Vo vysokofrekvenčných{0}}elektronických poliach, ako je komunikácia 5G, satelitná navigácia a radarové systémy, frekvencia prenosu signálu zvyčajne dosahuje úroveň GHz alebo dokonca vyššiu. V tomto bode bežné dosky plošných spojov už nie sú schopné spĺňať požiadavky na integritu signálu a vysoko-frekvenčné dosky plošných spojov sa stali nevyhnutnou voľbou vďaka svojim jedinečným materiálovým charakteristikám a dizajnu procesu. Hlavný rozdiel medzivysokofrekvenčná doska plošných spojov{0}a obyčajná doska:
1, hlavný rozdiel: rušivý prielom v materiáloch a výkone
(1) Podstatný rozdiel v charakteristikách substrátu
Bežná doska plošných spojov: ako príklad vezmite FR-4
Zloženie materiálu: Pri použití tkaniny zo sklenených vlákien impregnovanej epoxidovou živicou ako substrátu je cena nízka a proces je vyspelý, ale dielektrická konštanta je vysoká (zvyčajne Dk=4.2-4.8) a dielektrická strata je veľká (Df=0.02-0.03).
Obmedzenia vysokej frekvencie: Keď frekvencia signálu prekročí 1 GHz, dielektrická strata sa výrazne zvýši, útlm signálu je závažný a dielektrická konštanta výrazne kolíše s frekvenciou, čo sťažuje riadenie impedancie.
Vysokofrekvenčná doska plošných spojov: ako príklady sa používajú PTFE a keramické kompozitné materiály
Materiálové inovácie:
Doska na báze PTFE: ako napríklad séria Rogers RT/duroid, s Dk len 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Kompozitné materiály s keramickou výplňou, ako je IsolaFR408HR, znižujú Dk (Dk=3.0-3.8) a zlepšujú tepelnú vodivosť prostredníctvom keramickej práškovej výplne, čím vyrovnávajú vysoko-frekvenčný výkon a náklady na spracovanie.
Kľúčové výhody: Nízka dielektrická konštanta znižuje oneskorenie prenosu signálu, nízka strata znižuje energetický útlm a Dk/Df sa mení o menej ako 5 % s frekvenciou, čím sa zaisťuje fázová konzistencia vysoko-frekvenčných signálov.
(2) Osobitné požiadavky na konštrukčné usporiadanie
Obyčajné rozloženie plošných spojov
Signálna vrstva je jednoducho oddelená výkonovou vrstvou/geologickou vrstvou a tolerancia hrúbky dielektrika medzivrstvy môže byť ± 10 %. Presnosť riadenia impedancie je zvyčajne ± 10 %.
Vysokofrekvenčné rozloženie plošných spojov
Prísna kontrola impedancie: pri použití špecifických štruktúr prenosových vedení, ako sú mikropáskové vedenia, pásové vedenia, koplanárne vlnovody atď., tolerancia hrúbky dielektrika musí byť kontrolovaná v rozmedzí ± 5 % a požiadavka na presnosť impedancie je ± 5 % alebo dokonca ± 3 %. Napríklad výpočet šírky vedenia 50 Ω mikropáskového vedenia musí byť presný na úroveň μm, pričom treba brať do úvahy vplyv drsnosti medenej fólie na impedanciu (keď je drsnosť Ra menšia alebo rovná 0,5 μm, odchýlka impedancie sa môže znížiť o 2 % -3 %).
Optimalizácia elektromagnetického tienenia: Vysokofrekvenčné signály sú náchylné na elektromagnetické rušenie a často sa používa rozloženie tieniacej vrstvy na celej obrazovke alebo vstavané štruktúry kondenzátora/induktora. Uzemnenie cez polia (rozstup menší alebo rovný 1 mm) sa pridáva medzi vrstvy, aby sa znížilo presluchy.
(3) Presnosť technológie spracovania prudko vzrástla
Bežná technológia spracovania PCB
Presnosť vŕtania ± 50 μm, tolerancia šírky leptanej čiary ± 10 %, povrchová úprava prevažne pomocou HASL, drsnosť Ra=1-3 μ m.
Vysokofrekvenčná technológia spracovania PCB
Vŕtanie: Laserové vŕtanie (apertúra menšia alebo rovná 0,1 mm) alebo CNC vŕtačka (presnosť ± 10 μm) sa používa na zabránenie delaminácii substrátu spôsobenej mechanickým vŕtaním.
Leptanie: Pomocou kombinácie procesov pulzného galvanického pokovovania a chemického leptania sa tolerancia šírky čiary reguluje v rozmedzí ± 5 % a drsnosť okraja drôtu Ra je menšia alebo rovná 0,4 μm, aby sa znížil rozptyl signálu.
Povrchová úprava: ENIG (hrúbka vrstvy zlata 0,05-0,1 μm) alebo chemické postriebrenie je preferované s rovinnosťou Ra menšou alebo rovnou 0,2 μm, aby sa znížil kontaktný odpor a straty spôsobené efektom pokožky.
2, Základné úvahy pri výrobe-vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov
(1) Výber materiálu: od „použiteľného“ po „presné prispôsobenie“
Prispôsobenie frekvenčného rozsahu
Scenár 1-10 GHz: Voliteľný keramický plniaci FR-4 (napríklad Nelco 4000-13SI) alebo doska z modifikovanej epoxidovej živice (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Scenár 10 GHz: Musia sa použiť kompozitné materiály na báze PTFE alebo keramiky (ako napríklad Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Úvahy o tepelnom manažmente
Vysokofrekvenčné zariadenia generujú veľké množstvo tepla, preto je potrebné zvoliť dosku s tepelnou vodivosťou 0,5 W/(m · K) alebo rovnou 0,5 W/(m · K) (napríklad Rogers 4350B, s tepelnou vodivosťou 0,7 W/(m · K)) a navrhnúť zabudovanú štruktúru chladiča.
