W-najwyższych urządzeniach elektronicznych, takich jak komunikacja 5G, autonomiczny radar działający na falach milimetrowych i-szybkie przełączniki w centrach danych AI, płytki drukowane o wysokiej częstotliwości i-szybkości stały się już głównym nośnikiem decydującym o stabilności transmisji sygnału systemowego. Inaczej niż zwyklepłytki drukowane fr4które spełniają jedynie podstawowe wymagania dotyczące połączeń obwodów, wybór materiałuwysoka częstotliwośći szybkie{0}}płytki drukowane bezpośrednio określają kontrolę strat, dokładność impedancji i-długoterminową niezawodność sygnałów w paśmie częstotliwości GHz. Dzisiaj będziemy systematycznie rozkładać kluczową logikę wyboru materiałów PCB o wysokiej częstotliwości i-szybkości, począwszy od podstawowych wskaźników, wyboru produktów głównego nurtu, a skończywszy na typowych scenariuszach zastosowań.
6 podstawowych wskaźników wyboru materiału na płytkę PCB o wysokiej częstotliwości i-szybkości
Wielu inżynierów ma tendencję do popadania w błędne przekonanie, że przy wyborze materiałów należy „patrzyć tylko na markę, a nie na parametry”. W rzeczywistości sześć następujących wskaźników jest podstawowymi kryteriami określania kompatybilności płyty:
1. Stała dielektryczna (Dk) i stabilność: Jest to najbardziej podstawowy parametr blachy o wysokiej częstotliwości, wymagający niskiej wartości Dk i minimalnych wahań temperatury i częstotliwości. W przypadku wysokich częstotliwości tolerancję Dk należy kontrolować w zakresie ± 0,1, aby uniknąć niekontrolowanych odchyleń prędkości transmisji sygnału. Na przykład płyta Dk firmy Rogers RO4350B jest stabilnie kontrolowana na poziomie 3,48, z wahaniami mniejszymi niż ± 2% w szerokim zakresie temperatur od -50 stopni do 150 stopni, w pełni spełniając surowe wymagania środowiskowe radaru samochodowego.
2. Współczynnik strat dielektrycznych (Df): bezpośrednio określa stratę energii sygnału podczas transmisji. W przypadku wysokich częstotliwości powyżej 10 GHz wartość Df należy kontrolować poniżej 0,005, aby uniknąć problemu nadmiernego tłumienia amplitudy i niewystarczającego stosunku sygnału-do-szumu sygnałów o wysokiej częstotliwości po-okablowaniu na duże odległości. Wartość Df zwykłej karty FR-4 wynosi zwykle powyżej 0,02, co jest całkowicie nieodpowiednie dla szybkiej transmisji sygnału SerDes powyżej 25 Gb/s.
3. Dopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE): Płytki drukowane o dużej-szybkości i wysokiej częstotliwości są często dostarczane z miedzianymi konstrukcjami o-grubości wielowarstwowej, a współczynnik rozszerzalności cieplnej płytki w osi Z- musi odpowiadać charakterystyce CTE folii miedzianej. W przeciwnym razie podczas wielokrotnych procesów lutowania rozpływowego mogą wystąpić problemy z awariami, takie jak pękanie metalizowanego otworu i niewspółosiowość międzywarstwowa. Wysokiej jakości płytki wysokiej częstotliwości zostaną zmodyfikowane przy użyciu technologii wypełniania ceramicznego, aby kontrolować współczynnik CTE osi Z-w zakresie 30 ppm/stopień, co znacznie poprawi-długoterminową niezawodność płyt wielowarstwowych-.
4. Chropowatość folii miedzianej: Podczas transmisji sygnału o wysokiej częstotliwości efekt naskórkowości powoduje skupienie się prądu na bardzo cienkiej warstwie na powierzchni folii miedzianej. Nadmierna chropowatość folii miedzianej znacznie zwiększa straty w przewodzie. W wysokiej klasy płytkach drukowanych wysokiej częstotliwości i-szybkich obwodach drukowanych wykorzystana zostanie niskoprofilowa folia miedziana (HVLP) do kontrolowania chropowatości powierzchni w zakresie 0,2 μm, co może zmniejszyć straty w przewodzie o ponad 30% w paśmie częstotliwości fal milimetrowych.
5. Szybkość wchłaniania wody: Po wchłonięciu wody równomierność stałej dielektrycznej płytki ulegnie bezpośredniej zmianie, co spowoduje nagłe zmiany impedancji i zwiększoną utratę sygnału. W scenariuszach charakteryzujących się dużą częstotliwością stopień nasiąkliwości płyty musi być mniejszy niż 0,1%. W tym wskaźniku materiały wysokiej częstotliwości na bazie PTFE radzą sobie znacznie lepiej niż zwykłe podłoża z żywicy epoksydowej.
