

Tấm nền điển hình

· PTFE (Polytetrafluoroethylene): Dk≈2.1, Df≈0.0009, chịu nhiệt độ cao (trên 260℃), ổn định hóa học tốt, là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi cao như công nghiệp quân sự và thông tin liên lạc vệ tinh.

· Dòng Rogers (ví dụ RO4350B): Dk≈3.48, Df≈0.0037, có độ ổn định trở kháng tuyệt vời, phù hợp cho trạm gốc 5G và các mô-đun RF.

· Tấm nhựa epoxy tần số cao: Chi phí thấp hơn, Dk≈3,5-4,0, đáp ứng yêu cầu cơ bản của các linh kiện RF trong thiết bị điện tử tiêu dùng.

Đặc tính kiểm soát trở kháng độ chính xác cao

Tín hiệu tần số cao rất nhạy cảm với sự thay đổi trở kháng. Sự không phù hợp trở kháng có thể gây phản xạ tín hiệu, sóng đứng và méo dạng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất thiết bị.

· Tiêu chuẩn kiểm soát trở kháng: Các giá trị trở kháng thường dùng cho PCB tần số cao là 50Ω (cho truyền dẫn RF/microwave) và 75Ω (cho truyền dẫn video/cáp đồng trục). Sai lệch trở kháng cần được kiểm soát

trong khoảng ±3% đến ±5% (độ dung sai trở kháng cho các PCB thông thường thường là ±10%).

· Phương pháp thực hiện: Bằng cách thiết kế chính xác bốn thông số cốt lõi - bề rộng dây dẫn, khoảng cách dây dẫn, độ dày lớp nền và độ dày lá đồng - và xác minh chúng bằng phần mềm mô phỏng điện từ (ví dụ như ADS, HFSS),

đảm bảo tính nhất quán về trở kháng. Ví dụ, giá trị trở kháng của cấu trúc đường truyền vi dải tỷ lệ thuận với bề rộng dây dẫn và tỷ lệ nghịch với độ dày lớp nền. Cần phải điều chỉnh lặp đi lặp lại để

đạt được giá trị mục tiêu.

Thông số ký sinh thấp và đặc tính chống nhiễu

Trong các mạch tần số cao, điện dung ký sinh và độ tự cảm của dây dẫn có thể tạo ra các nguồn nhiễu bổ sung, dẫn đến hiện tượng nhiễu xuyên âm hoặc bức xạ điện từ (EMI). Do đó, các PCB tần số cao cần được thiết kế

và tối ưu hóa nhằm giảm các hiệu ứng ký sinh.

Thiết kế thông số ký sinh thấp

Rút ngắn chiều dài dây dẫn, giảm việc đi dây vòng vèo và hạ thấp độ tự cảm ký sinh;

Tăng khoảng cách giữa các đường tín hiệu hoặc sử dụng các dải cách ly tiếp đất để giảm điện dung ký sinh;

Áp dụng các cấu trúc đường truyền đặc biệt như đường vi dải (microstrip) và đường dải ruy băng (ribbon lines) nhằm giảm ghép nối điện từ giữa tín hiệu và môi trường bên ngoài.

Khả năng chống nhiễu điện từ (EMI)

Tăng số lượng lớp tiếp đất để tạo thành "buồng chắn sóng", ngăn chặn nhiễu điện từ bên ngoài;

Thực hiện che chắn cục bộ các linh kiện nhạy cảm (ví dụ như chip RF) để giảm bức xạ tín hiệu nội bộ;

Tối ưu hóa bố trí nguồn và tiếp đất để giảm ảnh hưởng của nhiễu nguồn lên các tín hiệu tần số cao.

Các đặc tính thích nghi vật lý và môi trường tuyệt vời

Các kịch bản ứng dụng của PCB tần số cao chủ yếu nằm trong các lĩnh vực có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường như điều khiển công nghiệp, y tế và công nghiệp quân sự. Do đó, vật liệu nền và quy trình cần phải đáp ứng

các yêu cầu hiệu suất vật lý bổ sung

· Khả năng chịu nhiệt độ cao: Một số vật liệu nền (như PTFE, Rogers) có thể chịu được nhiệt độ trên 260℃, đáp ứng các yêu cầu xử lý của hàn hồi lưu và hàn sóng, đồng thời phù hợp với

việc vận hành thiết bị lâu dài trong môi trường nhiệt độ cao.

