În câmpurile electronice de-înaltă frecvență, cum ar fi comunicațiile 5G, navigația prin satelit și sistemele radar, frecvența de transmisie a semnalului atinge de obicei nivelul GHz sau chiar mai mare. În acest moment, plăcile PCB obișnuite nu mai sunt capabile să îndeplinească cerințele de integritate a semnalului, iar plăcile PCB de înaltă-frecvență au devenit o alegere inevitabilă datorită caracteristicilor lor unice ale materialelor și designului procesului. Diferența de bază întreplacă pcb de înaltă{0}frecvențăsi tabla obisnuita:
1, Diferența de bază: Revoluție disruptivă în materiale și performanță
(1) Diferența esențială a caracteristicilor substratului
Placă PCB obișnuită: luând FR-4 ca exemplu
Compoziția materialului: Folosind ca substrat pânză din fibră de sticlă impregnată cu rășină epoxidică, costul este scăzut și procesul este matur, dar constanta dielectrică este mare (de obicei Dk=4.2-4.8) și pierderea dielectrică este mare (Df=0.02-0.03).
Limitări de înaltă frecvență: Când frecvența semnalului depășește 1 GHz, pierderea dielectrică crește semnificativ, atenuarea semnalului este severă, iar constanta dielectrică fluctuează semnificativ cu frecvența, ceea ce face dificilă controlul impedanței.
Placă PCB de înaltă frecvență: luând ca exemple PTFE și materiale compozite umplute cu ceramică
Inovație materială:
Foaie pe bază de PTFE: cum ar fi seria Rogers RT/duroid, cu Dk până la 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Materialele compozite umplute cu ceramică, cum ar fi IsolaFR408HR, reduc Dk (Dk=3.0-3.8) și îmbunătățesc conductivitatea termică prin umplerea cu pulbere ceramică, echilibrând performanța de înaltă-frecvență și costurile de procesare.
Avantaje cheie: constanta dielectrică scăzută reduce întârzierea transmisiei semnalului, pierderea redusă reduce atenuarea energiei, iar Dk/Df se modifică cu mai puțin de 5% cu frecvența, asigurând consistența de fază a semnalelor de-frecvență înaltă.
(2) Cerințe speciale pentru aspectul structural
Aspect stivuit PCB obișnuit
Stratul de semnal este pur și simplu separat de stratul de putere/stratul geologic, iar toleranța de grosime a dielectricului interstrat este permisă să fie de ± 10%. Precizia controlului impedanței este de obicei de ± 10%.
Aspect stivuit PCB de înaltă frecvență
Control strict al impedanței: folosind structuri specifice liniilor de transmisie, cum ar fi linii microstrip, linii de bandă, ghiduri de undă coplanare etc., toleranța de grosime a dielectricului trebuie controlată în intervalul de ± 5%, iar cerința de precizie a impedanței este de ± 5% sau chiar ± 3%. De exemplu, calculul lățimii liniei unei linii de microbandă de 50 Ω trebuie să fie precis la nivelul μm, luând în considerare influența rugozității foliei de cupru asupra impedanței (când rugozitatea Ra Mai mică sau egală cu 0,5 μm, abaterea impedanței poate fi redusă cu 2% -3%).
Optimizarea ecranării electromagnetice: Semnalele de înaltă frecvență sunt susceptibile la interferențe electromagnetice și sunt adesea utilizate dispoziții ale stratului de ecranare pe ecran complet sau structuri de condensator/inductor încorporate. Împământarea prin rețele (spațiere mai mică sau egală cu 1 mm) este adăugată între straturi pentru a reduce diafonia.
(3) Precizia tehnologiei de procesare a crescut vertiginos
Tehnologia obișnuită de procesare a pcb-ului
Precizie de găurire ± 50 μm, toleranță la lățimea liniei de gravare ± 10%, tratarea suprafeței în principal folosind HASL, rugozitate Ra=1-3 μm.
Tehnologie de procesare PCB de înaltă frecvență
Găurire: Se utilizează găurirea cu laser (apertura mai mică sau egală cu 0,1 mm) sau mașina de găurit CNC (precizie ± 10 μ m) pentru a evita delaminarea substratului cauzată de găurirea mecanică.
Gravare: Folosind o combinație de procese de electroplacare cu impulsuri și gravare chimică, toleranța lățimii liniei este controlată cu ± 5%, iar rugozitatea marginii firului Ra este mai mică sau egală cu 0,4 μm pentru a reduce împrăștierea semnalului.
Tratamentul de suprafață: se preferă ENIG (grosime strat de aur 0,05-0,1 μm) sau placarea chimică cu argint, cu o planeitate Ra mai mică sau egală cu 0,2 μm, pentru a reduce rezistența la contact și pierderile de efect al pielii.
2, Considerații de bază pentru producția de plăci PCB de înaltă-frecvență
(1) Selectarea materialului: de la „utilizabil” la „adaptare precisă”
Potrivirea intervalului de frecvență
Scenariul 1-10GHz: opțional FR-4 umplut cu ceramică (cum ar fi Nelco 4000-13SI) sau folie de rășină epoxidică modificată (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Scenariul de 10 GHz: trebuie utilizate materiale compozite pe bază de PTFE sau ceramică (cum ar fi Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Considerații privind managementul termic
Dispozitivele de înaltă frecvență generează o cantitate mare de căldură, așa că este necesar să alegeți o placă cu o conductivitate termică mai mare sau egală cu 0,5 W/(m · K) (cum ar fi Rogers 4350B, cu o conductivitate termică de 0,7 W/(m · K)) și să proiectați o structură de radiator încorporat.
