Co je vysokofrekvenční deska plošných spojů

A vysokofrekvenční PCB je speciální deska s plošnými spoji (PCB), která se používá pro signály s vysokou elektromagnetickou frekvencí. Tyto desky jsou určeny pro rádiové frekvence nad přibližně 300 MHz (vlnová délka < 1 m) a pro mikrovlnné frekvence nad přibližně 3 GHz (vlnová délka < 0,1 m). Jsou vyrobeny na laminátech s měděným pláštěm na mikrovlnné bázi. Při výrobě lze použít některé standardní kroky pro pevné desky plošných spojů nebo použít speciální metody pro tyto materiály.

S rychlým technologickým pokrokem pracuje stále více zařízení v mikrovlnném pásmu (> 1 GHz) a dokonce i v pásmu milimetrových vln (> 30 GHz). To znamená, že se zvyšují frekvence a roste potřeba materiálu. Základní materiály musí mít velmi dobré elektrické vlastnosti a dobrou chemickou stabilitu. S rostoucí frekvencí signálu musí ztráty materiálu zůstat velmi nízké. S příchodem 5G se zvýšil význam vysokofrekvenčních materiálů.

Výhody vysokofrekvenčních desek plošných spojů

1. Vysoká účinnost
Materiály s nízkou dielektrickou konstantou způsobují nízké ztráty. Moderní indukční ohřev a další metody mohou zasáhnout cíle a zachovat vysokou účinnost. Tyto desky také pomáhají snižovat množství odpadu a odpovídají ekologickým cílům.

2. Vysoká rychlost
Rychlost signálu je nepřímo úměrná druhé odmocnině dielektrické konstanty. Nižší dielektrická konstanta znamená rychlejší přenos. Speciální materiály udržují nízkou a stabilní dielektrickou konstantu. To napomáhá přenosu signálu.

3. Dobrá kontrola ohřevu nebo zpracování
Vysokofrekvenční desky se používají v mnoha oborech, které vyžadují přesný ohřev kovových dílů. Můžete ovládat, jak hluboko nebo kde se má ohřívat. Můžete se zaměřit na povrchový nebo hloubkový ohřev. Můžete ohřívat cíleně nebo rozprostřeně. Deska umožňuje jemnou regulaci.

4. Silná odolnost
Dielektrická konstanta a dielektrický materiál závisí na prostředí. Ve vlhkých oblastech deskám škodí vlhkost. Vysokofrekvenční desky vyrobené z materiálu s nízkou absorpcí vody jí odolávají. Odolávají chemické korozi, vlhkosti, vysokým teplotám a mají vysokou pevnost v odlupování. Díky těmto vlastnostem jsou odolné v náročných prostředích.

Běžné vysokofrekvenční a vysokorychlostní materiály pro desky plošných spojů

(Jako výchozí bod použijte tyto ukázkové materiály. Každý návrh potřebuje správnou volbu materiálu pro frekvenci a uspořádání.)

Rozdíl mezi vysokofrekvenčními deskami a deskami HDI

Vysokofrekvenční desky plošných spojů jsou určeny pro radary, testovací přístroje, automobilové systémy pro odvrácení kolize, komunikační satelity, bezdrátové systémy a další oblasti. Desky HDI (High Density Interconnect) jsou určeny pro malá zařízení s mnoha součástkami. HDI často používá oboustranné desky ve výrobcích s malým objemem.

Vysokofrekvenční deska vyžaduje velmi vysokou kontrolu a přesnost procesu. Konstruktéři často vycházejí z epoxidového skla FR-4, ale skutečné vysokofrekvenční desky používají speciální lamináty. Deska musí mít malou a stabilní dielektrickou konstantu, nízké dielektrické ztráty, nízkou absorpci vody, vysokou teplotní toleranci a dobrou odolnost proti korozi.