· Khả năng chống hóa chất: Vật liệu nền phải có đặc tính chống axit, kiềm và chống ẩm để ngăn ngừa hiện tượng bong lớp của vật liệu nền và oxi hóa lá đồng trong môi trường khắc nghiệt.

· Độ ổn định cơ học: Lá đồng có lực bám dính mạnh với lớp nền, ít bị cong vênh hoặc biến dạng, đảm bảo độ tin cậy của thiết bị trong điều kiện rung động và va chạm.

Đặc tính độ chính xác chế tạo cao

Độ chính xác công nghệ gia công của PCB tần số cao cao hơn nhiều so với PCB thông thường. Các yêu cầu chính của quy trình bao gồm:

· Chiều rộng đường dẫn/khoảng cách giữa các đường dẫn nhỏ: Có thể đạt được chiều rộng và khoảng cách đường dẫn 3mil/3mil (0,076mm/0,076mm) hoặc thậm chí mỏng hơn, đáp ứng yêu cầu đi dây cho các mạch mật độ cao và tần số cao.

· Khoan chính xác: Đường kính lỗ tối thiểu có thể đạt 0,1mm, dung sai vị trí lỗ được kiểm soát trong phạm vi ±0,01mm, tránh sự thay đổi trở kháng do sai lệch vị trí lỗ.

· Xử lý bề mặt: Quy trình mạ vàng và mạ bạc được áp dụng chủ yếu để giảm tổn hao tín hiệu trên bề mặt dây dẫn (hiệu ứng bề mặt khiến tín hiệu tần số cao tập trung ở bề mặt dây dẫn, và việc xử lý bề mặt nhẵn

có thể làm giảm tổn hao).

Chất nền lõi

Chất nền là nền tảng của PCB tần số cao và ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao và độ ổn định truyền tín hiệu. Các loại và thông số phổ biến hiện nay như sau:

Vật liệu lá đồng

Tín hiệu tần số cao có hiệu ứng da (tín hiệu tập trung trên bề mặt dây dẫn để truyền tải), do đó việc lựa chọn lá đồng cần cân nhắc cả hiệu suất dẫn điện và độ phẳng bề mặt:

Lá đồng điện phân: Chi phí thấp, độ nhám bề mặt vừa phải, phù hợp với hầu hết các trường hợp sử dụng PCB tần số cao;

Lá đồng cán: Bề mặt mịn hơn, tổn thất do hiệu ứng da thấp hơn, phù hợp với thiết bị vô tuyến tần số cao và độ nhạy cao;

Độ dày lá đồng: Thường dùng loại 1oz (35μm) hoặc ½oz (17.5μm). Lá đồng mỏng có thể giảm cảm kháng ký sinh và phù hợp hơn với mạch nối dây mật độ cao tần số cao.

Vật liệu xử lý bề mặt

Xử lý bề mặt của PCB tần số cao cần giảm điện trở tiếp xúc, ngăn ngừa sự oxy hóa của lá đồng và tránh ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu tần số cao

· Mạ vàng (ENIG): Bề mặt nhẵn, khả năng chống oxy hóa mạnh, điện trở tiếp xúc thấp, ảnh hưởng nhỏ đến tổn hao tín hiệu tần số cao, phù hợp với các giao diện RF độ chính xác cao.

· Mạ bạc: Có độ dẫn điện tốt hơn mạ vàng và tổn hao thấp hơn, nhưng dễ bị oxy hóa và cần kết hợp với lớp phủ chống oxy hóa. Phù hợp với các mạch vi sóng tần số cao.

· Mặt nạ hàn hữu cơ (OSP): Có chi phí thấp và quy trình đơn giản, nhưng khả năng chịu nhiệt độ cao ở mức trung bình. Phù hợp với các PCB tần số cao trong thiết bị điện tử tiêu dùng nhạy cảm về chi phí.

