Šta je visokofrekventna štampana pločica?

Jedan visokofrekventna tiskanica je posebna štampana pločica (PCB) koja se koristi za signale visokih elektromagnetnih frekvencija. Ove pločice su namijenjene radiofrekvencijama iznad otprilike 300 MHz (valna dužina < 1 m) i mikrotalasnim frekvencijama iznad otprilike 3 GHz (valna dužina < 0,1 m). Izrađuju se na mikrotalasnim baznim laminatima obloženim bakrom. Proizvodnja može koristiti neke standardne korake za čvrste PCB-ove ili primjenjivati posebne metode za ove materijale.

Sa brzim napretkom tehnologije, sve više uređaja radi u mikrotalasnom opsegu (>1 GHz), pa čak i u milimetarskim opsezima (>30 GHz). To znači da frekvencije rastu i da potrebe za materijalima rastu. Osnovni materijali moraju imati vrlo dobra električna svojstva i dobru hemijsku stabilnost. Kako frekvencija signala raste, gubici u materijalu moraju ostati vrlo niski. Sa dolaskom 5G-a, visokofrekventni materijali postali su važniji.

Prednosti visokofrekventnih tiskanih pločica

1. Visoka efikasnost
Materijali s niskom dielektričnom konstantom uzrokuju male gubitke. Moderno induktivno zagrijavanje i druge metode mogu postići ciljeve i održati visoku efikasnost. Ove ploče također pomažu u smanjenju otpada i odgovaraju ekološkim ciljevima.

2. Visoka brzina
Brzina signala je obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu dielektrične konstante. Niža dielektrična konstanta znači brži prijenos. Posebni materijali održavaju dielektričnu konstantu niskom i stabilnom. To pomaže prijenosu signala.

3. Dobra kontrola grijanja ili obrade
Visokofrekventne ploče koriste se u mnogim oblastima koje zahtijevaju precizno zagrijavanje metalnih dijelova. Možete kontrolisati koliko duboko ili gdje ćete zagrijavati. Možete se fokusirati na površinsko ili dubinsko zagrijavanje. Možete zagrijavati na fokusiran ili raspršen način. Ploča omogućava preciznu kontrolu.

4. Izdržljivost
Dielektrična konstanta i dielektrični materijal ovise o okolišu. U vlažnim područjima vlaga oštećuje ploče. Visokofrekventne ploče izrađene od materijala s niskom apsorpcijom vode to podnose. Otporne su na kemijsku koroziju, vlagu i visoke temperature te imaju visoku čvrstoću ljuštenja. Ove osobine ih čine izdržljivima u teškim uvjetima.

Uobičajeni materijali za PCB-ove za visoke frekvencije i visoke brzine

(Koristite ove primjere materijala kao polaznu osnovu. Svaki dizajn zahtijeva pravi izbor materijala za frekvenciju i raspored.)

Razlika između visokofrekventnih ploča i HDI ploča

Visokofrekventne tiskane ploče namijenjene su radaru, testnim instrumentima, automobilskim sustavima za izbjegavanje sudara, komunikacijskim satelitima, bežičnim sustavima i drugim područjima. HDI (High Density Interconnect) ploče namijenjene su malim uređajima s mnogo komponenti. HDI često koristi dvostrane ploče u proizvodima malog obujma.

Visokofrekventna ploča zahtijeva vrlo visoku kontrolu procesa i preciznost. Dizajneri često počinju s FR-4 stakloepoksidom, ali prave visokofrekventne ploče koriste posebne laminate. Ploča mora imati malu i stabilnu dielektričnu konstantu, niske dielektrične gubitke, nisku apsorpciju vode, visoku temperaturnu toleranciju i dobru otpornost na koroziju.

HDI ploča koristi mikro slijepe vias-ove kako bi postigla visoku gustoću rute. Ima unutrašnje i vanjske rute koje se povezuju bušenjem i presvlačenjem. HDI je namijenjen kompaktnim proizvodima. Neki HDI dizajni koriste modularne paralelne module i snažnu DSP kontrolu za karakteristike napajanja i opterećenja.

