W-obszarach elektronicznych o wysokiej częstotliwości, takich jak komunikacja 5G, nawigacja satelitarna i systemy radarowe, częstotliwość transmisji sygnału zwykle osiąga poziom GHz lub nawet wyższy. W tym momencie zwykłe płytki PCB nie są już w stanie spełniać wymagań dotyczących integralności sygnału, a płytki PCB-o wysokiej częstotliwości stały się nieuniknionym wyborem ze względu na ich unikalne właściwości materiałowe i konstrukcję procesu. Podstawowa różnica międzypłytka drukowana-wysokiej częstotliwościi zwykła tablica:
1, podstawowa różnica: przełomowy przełom w materiałach i wydajności
(1) Zasadnicza różnica w charakterystyce podłoża
Zwykła płytka drukowana: na przykładzie FR-4
Skład materiału: przy użyciu tkaniny z włókna szklanego impregnowanej żywicą epoksydową jako podłoża koszt jest niski, a proces jest zaawansowany, ale stała dielektryczna jest wysoka (zwykle Dk=4.2-4.8), a straty dielektryczne są duże (Df=0.02-0.03).
Ograniczenia wysokich częstotliwości: Gdy częstotliwość sygnału przekracza 1 GHz, straty dielektryczne znacznie wzrastają, tłumienie sygnału jest poważne, a stała dielektryczna znacznie zmienia się wraz z częstotliwością, co utrudnia kontrolę impedancji.
Płytka PCB wysokiej częstotliwości: na przykładzie materiałów kompozytowych wypełnionych PTFE i ceramiką
Innowacje materiałowe:
Arkusze na bazie PTFE: takie jak seria Rogers RT/duroid, o Dk tak niskim jak 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Materiały kompozytowe z wypełnieniem ceramicznym, takie jak IsolaFR408HR, zmniejszają Dk (Dk=3.0-3.8) i poprawiają przewodność cieplną poprzez wypełnienie proszkiem ceramicznym, równoważąc wydajność przy wysokich-częstotliwościach i koszty przetwarzania.
Kluczowe zalety: niska stała dielektryczna zmniejsza opóźnienie transmisji sygnału, niskie straty zmniejszają tłumienie energii, a Dk/Df zmienia się o mniej niż 5% wraz z częstotliwością, zapewniając spójność fazową-sygnałów o wysokiej częstotliwości.
(2) Specjalne wymagania dotyczące układu konstrukcyjnego
Zwykły układ ułożony na płytce drukowanej
Warstwa sygnałowa jest po prostu oddzielona warstwą mocy/warstwą geologiczną, a tolerancja grubości dielektryka międzywarstwowego może wynosić ± 10%. Dokładność kontroli impedancji wynosi zwykle ± 10%.
Układ stosowy płytek PCB wysokiej częstotliwości
Ścisła kontrola impedancji: przy użyciu określonych struktur linii przesyłowych, takich jak linie mikropaskowe, linie paskowe, falowody współpłaszczyznowe itp., tolerancja grubości dielektryka musi być kontrolowana w zakresie ± 5%, a wymagana dokładność impedancji wynosi ± 5% lub nawet ± 3%. Na przykład obliczenie szerokości linii mikropaskowej 50 Ω musi być dokładne na poziomie μm, biorąc pod uwagę wpływ chropowatości folii miedzianej na impedancję (jeśli chropowatość Ra jest mniejsza lub równa 0,5 μm, odchylenie impedancji można zmniejszyć o 2–3%).
Optymalizacja ekranowania elektromagnetycznego: Sygnały o wysokiej częstotliwości są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne, dlatego często stosuje się pełnoekranowe układy warstw ekranujących lub wbudowane struktury kondensatorów/cewek. Uziemienie poprzez układy (odstępy mniejsze lub równe 1 mm) dodaje się pomiędzy warstwami, aby zmniejszyć przesłuchy.
(3) Precyzja technologii przetwarzania gwałtownie wzrosła
Zwykła technologia przetwarzania PCB
Dokładność wiercenia ± 50 μm, tolerancja szerokości linii trawienia ± 10%, obróbka powierzchni głównie przy użyciu HASL, chropowatość Ra=1-3 μm.
Technologia przetwarzania płytek PCB o wysokiej częstotliwości
Wiercenie: Aby uniknąć rozwarstwienia podłoża spowodowanego wierceniem mechanicznym, stosuje się wiercenie laserowe (otwór mniejszy lub równy 0,1 mm) lub wiertarkę CNC (dokładność ± 10 μm).
Trawienie: Stosując kombinację procesów galwanizacji impulsowej i trawienia chemicznego, tolerancja szerokości linii jest kontrolowana w zakresie ± 5%, a chropowatość krawędzi drutu Ra jest mniejsza lub równa 0,4 μm, aby zmniejszyć rozpraszanie sygnału.
Obróbka powierzchniowa: Preferowana jest obróbka powierzchniowa ENIG (grubość warstwy złota 0,05-0,1 μm) lub chemiczne posrebrzanie, o płaskości Ra mniejszej lub równej 0,2 μm, aby zmniejszyć rezystancję styku i straty spowodowane efektem naskórkowania.
2. Podstawowe rozważania dotyczące-produkcji płytek drukowanych o wysokiej częstotliwości
(1) Wybór materiału: od „użytecznego” do „precyzyjnej adaptacji”
Dopasowanie zakresu częstotliwości
Scenariusz 1-10 GHz: Opcjonalny arkusz FR-4 wypełniony ceramiką (taki jak Nelco 4000-13SI) lub arkusz modyfikowanej żywicy epoksydowej (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Scenariusz 10 GHz: należy zastosować materiały kompozytowe na bazie PTFE lub ceramiki (takie jak Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Rozważania dotyczące zarządzania ciepłem
Urządzenia wysokiej częstotliwości wytwarzają dużą ilość ciepła, dlatego należy wybrać płytkę o przewodności cieplnej większej lub równej 0,5 W/(m · K) (np. Rogers 4350B o przewodności cieplnej 0,7 W/(m · K)) i zaprojektować konstrukcję wbudowanego radiatora.