Deska HDI používá mikro slepé průchodky k dosažení vysoké hustoty směrování. Má vnitřní a vnější směrování, které se spojuje vrtáním a pokovováním. HDI je určena pro kompaktní výrobky. Některé konstrukce HDI používají modulární paralelní moduly a silné řízení DSP pro výkonové a zátěžové funkce.

Typy / klasifikace vysokofrekvenčních desek

Níže jsou uvedeny běžné typy a poznámky k jejich zpracování:

1. Práškově plněné termosety (plněné keramikou)

• Materiály a dodavatelé: Rogers 4350B / 4003C; Arlon 25N / 25FR; Taconic TLG series.

• Zpracování: Kroky jsou podobné jako u epoxidových skelných laminátů FR-4. Desky jsou však křehké a snadno se lámou. Životnost nástrojů pro vrtáky a frézy klesá přibližně o 20%. Zacházejte s nimi opatrně.

2. PTFE (polytetrafluoretylen, teflon)

• Materiály a dodavatelé:

  • Rogers: Řada RO3000, řada RT, řada TMM

  • Arlon: Řada AD/AR, IsoClad, CuClad

  • Taconic: Řada RF, řada TLX, řada TLY

  • Mikrovlnná trouba Taixing: F4B / F4BM / F4BK / TP-2B

• Poznámky ke zpracování PTFE:

  • Při řezání surových listů si ponechte ochrannou fólii, abyste zabránili poškrábání a otiskům po lisování.

  • Použijte nové vrtáky (doporučujeme standardní vrtáky #130). Nejlepších výsledků dosáhnete, když budete vrtat po jednom listu. Udržujte upínací tlak na ~40 psi.

  • Při vrtání použijte hliníkovou podložku a 1mm melaminové podložky, které drží teflon.

  • Po vrtání vyfoukejte prach z otvorů horkým vzduchem.

  • Používejte stabilní vrtačku. U malých otvorů zvyšte otáčky a snižte zatížení třískami a rychlost návratu vřetena.

  • Povrchová úprava otvorů: nízkoteplotní plazma nebo aktivace naftalínem sodným napomáhají metalizaci otvorů.

  • Je třeba věnovat pozornost usazování a přilnavosti mědi PTH (pokovené otvorem).

3. Usazování mědi PTH

• Po mikroleptání (kontrola ~20 mikroinchů) proveďte PTH. V případě potřeby proveďte druhý průchod PTH podle požadavků na trasování desky.

4. Proces pájení (zelená maska)

• Předběžná úprava: použijte kyselé/alkalické čištění; vyhněte se mechanickému broušení.

• Po předzpracování desku zapečte (90 °C po dobu 30 minut) a naneste suchou fólii.

• Pečte ve třech fázích: 80 °C, 100 °C, 150 °C, vždy 30 minut. Pokud se na masce objeví olejové skvrny, masku sejměte a aktivační ošetření opakujte.

5. Frézování / frézování teflonových desek

• Při trasování použijte tenký papír na teflonové straně a upněte jej pomocí FR-4 nebo fenolové podložky.

• Po frézování ručně dočistěte otřepy na hranách a pečlivě je zkontrolujte. Vyvarujte se poškození mědi a povrchu desky. Používejte separační papír bez obsahu síry. Dobře redukujte otřepy. Krok frézování musí zanechat dobrou povrchovou úpravu hran.

Výrobní postup pro vysokofrekvenční teflonové desky

Níže jsou uvedeny tři běžné procesy. Pro přehlednost je uvádím v tabulce.

Poznámka: Každý krok procesu musí přísně kontrolovat poškrábání povrchu a jiné vady.

Aplikace vysokofrekvenčních desek plošných spojů

Vysokofrekvenční PCB se běžně vyskytují v:

• Výkonové zesilovače a nízkošumové zesilovače (LNA)

• Mobilní komunikační produkty a inteligentní osvětlovací systémy

• Děliče výkonu, spojky, duplexery, filtry a další pasivní zařízení

• Automobilové systémy pro předcházení kolizím, komunikační satelity, bezdrátové telefonní systémy.