(2) Kontrola procesu: vyššia presnosť na úrovni mikrometrov
Proces laminácie
Pri použití vákuového laminovacieho stroja je rovnomernosť tlaku menšia alebo rovná ± 2 % a kolísanie teploty je menšie alebo rovné ± 1 stupeň, aby sa predišlo odchýlke impedancie spôsobenej nerovnomernou hrúbkou vrstvy média. Napríklad, ak tolerancia hrúbky 0,1 mm hrubej dielektrickej vrstvy prekročí ± 5 μm, chyba impedancie presiahne ± 4 %.
Prenos vzoru
Použitím technológie priameho laserového písania namiesto tradičného optického kreslenia môže presnosť šírky čiary dosiahnuť ± 3 μm, čo je vhodné na výrobu ultrajemných čiar pod 50 μm. Počas expozície je potrebné kontrolovať vlnovú dĺžku svetelného zdroja (365nm ultrafialové svetlo) a hustotu energie (120-150mJ/cm²), aby sa zabránilo nadmernému alebo nedostatočnému vývoju.
Monitorovanie impedancie v reálnom čase
Po dokončení každej vrstvy výroby obvodu použite TDR na meranie impedancie online a upravte následné parametre procesu porovnaním konštrukčných hodnôt. Ak je napríklad nameraná impedancia o 8 % vyššia ako cieľová hodnota, kompenzáciu možno vykonať zväčšením hrúbky medenej fólie pred leptaním alebo jemným{2}}doladením šírky čiary.
(3) Prevencia a kontrola defektov: „Smrteľné zranenia“ vo vysokofrekvenčných scenároch
Stredná vrstva bublín
Pred lamináciou vysušte substrát a čiastočne vytvrdenú fóliu (120 stupňov / 2 hodiny) s obsahom vlhkosti pod 0,1 %, aby ste zabránili úniku signálu spôsobenému tvorbou bublín počas lisovania pri vysokej teplote.
Drsnosť medenej fólie
Vysokofrekvenčné obvody musia používať RTF alebo HVLP s drsnosťou Ra menšou alebo rovnou 0,3 μm. Bežná elektrolytická medená fólia (Ra=1.0-1.5 μm) zvýši stratu signálu 10 GHz o viac ako 30 %.
Parazitické parametre cez otvory
Vysokofrekvenčné priechodné otvory vyžadujú použitie technológie spätného vŕtania na odstránenie "Stub" (zvyšková dĺžka vlasu menšia alebo rovná 0,5 mm) a riadenie impedancie priechodného otvoru tak, aby zodpovedala impedancii prenosového vedenia (odchýlka menšia alebo rovná 5%). Nevyvŕtané priechodné otvory vygenerujú stratu spätného výkonu približne -20 dB pri frekvencii 10 GHz.
(4) Detekcia a overenie: viacrozmerná penetrácia výkonu
Testovanie integrity signálu
Pomocou vektorového sieťového analyzátora zmerajte parametre S (S11 Menšie alebo rovné -20 dB, S21 Väčšie alebo rovné -3 dB @ cieľová frekvencia) a vyhodnoťte stratu odrazu a stratu vloženia.
Testovanie tepelnej spoľahlivosti
Vykonajte test spájkovania pretavením pri 260 stupňoch/10 sekúnd, aby ste zistili, či na doske dochádza k delaminácii (detegovaním medzivrstvového spojovacieho povrchu pomocou plátkového mikroskopu), a otestujte zmenu dielektrickej konštanty pri vysokej teplote (Δ Dk menej alebo rovna 3 %).
Overenie dlhodobého starnutia
Umiestnite vzorku do prostredia s teplotou 85 stupňov / 85 % relatívnej vlhkosti na 500 hodín, aby ste otestovali izolačný odpor (väčší alebo rovný 10 ^ 9 Ω) a zmeny dielektrických strát (Δ Df menšie alebo rovné 5 %), čím sa zabezpečí dlhodobá-stabilita vysokofrekvenčného výkonu-.
3, Typický prípad: Vysokofrekvenčná konštrukčná prax dosky RF základňovej stanice 5G
V dizajne RF dosky 5G základňovej stanice AAU (aktívna anténna jednotka) je doska Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) použitá na vytvorenie mikropáskového anténneho poľa. Dosiahnite prelom v oblasti-vysokofrekvenčného výkonu pomocou nasledujúcich opatrení:
Skladaný dizajn: 3-vrstvová štruktúra (signálna vrstva/zemná vrstva/signálna vrstva), hrúbka dielektrika 0,254 mm, kontrola impedancie 50 Ω± 3%.
Inovácia procesu: Pomocou vŕtania CO ₂ laserom (otvor 0,15 mm) a povrchovej úpravy chemickým postriebrením (drsnosť Ra=0.15 μm) sa vložený útlm vo frekvenčnom pásme 18 GHz zníži na 0,8 dB/palec.
Overenie testu: Strata spätného toku vo frekvenčnom pásme 18-22 GHz meraná VNA je menšia ako -25 dB, čo spĺňa prísne požiadavky normy 5GNR pre RF spojenia.