(2) Kontrola procesu: wyższe dążenie do precyzji na poziomie mikrometru
Proces laminowania
Przy użyciu maszyny do laminowania próżniowego równomierność ciśnienia jest mniejsza lub równa ± 2%, a wahania temperatury są mniejsze lub równe ± 1 stopień, aby uniknąć odchyleń impedancji spowodowanych nierówną grubością warstwy nośnika. Na przykład, jeśli tolerancja grubości warstwy dielektryka o grubości 0,1 mm przekracza ± 5 μm, błąd impedancji przekroczy ± 4%.
Transfer wzoru
Dzięki zastosowaniu technologii bezpośredniego pisania laserowego zamiast tradycyjnego rysunku optycznego dokładność szerokości linii może osiągnąć ± 3 μm, co jest odpowiednie do produkcji bardzo cienkich linii poniżej 50 μm. Podczas naświetlania należy kontrolować długość fali źródła światła (światło ultrafioletowe 365nm) i gęstość energii (120-150mJ/cm²), aby zapobiec nadmiernemu lub niedostatecznemu rozwojowi.
Monitorowanie impedancji w czasie rzeczywistym
Po ukończeniu każdej warstwy wytwarzania obwodu użyj TDR do pomiaru impedancji online i dostosuj kolejne parametry procesu, porównując wartości projektowe. Na przykład, jeśli zmierzona impedancja jest o 8% wyższa od wartości docelowej, można dokonać kompensacji poprzez zwiększenie grubości folii miedzianej przed wytrawieniem lub dokładne-dostrojenie szerokości linii.
(3) Zapobieganie i kontrola defektów: „Urazy śmiertelne” w scenariuszach o wysokiej częstotliwości
Bąbelki średniowarstwowe
Przed laminowaniem wysusz podłoże i częściowo utwardzony arkusz próżniowo (120 stopni/2 godziny) o zawartości wilgoci kontrolowanej poniżej 0,1%, aby uniknąć wycieku sygnału spowodowanego powstawaniem pęcherzyków podczas-prasowania w wysokiej temperaturze.
Chropowatość folii miedzianej
Obwody wysokiej częstotliwości muszą wykorzystywać RTF lub HVLP o chropowatości Ra mniejszej lub równej 0,3 μm. Zwykła elektrolityczna folia miedziana (Ra=1.0-1.5 μm) zwiększa utratę sygnału 10 GHz o ponad 30%.
Parametry pasożytnicze przez otwory
Otwory przelotowe o wysokiej częstotliwości wymagają zastosowania technologii wiercenia wstecznego w celu usunięcia „odgałęzienia” (resztkowa długość pala mniejsza lub równa 0,5 mm) i kontrolowania impedancji otworu przelotowego w celu dopasowania do impedancji linii przesyłowej (odchylenie mniejsze lub równe 5%). Niewywiercone otwory przelotowe będą generować stratę odbicia około -20 dB przy 10 GHz.
(4) Wykrywanie i weryfikacja: wielowymiarowa- penetracja wydajności
Testowanie integralności sygnału
Użyj wektorowego analizatora sieci, aby zmierzyć parametry S (S11 mniejsze lub równe -20dB, S21 większe lub równe -3dB przy częstotliwości docelowej) i ocenić tłumienność odbiciową i tłumienność wtrąceniową.
Testowanie niezawodności termicznej
Przeprowadzić test lutowania rozpływowego przy 260 stopniach/10 sekund, aby sprawdzić, czy na płytce występuje rozwarstwienie (poprzez wykrywanie powierzchni łączenia międzywarstwowego za pomocą mikroskopu warstwowego) i sprawdzić zmianę stałej dielektrycznej w wysokiej temperaturze (Δ Dk mniejsze lub równe 3%).
Długoterminowa weryfikacja starzenia
Umieść próbkę w środowisku o temperaturze 85 stopni i 85% wilgotności względnej na 500 godzin, aby przetestować rezystancję izolacji (większą lub równą 10 ^ 9 Ω) i zmiany strat dielektrycznych (Δ Df mniejsze lub równe 5%), zapewniając-długoterminową stabilność wydajności w zakresie wysokich-częstotliwości.
3, Typowy przypadek: Praktyka projektowania wysokiej częstotliwości karty RF stacji bazowej 5G
W projekcie płytki RF stacji bazowej 5G AAU (aktywna jednostka antenowa) płytka Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) została wykorzystana do wykonania układu anten mikropaskowych. Osiągnij przełom w zakresie-wysokiej częstotliwości dzięki następującym środkom:
Konstrukcja skumulowana: struktura 3-warstwowa (warstwa sygnałowa/warstwa uziemiająca/warstwa sygnałowa), grubość dielektryka 0,254 mm, kontrola impedancji 50 Ω± 3%.
Innowacja procesowa: Dzięki zastosowaniu wiercenia laserowego CO₂ (apertura 0,15 mm) i chemicznej obróbki powierzchni posrebrzanej (chropowatość Ra=0.15 μm) tłumienie wtrąceniowe w paśmie częstotliwości 18 GHz zostaje zmniejszone do 0,8 dB/cal.
Weryfikacja testu: Tłumienie odbicia w paśmie częstotliwości 18-22 GHz zmierzone przez VNA jest mniejsze niż -25 dB, co spełnia rygorystyczne wymagania normy 5GNR dla łączy RF.