• Stručně řečeno, elektronika přechází na vyšší frekvence a vysokofrekvenční desky tento trend následují.

Jak navrhovat vysokofrekvenční desky plošných spojů

Při návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů je rozložení napájecí roviny kritické. Napájení se obvykle umisťuje na vlastní vrstvu. To pomáhá obvodu sledovat cestu nejmenší impedance. Napájecí rovina musí zajistit zpětné cesty pro všechny signály na desce plošných spojů. To snižuje plochu smyčky a snižuje šum. Nízkofrekvenční návrháři často některé z těchto problémů s šumem ignorují.

Při návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů dodržujte tato pravidla:

• Udržujte stabilní a jednotnou sílu a půdu.

• Pečlivé směrování a správné zakončení odstraňuje odrazy.

• Pečlivé směrování a správné zakončení snižují kapacitu a měřené přeslechy.

Níže rozvádím několik klíčových témat.

(1) Šířka přenosového vedení

Šířka přenosového vedení při návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů se musí řídit teorií impedančního přizpůsobení.

Impedanční přizpůsobení
Pokud se vstupní/výstupní impedance a impedance přenosového vedení shodují, systém poskytuje maximální výstupní výkon a minimální odraz. U mikrovlnných obvodů musí přizpůsobení zohledňovat také body předpětí zařízení. Vias na signálových vedeních mění přenosové vlastnosti. U TTL a CMOS je charakteristická impedance vysoká, takže vliv je malý. Ale u VF vedení s nízkou impedancí 50 Ω je třeba průchodky zohlednit. Obvykle se průchodkám na takových vedeních vyhněte.

(2) Přeslechy mezi paralelními přenosovými vedeními

Pokud jsou dvě mikropásková vedení vedena blízko sebe a paralelně, dochází k vazbě. Vznikají přeslechy a mění se charakteristická impedance vedení. Pozornost věnujte obvodům 50 Ω a 75 Ω. Konstruktéři mohou spojování využít pro některé funkce, jako jsou směrové vazební členy nebo měření výkonu. Příklad hodnot z jednoho návrhu (koncový zesilovač základnové stanice PCS 1,97 GHz, dielektrikum εr = 3,48):

• Pro směrovou spojku 10 dB: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil.

• Pro směrový vazební člen 20 dB: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil.

Chcete-li omezit přeslechy, dodržujte tato pravidla:

A. Mezi vysokofrekvenčními nebo vysokorychlostními rovnoběžnými linkami udržujte odstup S alespoň na šířku jedné linky.
B. Pokud je to možné, zkraťte souběžnou délku.
C. Drobné vysokofrekvenční signály udržujte v dostatečné vzdálenosti od napájecích a logických linek, které mohou způsobovat silné rušení.

(3) Uzemnění pomocí elektromagnetické analýzy

U zemnicích vývodů integrovaného obvodu nebo jiných zemnicích vývodů umístěte zemnicí průchodky v blízkosti vývodů ve vysokofrekvenčních obvodech. Myšlenka: krátká zemní cesta se chová jako indukční impedance. Zemní průchodky také vypadají induktivně. To ovlivňuje funkci filtru. Proto umístěte zemnicí průchodky blízko vývodů. Chcete-li snížit induktivní zatížení, použijte více zemnicích průchodek než v nízkofrekvenčních deskách. To zvyšuje kapacitu zemního proudu a pomáhá udržet všechny body blízko 0 V.

(4) Filtrování výkonu

U TTL a CMOS přidávají konstruktéři v blízkosti napájecích pinů bypassové kondenzátory, aby snížili logický šum. U vysokofrekvenčních a mikrovlnných obvodů to nestačí. Vysokofrekvenční signály způsobují vysokofrekvenční rušení na napájení. Používejte sériové cívky a kondenzátory. Cívky vybírejte podle pracovní frekvence. Příklad: Chcete-li odfiltrovat šum > 1 MHz s C = 0,1 μF, zvolte L = 1 μH. Při přidávání indukčnosti na signálové kolíky s otevřeným obvodem kolektoru buďte opatrní. Induktor se pak chová jako přizpůsobovací indukčnost.