(2) Controlul procesului: urmărirea mai mare a preciziei la nivel de micrometru
Procesul de laminare
Folosind o mașină de laminare în vid, uniformitatea presiunii este mai mică sau egală cu ± 2%, iar fluctuația temperaturii este mai mică sau egală cu ± 1 grad pentru a evita abaterea impedanței cauzată de grosimea neuniformă a stratului mediu. De exemplu, dacă toleranța de grosime a unui strat dielectric gros de 0,1 mm depășește ± 5 μ m, eroarea de impedanță va depăși ± 4%.
Transfer de model
Folosind tehnologia de scriere directă cu laser în locul desenului optic tradițional, precizia lățimii liniei poate ajunge la ± 3 μ m, potrivită pentru producerea de linii ultrafine sub 50 μ m. În timpul expunerii, este necesar să se controleze lungimea de undă a sursei de lumină (lumină ultravioletă de 365 nm) și densitatea energiei (120-150 mJ/cm²) pentru a preveni dezvoltarea excesivă sau insuficientă.
Monitorizarea impedanței în timp real
După finalizarea fiecărui strat de fabricare a circuitului, utilizați TDR pentru a măsura impedanța online și pentru a ajusta parametrii de proces ulterioare comparând valorile de proiectare. De exemplu, dacă impedanța măsurată este cu 8% mai mare decât valoarea țintă, compensarea poate fi făcută prin creșterea grosimii foliei de cupru înainte de gravare sau ajustarea-fină a lățimii liniei.
(3) Prevenirea și controlul defectelor: „Leziuni fatale” în scenariile de înaltă frecvență
Bule de strat mediu
Înainte de laminare, uscați sub vid substratul și foaia semiîntărită (120 grade/2 ore) cu un conținut de umiditate controlat sub 0,1% pentru a evita scurgerea semnalului cauzată de generarea de bule în timpul presării la temperatură înaltă-.
Rugozitatea foliei de cupru
Circuitele de înaltă frecvență trebuie să utilizeze RTF sau HVLP, cu o rugozitate Ra Mai mică sau egală cu 0,3 μ m. Folia obișnuită de cupru electrolitic (Ra=1.0-1.5 μm) va crește pierderea semnalului de 10GHz cu mai mult de 30%.
Parametrii paraziți prin găuri
Orificiile de înaltă frecvență necesită utilizarea tehnologiei de forare înapoi pentru a îndepărta „Stub” (lungimea grămadăului reziduală mai mică sau egală cu 0,5 mm) și pentru a controla impedanța găurii de trecere pentru a se potrivi cu impedanța liniei de transmisie (abatere mai mică sau egală cu 5%). Untrined prin găuri va genera o pierdere de întoarcere de aproximativ -20dB la 10GHz.
(4) Detectare și verificare: penetrarea performanței multi-dimensionale
Testarea integrității semnalului
Utilizați un analizor de rețea vectorială pentru a măsura parametrii S (S11 Mai mic sau egal cu -20dB, S21 Mai mare sau egal cu -3dB @ frecvența țintă) și evaluați pierderea de retur și pierderea de inserție.
Testare de fiabilitate termică
Efectuați un test de lipire prin reflow la 260 de grade / 10 secunde pentru a observa dacă există delaminare în placă (prin detectarea suprafeței de legătură interstrat printr-un microscop felie) și testați schimbarea constantei dielectrice la temperatură ridicată (Δ Dk mai mic sau egal cu 3%).
Verificarea îmbătrânirii pe termen lung
Puneți proba într-un mediu de 85 grade /85% RH timp de 500 de ore pentru a testa rezistența de izolație (mai mare sau egală cu 10 ^ 9 Ω) și modificări ale pierderii dielectrice (Δ Df mai mică sau egală cu 5%), asigurând stabilitatea pe termen lung a performanței de înaltă frecvență.
3, Caz tipic: practica de proiectare de înaltă frecvență a plăcii RF pentru stația de bază 5G
În proiectarea plăcii RF a stației de bază 5G AAU (unitate de antenă activă), placa Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) este utilizată pentru a realiza o matrice de antene microstrip. Obțineți progrese în performanța-de înaltă frecvență prin următoarele măsuri:
Design stivuit: structură cu 3 straturi (strat de semnal/strat de pământ/strat de semnal), grosime dielectric 0,254 mm, control al impedanței 50 Ω± 3%.
Inovație de proces: Utilizând găurirea cu laser CO ₂ (apertura 0,15 mm) și tratamentul chimic al suprafeței cu argint (rugozitate Ra=0.15 μm), pierderea de inserție în banda de frecvență de 18 GHz este redusă la 0,8 dB/inch.
Verificare de testare: Pierderea de retur în banda de frecvență 18-22GHz măsurată de VNA este mai mică de -25dB, îndeplinind cerințele stricte ale standardului 5GNR pentru legăturile RF.