Tipovi / klasifikacija visokofrekventnih ploča

U nastavku su uobičajene vrste i napomene o njihovoj obradi:

1. Termorezina punjena prahom (keramički punjena)

• Materijali i dobavljači: Rogers 4350B / 4003C; Arlon 25N / 25FR; Taconic TLG serija.

• Obrada: Koraci su slični FR-4 epoksidnim staklenim laminatima. Međutim, ploče su krhke i lako se lome. Vijek trajanja bušilica i nastavaka za glodalicu smanjuje se za otprilike 20%. Rukujte s oprezom.

2. PTFE (politetraflouroetilen, Teflon)

• Materijali i dobavljači:

  • Rogers: serija RO3000, serija RT, serija TMM

  • Arlon: serije AD/AR, IsoClad, serije CuClad

  • Taconic: RF serija, TLX serija, TLY serija

  • Taixing Microwave: F4B / F4BM / F4BK / TP-2B

• Napomene za obradu PTFE-a:

  • Prilikom rezanja nezaštićenih listova držite zaštitnu foliju kako biste izbjegli ogrebotine i tragove prešanja.

  • Koristite nove bušilice (preporučuju se standardne bušilice #130). Za najbolje rezultate bušite jednu ploču odjednom. Održavajte pritisak stezaljke na ~40 psi.

  • Koristite aluminijsku potporu i melaminske podloške debljine 1 mm za držanje PTFE-a tokom bušenja.

  • Nakon bušenja, izduvajte prašinu iz rupa toplim zrakom.

  • Koristite stabilnu bušilicu. Za male rupe povećajte brzinu i smanjite opterećenje strugotine i brzinu povratka vretena.

  • Tretman površine otvora: niska-temperaturna plazma ili aktivacija natrijevim naftalensulfonatom pomažu metalizaciji otvora.

  • PTH (plated through hole) taloženje bakra i njegovo prianjanje zahtijevaju pažnju.

3. Depozicija bakra PTH

• Nakon mikro-graviranja (kontrola od ~20 mikroinča), izvršite PTH. Ako je potrebno, izvršite drugi prolaz PTH prema zahtjevima rute na ploči.

4. Proces maske za lemljenje (zelena maska)

• Priprema: koristiti kiselinsko/alkalno čišćenje; izbjegavati mehaničko brušenje.

• Nakon predtretmana, ispecite ploču (90 °C, 30 min) i nanesite suhi film.

• Pecite u tri faze: 80 °C, 100 °C, 150 °C, po 30 minuta. Ako maska pokaže masne mrlje, uklonite masku i ponovite postupak aktivacije.

5. Ruterisanje PTFE ploča

• Koristite tanak papir na strani PTFE traga i stegnite ga FR-4 ili fenolnom podlogom tokom provlačenja.

• Nakon routanja, ručno doradite i uklonite hrapavosti na ivicama i pažljivo pregledajte. Izbjegavajte oštećenje bakra i površine ploče. Koristite odvojni papir bez sumpora. Dobro smanjite hrapavosti. Korak routanja mora ostaviti dobru završnu obradu ivica.

Proces proizvodnje visokofrekventnih PTFE ploča

Ispod su tri uobičajena toka procesa. Stavila sam ih u tabelu radi jasnoće.

Napomena: Svaki korak procesa mora strogo kontrolisati ogrebotine na površini i druge nedostatke.

Primjene visokofrekventnih tiskanih pločica

Visokofrekventne tiskane ploče se obično pojavljuju u:

• Pojačala snage i pojačala s niskom bukom (LNA)

• Proizvodi za mobilnu komunikaciju i pametni sistemi rasvjete

• Raspodjelači snage, spojnici, duplexeri, filtri i drugi pasivni uređaji

• Sistemi za izbjegavanje sudara u automobilima, komunikacijski sateliti, bežični telefonski sistemi

• Ukratko, elektronika prelazi na više frekvencije, a visokofrekventne ploče prate taj trend.