(5) Stínění

K ochraně malých nebo vysokofrekvenčních signálů použijte stínění. Tím se sníží rušení silných signálů a omezí se elektromagnetické rušení. Některé pokyny:

A. U nízkofrekvenčních digitálních/analogových (<30 MHz) malosignálových konstrukcí rozdělte digitální a analogové uzemnění a v malosignálových zónách zalijte zemnící rovinu. Udržujte vzdálenost mezi zemní rovinou a stopami větší, než je šířka stopy.

B. Při vysokofrekvenčním digitálním/analogovém návrhu malých signálů přidejte stínicí plechovky nebo prošité zemnicí průchodky, abyste izolovali oblasti.

C. U výkonných vysokofrekvenčních obvodů vytvořte vysokofrekvenční část jako samostatný funkční modul a přidejte kovovou stínicí skříňku pro snížení vyzařování. Například moduly optických vláknových transceiverů s rychlostí 155 M, 622 M nebo 2 Gb/s.

Vícevrstvá deska plošných spojů pro mobilní telefon (příklad: Nokia 6110) může obsahovat součástky na obou stranách a používat vnitřní zemnící vrstvy, jak je znázorněno na původním obrázku. (Odkazy na obrázek jsou zde vynechány.)

Příklady výběru materiálu pro vysoké desky

Níže jsou uvedeny příklady desek, které jsme navrhli a odladili:

Použijte je jako příklady. Každý projekt vyžaduje vlastní volbu materiálu a tloušťky.

Požadavky na materiál vysokofrekvenčních desek plošných spojů

Konstruktéři by měli zkontrolovat tyto klíčové vlastnosti materiálu:

1. Dielektrické ztráty (Df, ztrátový tangens) musí být velmi malé. Malé ztráty znamenají menší útlum signálu.

2. Nízká absorpce vody je důležitý. Vysoký příjem vody mění dielektrickou konstantu a ztráty.

3. Dielektrická konstanta (DK) musí být nízká a stabilní. Nižší DK poskytuje vyšší rychlost signálu. Stabilita DK také napomáhá impedančnímu řízení.

4. CTE a tepelná shoda mezi měděnou fólií a základnou musí být podobné. Velký nesoulad při změnách teploty může způsobit delaminaci mědi.

Vysoká frekvence často znamená použití fluoropolymerových substrátů, jako je PTFE (známý jako teflon).

Poznámky a upozornění k výrobě vysokofrekvenčních desek plošných spojů

1. Kontrola impedance je přísná. Tolerance šířky čáry je malá. Typická kontrolní tolerance ~ ±2%.

2. Adheze PTH je na speciálních materiálech nízká. Použijte plazmové zdrsnění povrchu otvorů a povrchů pro zvýšení přilnavosti pro pokovování a pájení.

3. Před pájením desku nebruste. Tím se snižuje přilnavost. Používejte pouze mikroleptací roztoky nebo jiné metody zdrsňování.

4. PTFE desky často způsobují hrubé hrany při použití standardních frézovacích nástrojů. Používejte speciální frézy a dodržujte postupy frézování PTFE.

Krátký závěr

Vysokofrekvenční desky plošných spojů vyžadují speciální materiály a pečlivou kontrolu procesu. Vyberte si materiál, který vyhovuje vašim frekvenčním a tepelným potřebám. Kontrolujte impedanci a pečlivě umístěte zemnicí průchodky. Používejte stínění a správnou filtraci napájení. Dodržujte speciální manipulační postupy pro PTFE a další mikrovlnné lamináty. Tyto kroky zlepšují výkon a výtěžnost vysokofrekvenčních obvodů.