Ve vysokofrekvenčních elektronických polích, jako je komunikace 5G, satelitní navigace a radarové systémy, frekvence přenosu signálu obvykle dosahuje úrovně GHz nebo dokonce vyšší. V tuto chvíli již běžné desky plošných spojů nejsou schopny splňovat požadavky na integritu signálu a vysokofrekvenční desky plošných spojů se staly nevyhnutelnou volbou díky svým jedinečným materiálovým charakteristikám a designu procesu. Základní rozdíl mezivysokofrekvenční{0}}deska PCBa obyčejná deska:
1, Základní rozdíl: Převratný průlom v materiálech a výkonu
(1) Zásadní rozdíl v charakteristikách substrátu
Obyčejná deska plošných spojů: jako příklad vezměme FR-4
Složení materiálu: Při použití tkaniny ze skleněných vláken impregnované epoxidovou pryskyřicí jako substrátu je cena nízká a proces je vyzrálý, ale dielektrická konstanta je vysoká (obvykle Dk=4.2-4.8) a dielektrická ztráta je velká (Df=0.02-0.03).
Vysokofrekvenční omezení: Když frekvence signálu překročí 1 GHz, dielektrická ztráta se výrazně zvýší, útlum signálu je vážný a dielektrická konstanta výrazně kolísá s frekvencí, což ztěžuje řízení impedance.
Vysokofrekvenční deska plošných spojů: příkladem je PTFE a kompozitní materiály plněné keramikou
Materiálové inovace:
Plech na bázi PTFE: jako je řada Rogers RT/duroid, s Dk tak nízkým jako 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Kompozitní materiály s keramickou výplní, jako je IsolaFR408HR, snižují Dk (Dk=3.0-3.8) a zlepšují tepelnou vodivost prostřednictvím keramického práškového plnění, čímž vyrovnávají vysokofrekvenční výkon a náklady na zpracování.
Klíčové výhody: Nízká dielektrická konstanta snižuje zpoždění přenosu signálu, nízká ztráta snižuje energetický útlum a Dk/Df se mění o méně než 5 % s frekvencí, což zajišťuje fázovou konzistenci vysoko-frekvenčních signálů.
(2) Zvláštní požadavky na konstrukční uspořádání
Obyčejné rozvržení plošných spojů
Signální vrstva je jednoduše oddělena výkonovou vrstvou/geologickou vrstvou a tolerance tloušťky dielektrika mezivrstvy může být ± 10 %. Přesnost řízení impedance je obvykle ± 10 %.
Vysokofrekvenční rozložení plošných spojů
Přísné řízení impedance: při použití specifických struktur přenosového vedení, jako jsou mikropáskové vedení, páskové vedení, koplanární vlnovody atd., je třeba řídit toleranci tloušťky dielektrika v rozmezí ± 5 % a požadavek na přesnost impedance je ± 5 % nebo dokonce ± 3 %. Například výpočet šířky vedení 50 Ω mikropáskového vedení musí být přesný na úroveň μm, přičemž je třeba vzít v úvahu vliv drsnosti měděné fólie na impedanci (pokud je drsnost Ra menší nebo rovna 0,5 μm, odchylka impedance může být snížena o 2% -3%).
Optimalizace elektromagnetického stínění: Vysokofrekvenční signály jsou náchylné k elektromagnetickému rušení a často se používá uspořádání celoobrazovkové stínící vrstvy nebo vestavěné struktury kondenzátorů/induktorů. Mezi vrstvami je přidáno uzemnění přes pole (rozteč menší nebo rovna 1 mm), aby se snížilo přeslechy.
(3) Přesnost technologie zpracování raketově vzrostla
Běžná technologie zpracování desek plošných spojů
Přesnost vrtání ± 50 μm, tolerance šířky čáry leptání ± 10 %, povrchová úprava převážně pomocí HASL, drsnost Ra=1-3 μm.
Technologie vysokofrekvenčního zpracování desek plošných spojů
Vrtání: Laserové vrtání (otvor menší nebo rovna 0,1 mm) nebo CNC vrtací stroj (přesnost ± 10 μm) se používá, aby se zabránilo delaminaci substrátu způsobenému mechanickým vrtáním.
Leptání: Pomocí kombinace procesů pulzního galvanického pokovování a chemického leptání je tolerance šířky čáry řízena v rozmezí ± 5 % a drsnost okraje drátu Ra je menší nebo rovna 0,4 μm, aby se snížil rozptyl signálu.
Povrchová úprava: ENIG (tloušťka vrstvy zlata 0,05-0,1 μm) nebo chemické stříbření je preferováno, s rovinností Ra menší nebo rovnou 0,2 μm, aby se snížil kontaktní odpor a ztráty kožním efektem.