Kako dizajnirati visokofrekventne štampane pločice

U dizajnu visokofrekventnih tiskanih pločica raspored napojne ravnine je ključan. Obično se napajanje postavlja na vlastiti sloj. To pomaže krugu da prati put najmanje impedancije. Napojna ravnina mora osigurati povratne puteve za sve signale na tiskanoj pločici. To smanjuje površinu petlje i smanjuje šum. Dizajneri niskih frekvencija često zanemaruju neke od ovih problema sa šumom.

Slijedite ova pravila pri dizajniranju visokofrekventnih PCB-ova:

• Održavajte napajanje i masu stabilnim i ujednačenim.

• Pažljivo usmjeravanje i ispravno završavanje uklanjaju odraze.

• Pažljivo usmjeravanje i ispravno završavanje smanjuju kapacitivnost i izmjereni preslušaj.

Ispod proširujem nekoliko ključnih tema.

(1) Širina prenosne linije

Širina vodova u visokofrekventnom dizajnu tiskanih pločica mora slijediti teoriju usklađivanja impedanse.

Prilagođavanje impedanse
Kada se impedansa ulaza/izlaza i impedansa talasnog vodova podudaraju, sistem daje maksimalnu izlaznu snagu i minimalan odraz. Za mikrotalasne sklopove usklađivanje mora također uzeti u obzir tačke polarnosti uređaja. Probojni otvori na signalnim vodovima mijenjaju njihova svojstva prijenosa. Za TTL i CMOS karakteristična impedansa je visoka, pa je utjecaj mali. Ali kod RF vodova niske impedanse od 50 Ω probojni otvori moraju se uzeti u obzir. Obično se izbjegavaju probojni otvori na takvim vodovima.

(2) Kros-talk između paralelnih prenosnih linija

Kada se dvije mikrostrip linije nalaze blizu i paralelno, dolazi do kupiranja. To uzrokuje preslušavanje i mijenja karakterističnu impedanciju linije. Obratite pažnju na 50 Ω i 75 Ω krugove. Projektanti mogu koristiti kupiranje za neke funkcije, kao što su smjernični kupiri ili mjerenje snage. Primjeri vrijednosti iz jednog dizajna (1,97 GHz PCS krajnja bazna stanica pojačalo, dielektrični εr = 3,48):

• Za 10 dB smjernog spojnika: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil

• Za 20 dB smjernog koplera: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil

Da biste smanjili preslušavanje, slijedite ova pravila:

A. Održavajte razmak S između visokofrekventnih ili visokobrzinskih paralelnih linija najmanje jednu širinu linije.
B. Smanjite paralelnu dužinu gdje je to moguće.
C. Držite male visokofrekventne signale podalje od napojnih i logičkih linija koje mogu uzrokovati snažne smetnje.

(3) Uzemljenje putem elektromagnetske analize

Za pinove zemlje integrisanih kola ili druge pinove zemlje, postavite zemljane vijase blizu pinova u visokofrekventnim sklopovima. Ideja: kratak vod do zemlje djeluje kao induktivna impedansa. Zemljani via također izgleda kao induktivna komponenta. To utječe na funkciju filtera. Zato postavite zemljane vijase blizu pinova. Da biste smanjili induktivno opterećenje, koristite više zemljanih vijasa nego na niskofrekventnim pločama. To povećava kapacitet struje u zemlji i pomaže da se sve tačke održe blizu 0 V.

(4) Filtriranje po snazi

Za TTL i CMOS dizajneri dodaju bypass kondenzatore blizu pinova napajanja kako bi smanjili logičku buku. Za visokofrekventne i mikrotalasne sklopove to nije dovoljno. Visokofrekventni signali stvaraju visokofrekventne smetnje na napajanju. Koristite serijske induktoore i kondenzatore. Odaberite induktoore prema radnoj frekvenciji. Primjer: za filtriranje šuma iznad 1 MHz s C = 0,1 μF, odaberite L = 1 μH. Budite oprezni pri dodavanju indukansnosti na pinove signala s otvorenim kolektorom. Induktor tada djeluje kao prilagodna indukansnost.