6. Przewodność cieplna: w scenariuszach takich jak wzmacniacze RF 5G i karty akceleracyjne AI, lokalna gęstość strumienia ciepła płytek drukowanych o wysokiej częstotliwości i-szybkościach jest niezwykle wysoka, co wymaga współczynnika przewodności cieplnej podłoża wynoszącego 0,8 W/m · K lub wyższego. Niektóre scenariusze zasilania wymagają nawet użycia płytek o wysokiej przewodności cieplnej i współczynniku przewodności cieplnej przekraczającym 2 W/m · K, aby uniknąć dryfu sygnału spowodowanego lokalnym przegrzaniem.
Płytka drukowana z mikronanochipami o-szybkiej prędkości: specjalnie przystosowana do scenariuszy integracji sygnałów cyfrowych o wysokiej częstotliwości i urządzeń optoelektronicznych, oparta na technologii pakowania na poziomie mikronano, aby osiągnąć niezwykle wysoką dokładność połączeń wzajemnych, doskonale radząca sobie z-szybką transmisją sygnału modułów optycznych 100G i rozwiązująca problem odbicia sygnału na połączeniu między chipami optycznymi a płytkami drukowanymi.
14-warstwowa płytka cewki z miedzi o grubości 4 uncji: opracowana do scenariuszy ładowania bezprzewodowego i modułów RF-o dużej mocy w pojazdach nowych źródeł energii, wykorzystująca grube miedziane podłoże o wysokiej częstotliwości w połączeniu z technologią mieszanego ciśnienia do przenoszenia wysokiego prądu, zapewniając jednocześnie niskostratną transmisję sygnałów o-wysokiej częstotliwości, rozwiązując problem branży związany z trudną równowagą między sygnałami o wysokim prądzie i-wysokiej częstotliwości.
Wielowarstwowa płytka wielowarstwowa Rogers o mieszanym ciśnieniu: poprzez międzywarstwowe mieszanie materiałów o wysokiej częstotliwości, takich jak RO4350B ze zwykłymi materiałami fr4, w kluczowej warstwie sygnału stosowane są podłoża o niskiej stratności-o wysokiej częstotliwości, a w warstwie zasilania i uziemienia stosuje się fr4 o wysokiej przewodności cieplnej. To znacznie zmniejsza całkowity koszt płyty, zapewniając jednocześnie wysoką- wydajność częstotliwości, i jest obecnie głównym rozwiązaniem w zakresie wyboru kart RF makrostacji bazowych 5G.
Logika wyboru dla typowych obszarów zastosowań
Wybór materiałów PCB o wysokiej częstotliwości i szybkości-w różnych branżach ma zupełnie inne cele, a im wyższa wydajność płytki, tym bardziej jest ona odpowiednia
W obszarze komunikacji 5G ceramiczne płytki wypełniające Rogers serii RO4000 są preferowane w antenach stacji bazowych i modułach front-end-RF, aby zrównoważyć stabilność dielektryczną i zgodność przetwarzania; Płyta montażowa-szybkiego przełącznika 200G/400G w centrum danych będzie wykorzystywać-szybkie podłoża o bardzo niskim współczynniku Df, takie jak Panasonic Megtron 7, z naciskiem na kontrolowanie strat transmisji sygnałów szeregowych powyżej 25 Gb/s.
W dziedzinie elektroniki samochodowej: Radar pracujący na falach milimetrowych 77 GHz musi wykorzystywać płytki wysokiej częstotliwości o stałym współczynniku temperaturowym dielektryka mniejszym niż 50 ppm/stopień, aby zapewnić, że zasięg wykrywania radaru nie będzie się znacząco wahał w pełnym zakresie temperatur pojazdu od - od 40 do 85 stopni; Płytka drukowana szybkiej bramy montowanej w samochodzie będzie wykorzystywać zmodyfikowaną płytkę fr4 wysokiej częstotliwości, która równoważy koszty i integralność sygnału, spełniając jednocześnie wymagania niezawodności standardów motoryzacyjnych IATF16949.
W przemyśle lotniczym i obronnym płytki drukowane wysokiej częstotliwości z podłożem PTFE są preferowane w sprzęcie komunikacji satelitarnej, zakłócaczach radarów i innych scenariuszach. Utrzymują stabilne właściwości dielektryczne w ekstremalnych środowiskach kosmicznych i są odporne na silne wibracje dzięki specjalnym procesom wzmacniania międzywarstwowego.
W dziedzinie przyrządów medycznych i testujących płytki drukowane wysokiej częstotliwości do cewek RF MRI, analizatorów widma i innego sprzętu wymagają wyjątkowo wysokiej jednorodności stałej dielektrycznej. Importowane,-najwyższej klasy karty wysokiej częstotliwości są zwykle wybierane, aby uniknąć odchyleń wyników testu spowodowanych nierównymi lokalnymi parametrami płytki.
płytki drukowane fr4, PCB wysokiej częstotliwości