2, Základní úvahy pro výrobu vysokofrekvenčních desek plošných spojů-
(1) Výběr materiálu: od "použitelného" po "přesné přizpůsobení"
Přizpůsobení frekvenčního rozsahu
Scénář 1–10 GHz: Volitelný keramický plněný FR-4 (jako Nelco 4000-13SI) nebo deska z modifikované epoxidové pryskyřice (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
10GHz scénář: Musí být použity kompozitní materiály na bázi PTFE nebo keramiky (jako je Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Úvahy o tepelném managementu
Vysokofrekvenční zařízení generují velké množství tepla, proto je nutné vybrat desku s tepelnou vodivostí větší nebo rovnou 0,5W/(m · K) (jako je Rogers 4350B, s tepelnou vodivostí 0,7W/(m · K)) a navrhnout vestavěnou konstrukci chladiče.
(2) Řízení procesu: vyšší snaha o přesnost na úrovni mikrometru
Proces laminace
Při použití vakuového laminovacího stroje je rovnoměrnost tlaku menší nebo rovna ± 2 % a kolísání teploty je menší nebo rovné ± 1 stupeň, aby se zabránilo odchylce impedance způsobené nerovnoměrnou tloušťkou vrstvy média. Pokud například tolerance tloušťky dielektrické vrstvy o tloušťce 0,1 mm překročí ± 5 μm, chyba impedance překročí ± 4 %.
Přenos vzoru
Při použití technologie přímého laserového psaní namísto tradičního optického kreslení může přesnost šířky čáry dosáhnout ± 3 μm, což je vhodné pro výrobu ultrajemných čar pod 50 μm. Během expozice je nutné kontrolovat vlnovou délku světelného zdroje (365nm ultrafialové světlo) a hustotu energie (120-150mJ/cm²), aby se zabránilo nadměrnému nebo nedostatečnému vývoji.
Monitorování impedance v reálném čase
Po dokončení každé vrstvy výroby obvodu použijte TDR k online měření impedance a upravte následné parametry procesu porovnáním návrhových hodnot. Pokud je například naměřená impedance o 8 % vyšší než cílová hodnota, lze kompenzaci provést zvětšením tloušťky měděné fólie před leptáním nebo jemným-doladěním šířky čáry.
(3) Prevence a kontrola defektů: „smrtelná zranění“ ve vysokofrekvenčních scénářích
Střední vrstva bublin
Před laminací vysušte podklad a částečně vytvrzenou fólii ve vakuu (120 stupňů / 2 hodiny) s obsahem vlhkosti pod 0,1 %, aby se zabránilo úniku signálu způsobenému tvorbou bublin během lisování za vysokých-teplot.
Drsnost měděné fólie
Vysokofrekvenční obvody musí používat RTF nebo HVLP s drsností Ra menší nebo rovnou 0,3 μm. Obyčejná elektrolytická měděná fólie (Ra=1.0-1.5 μ m) zvýší ztrátu signálu 10GHz o více než 30 %.
Parazitní parametry skrz otvory
Vysokofrekvenční průchozí otvory vyžadují použití technologie zpětného vrtání k odstranění „Stub“ (zbytková délka vlasu menší nebo rovna 0,5 mm) a řízení impedance průchozího otvoru tak, aby odpovídala impedanci přenosového vedení (odchylka menší nebo rovna 5 %). Nevyvrtané průchozí otvory budou generovat ztrátu odrazu přibližně -20 dB na 10 GHz.
(4) Detekce a ověření: vícerozměrná penetrace výkonu
Testování integrity signálu
Pomocí vektorového síťového analyzátoru změřte parametry S (S11 menší nebo rovno -20dB, S21 větší nebo rovno -3dB @ cílová frekvence) a vyhodnoťte útlum odrazu a vložný útlum.
Testování tepelné spolehlivosti
Proveďte test pájení přetavením při 260 stupních/10 sekund, abyste pozorovali, zda na desce dochází k delaminaci (detekcí mezivrstvového spojovacího povrchu pomocí plátkového mikroskopu), a otestujte změnu dielektrické konstanty při vysoké teplotě (Δ Dk menší nebo rovna 3 %).
Ověření dlouhodobého stárnutí
Umístěte vzorek do prostředí 85 stupňů / 85 % RH po dobu 500 hodin, abyste otestovali izolační odpor (Větší nebo roven 10 ^ 9 Ω) a změny dielektrické ztráty (Δ Df Menší nebo rovno 5 %), čímž zajistíte dlouhodobou-stabilitu vysokofrekvenčního výkonu.
3, Typický případ: Vysokofrekvenční návrhová praxe 5G základní stanice RF desky
V provedení RF desky 5G základnové stanice AAU (aktivní anténní jednotka) je deska Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) použita k vytvoření mikropáskového anténního pole. Dosáhněte průlomu v oblasti-vysokofrekvenčního výkonu pomocí následujících opatření:
Skládané provedení: 3-vrstvá struktura (signální vrstva/zemní vrstva/signální vrstva), tloušťka dielektrika 0,254 mm, řízení impedance 50 Ω± 3 %.
Inovace procesu: Pomocí vrtání CO ₂ laserem (apertura 0,15 mm) a povrchové úpravy chemického stříbření (drsnost Ra=0.15 μm) je vložný útlum ve frekvenčním pásmu 18 GHz snížen na 0,8 dB/palec.
Testovací ověření: Zpětná ztráta ve frekvenčním pásmu 18-22GHz měřená VNA je menší než -25dB, což splňuje přísné požadavky standardu 5GNR pro RF spoje.