(5) Oklopljenje

Koristite oklopljenje za zaštitu malih ili visokofrekventnih signala. To smanjuje snažne interferencije signala i smanjuje EMI. Neke smjernice:

A. U niskofrekventnim digitalnim/analognim (<30 MHz) malosignalnim projektima odvojite digitalnu i analognu masu i ulijte plosnatu masu u malosignalne zone. Održavajte udaljenost između ulivene mase i tragova veću od širine traga.

B. U dizajnu malih signala na visokim frekvencijama, dodajte zaštitne limene posude ili prošivene uzemljene vias kako biste izolirali područja.

C. Za visokosilovne visokofrekventne sklopove, odvojite visokofrekventni dio u zaseban funkcionalni modul i dodajte metalnu zaštitnu kutiju kako biste smanjili zračenje. Na primjer, moduli optičkih vlakana za prijenos podataka pri brzinama od 155 M, 622 M ili 2 Gb/s.

Višeslojna tiskanica za mobilni telefon (primjer: Nokia 6110) može smjestiti komponente na obje strane i koristiti unutrašnja masovna tla, kao što je prikazano na originalnoj slici. (Reference na slike su ovdje izostavljene.)

Primjeri izbora materijala za visoke ormare

Ispod su primjeri ploča koje smo dizajnirali i otklonili greške:

Koristite ove kao primjere. Svaki projekt zahtijeva vlastiti materijal i odabir debljine.

Zahtjevi za materijal visokofrekventnih tiskanih pločica

Dizajneri bi trebali provjeriti ove ključne svojstva materijala:

1. Dielektrični gubici (Df, tangens ugla gubitka) Mora biti vrlo malo. Mali gubitak znači manje slabljenja signala.

2. Niska apsorpcija vode je važno. Visok unos vode mijenja dielektričnu konstantu i gubitke.

3. Dielektrična konstanta (DK) Mora biti nizak i stabilan. Niži DK omogućava veću brzinu signala. Stabilnost DK-a također pomaže u kontroli impedanse.

4. CTE i toplotna podudarnost Razlika između bakarne folije i podloge mora biti slična. Velika razlika pri promjenama temperature može uzrokovati delaminaciju bakra.

Visoka frekvencija često podrazumijeva upotrebu fluoropolimernih podloga poput PTFE-a (poznatog kao Teflon).

Napomene i upozorenja za proizvodnju visokofrekventnih štampanih pločica

1. Kontrola impedanse je stroga. Tolerancija širine linije je uska. Tipična kontrolna tolerancija je ~ ±2%.

2. PTH adhezija je niska na posebnim materijalima. Koristite plazma brušenje površine za rupe i površine kako biste povećali prianjanje pri galvanizaciji i pri zaštitnom sloju za lemljenje.

3. Ne brusite ploču prije lemljenja. Ovo smanjuje prianjanje. Koristite samo mikro-etš otopine ili druge metode hrapavljenja.

4. PTFE ploče često uzrokuju hrapave rubove standardnim alatima za glodanje. Koristite posebne frezne glave i slijedite prakse za rušanje PTFE-a.

Kratak zaključak

Visokofrekventne tiskane ploče zahtijevaju posebne materijale i pažljivu kontrolu procesa. Odaberite materijal koji odgovara vašim frekvencijskim i toplinskim potrebama. Kontrolirajte impedanciju i postavite masovne prolaze blizu. Koristite zaštitu i ispravno filtriranje napajanja. Slijedite posebne korake rukovanja za PTFE i druge mikrotalasne laminate. Ovi koraci poboljšavaju performanse i iskoristivost u visokofrekventnim sklopovima.