Hạt nhân của thiết kế PCB tần số cao là đảm bảo tính toàn vẹn, tổn hao thấp và khả năng chống nhiễu của các tín hiệu trong dải từ 300 MHz đến 3 GHz. Cần kiểm soát chặt chẽ theo nhiều khía cạnh như lựa chọn vật liệu nền, điều khiển trở kháng, bố trí đi dây và che chắn nối đất. Các lưu ý cụ thể như sau:

Lựa chọn chính xác vật liệu nền

Ưu tiên lựa chọn các chất nền chuyên dụng có Dk thấp (2,2-4,5) và Df thấp (< 0,002) (ví dụ như PTFE, Rogers RO4350B), và tránh sử dụng các chất nền FR-4 thông thường để ngăn chặn suy hao quá mức của tín hiệu tần số cao.

Cần xác nhận độ ổn định của giá trị Dk của chất nền trong dải nhiệt độ và tần số hoạt động để tránh hiện tượng trôi trở kháng do thay đổi môi trường.

Kiểm soát trở kháng nghiêm ngặt trong suốt toàn bộ quá trình

Mối quan hệ tương ứng giữa chiều rộng đường dẫn, khoảng cách đường dẫn, độ dày chất nền và trở kháng được tính toán trước bằng phần mềm mô phỏng điện từ (ví dụ như ADS, HFSS). Các giá trị trở kháng mục tiêu thường dùng là

50Ω (cho truyền dẫn RF) và 75Ω (cho truyền dẫn video).

Sai lệch trở kháng nên được kiểm soát trong khoảng ±3% đến ±5%. Khi đi dây, cần tránh thay đổi đột ngột chiều rộng đường dẫn và các góc vuông để ngăn ngừa phản xạ tín hiệu do sự gián đoạn trở kháng.

Các đường tín hiệu tần số cao nên được bố trí dưới dạng đường microstrip bề mặt hoặc đường stripline bên trong càng nhiều càng tốt để giảm dao động trở kháng do môi trường không đồng đều.

Tối ưu hóa các thông số ký sinh cho bố trí dây nối

Rút ngắn chiều dài các vạch nối tần số cao: Tránh đi dây dài, giảm điện cảm ký sinh và tối thiểu độ trễ tín hiệu cũng như bức xạ.

Tăng khoảng cách giữa các đường dẫn tín hiệu: Khoảng cách giữa các đường dẫn tần số cao nên ≥3 lần chiều rộng đường dây, hoặc nên sử dụng dải cách ly tiếp đất để giảm điện dung ký sinh và nhiễu xuyên âm tín hiệu.

Tránh các đường dây song song và giao cắt: Việc đi dây song song dễ gây nhiễu ghép nối. Khi cần giao cắt, phải cách ly qua lớp tiếp đất hoặc áp dụng phương pháp giao cắt vuông góc.

Bố trí các linh kiện ở gần nhau: Các thiết bị tần số cao như chip RF, ăng-ten và đầu nối nên được sắp xếp sát nhau để giảm chiều dài các đường dẫn tần số cao.

Thiết kế nối đất và che chắn nâng cao khả năng chống nhiễu

Đối với các mạch in nhiều lớp, nên ưu tiên thiết kế các lớp nối đất hoàn chỉnh: Lớp nối đất có thể đóng vai trò là đường dẫn trả tín hiệu, giảm trở kháng vòng lặp và đồng thời che chắn sự nhiễu tín hiệu giữa các lớp.

Các mạch in một lớp nên được bố trí phủ rộng diện tích lớn để giảm điện trở nối đất.

Che chắn cục bộ các linh kiện nhạy cảm: Đối với các linh kiện chính như bộ khuếch đại RF và bộ dao động, có thể thiết kế các vỏ che chắn kim loại để chặn nhiễu điện từ (EMI) từ bên ngoài và bức xạ tín hiệu nội bộ.

Cách ly giữa đất số và đất tần số cao: Đất tín hiệu tần số cao và đất mạch số cần được nối với nhau tại một điểm duy nhất để ngăn tiếng ồn số ghép vào đường dẫn tín hiệu tần số cao.

Thiết kế nguồn và lọc để giảm nhiễu

Các mạch tần số cao nhạy cảm với nhiễu nguồn. Do đó, các tụ lọc tần số cao (ví dụ như tụ gốm 0,1μF + tụ tantal 10μF) nên được mắc song song tại đầu vào nguồn và

bên cạnh các chân nguồn của chip để lọc nhiễu tần số cao trong nguồn điện.

Dây dẫn nguồn nên ngắn và rộng để giảm trở kháng của dây dẫn và tránh sự ghép nối giữa nhiễu nguồn và tín hiệu tần số cao.

Quy trình sản xuất tương thích với xử lý bề mặt

Chọn công nghệ gia công hỗ trợ độ rộng/khoảng cách dây nhỏ (3mil/3mil và dưới) và khoan chính xác (dung sai đường kính lỗ ±0,01mm) để đáp ứng yêu cầu độ chính xác của PCB tần số cao.

Đối với xử lý bề mặt, mạ vàng và mạ bạc là lựa chọn ưu tiên: Bề mặt mạ vàng trơn nhẵn và có điện trở tiếp xúc thấp. Mạ bạc có độ dẫn điện tốt và tổn thất hiệu ứng bề mặt thấp, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng tần số cao.

tránh sử dụng các quy trình OSP có khả năng chống oxi hóa kém trong vùng lõi tần số cao.

Thiết kế nhiệt được điều chỉnh theo yêu cầu nhiệt độ cao

Một số chất nền tần số cao (như PTFE) có khả năng dẫn nhiệt kém. Do đó, cần phải thiết kế hợp lý đường thoát nhiệt hoặc sử dụng miếng đệm dẫn nhiệt để ngăn ngừa biến dạng chất nền và

suy giảm hiệu suất do nhiệt sinh ra từ các thiết bị công suất lớn.

Suy hao tín hiệu thấp đảm bảo chất lượng truyền dẫn

Bằng cách sử dụng các vật liệu nền chuyên dụng có hằng số điện môi thấp (Dk) và tổn thất điện môi thấp (Df), chẳng hạn như PTFE và dòng Rogers, tổn thất năng lượng của tín hiệu tần số cao trong khoảng từ 300 MHz đến 3 GHz trong quá trình truyền tải có thể được giảm hiệu quả

giảm thiểu méo tín hiệu và đáp ứng được yêu cầu về truyền thông và truyền dữ liệu ở khoảng cách xa và tần số cao.

Kiểm soát trở kháng độ chính xác cao nâng cao độ toàn vẹn tín hiệu

Bằng cách thiết kế chính xác chiều rộng đường dẫn, khoảng cách giữa các đường dẫn và độ dày vật liệu nền, dung sai trở kháng được kiểm soát trong phạm vi ±3% đến ±5%, đạt được sự phối hợp ổn định với các trở kháng tiêu chuẩn như 50Ω/75Ω, tránh hiện tượng phản xạ tín hiệu

và hiện tượng sóng đứng, đồng thời đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của các mạch tần số cao như RF và vi ba.

Khả năng chống nhiễu mạnh, phù hợp với môi trường điện từ phức tạp

Cấu trúc đi dây được tối ưu hóa (như các đường vi dải và đường dải ruy băng) cùng thiết kế nối đất nhiều lớp có thể giảm điện dung ký sinh và độ tự cảm, cũng như nhiễu xuyên âm tín hiệu và bức xạ điện từ (EMI). Khi kết hợp

với lớp chắn kim loại cục bộ, nó có thể chống lại sự nhiễu điện từ bên ngoài và phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cao về tương thích điện từ, chẳng hạn như thiết bị điều khiển công nghiệp và dụng cụ y tế.

Khả năng thích nghi môi trường vượt trội, đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt

Chất nền chuyên dụng cho tần số cao có đặc tính chịu nhiệt độ cao (trên 260℃), chống ăn mòn hóa học và chống ẩm. Khi kết hợp với quy trình liên kết lá đồng ổn định, nó có thể duy trì hoạt động ổn định

trong các môi trường khắc nghiệt như rung động và chu kỳ nhiệt độ cao-thấp, đáp ứng yêu cầu vận hành lâu dài theo tiêu chuẩn ô tô và quân sự

thiết bị.

Hỗ trợ tích hợp cao, tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế nhỏ gọn

Hỗ trợ xử lý các đường nét và khoảng cách nhỏ cỡ 3mil/3mil trở xuống, cũng như các lỗ có đường kính nhỏ. Có thể đạt được bố trí dây dẫn mật độ cao, đáp ứng yêu cầu thiết kế của các sản phẩm thu nhỏ và tích hợp cao như RF

mô-đun và thành phần trạm phát 5G, đồng thời tiết kiệm không gian thiết bị.