Hvad er et højfrekvent printkort?

A Højfrekvent PCB er et særligt printkort (PCB), der bruges til signaler med høj elektromagnetisk frekvens. Disse print er til radiofrekvenser over ca. 300 MHz (bølgelængde < 1 m) og til mikrobølgefrekvenser over ca. 3 GHz (bølgelængde < 0,1 m). De fremstilles på kobberbeklædte laminater på mikrobølgebasis. Produktionen kan ske ved hjælp af nogle standardtrin for stive printkort eller ved hjælp af særlige metoder til disse materialer.

Med de hurtige teknologiske fremskridt arbejder flere enheder i mikrobølgebåndet (>1 GHz) og endda i millimeterbølgeområdet (>30 GHz). Det betyder, at frekvenserne stiger, og at materialebehovet øges. Basismaterialer skal have meget gode elektriske egenskaber og god kemisk stabilitet. Når signalfrekvensen stiger, skal materialetabet være meget lavt. Med ankomsten af 5G blev højfrekvente materialer vigtigere.

Fordele ved højfrekvente printkort

1. Høj effektivitet
Materialer med lav dielektrisk konstant giver lavt tab. Moderne induktionsopvarmning og andre metoder kan nå målene og holde en høj effektivitet. Disse plader hjælper også med at reducere affald og passer til grønne mål.

2. Høj hastighed
Signalhastigheden er omvendt proportional med kvadratroden af den dielektriske konstant. Lavere dielektrisk konstant betyder hurtigere transmission. Særlige materialer holder dielektricitetskonstanten lav og stabil. Det hjælper på signaloverførslen.

3. God kontrol af opvarmning eller forarbejdning
Højfrekvenstavler bruges på mange områder, hvor der er brug for præcis opvarmning af metaldele. Du kan styre, hvor dybt eller hvor der skal varmes. Du kan fokusere på overflade- eller dybdeopvarmning. Man kan varme fokuseret eller spredt. Tavlen giver mulighed for fin kontrol.

4. Stærk holdbarhed
Dielektrisk konstant og dielektrisk materiale afhænger af miljøet. I fugtige områder skader fugt tavlerne. Højfrekvente plader fremstillet af materiale med lav vandabsorption modstår dette. De modstår kemisk korrosion, fugt, høj varme og har høj afskalningsstyrke. Disse egenskaber gør dem stærke i hårde miljøer.

Almindelige højfrekvente og højhastigheds PCB-materialer

(Brug disse eksempler på materialer som udgangspunkt. Hvert design har brug for det rigtige materialevalg i forhold til frekvens og layout).

Forskellen mellem højfrekvente kort og HDI-kort

Højfrekvente printkort er til radar, testinstrumenter, kollisionsforebyggende systemer til biler, kommunikationssatellitter, trådløse systemer og andre områder. HDI-kort (High Density Interconnect) er til små enheder med mange komponenter. HDI bruger ofte dobbeltsidede print i produkter med lille volumen.

Et højfrekvent kort kræver meget høj proceskontrol og præcision. Mange gange starter designere med FR-4 glasepoxy, men ægte højfrekvenskort bruger specielle laminater. Kortet skal have en lille og stabil dielektrisk konstant, lavt dielektrisk tab, lav vandabsorption, høj temperaturtolerance og god korrosionsbestandighed.

Et HDI-kort bruger micro blind vias til at opnå en høj routing-tæthed. Det har intern og ekstern routing, der forbindes ved at bore og plettere. HDI er til kompakte produkter. Nogle HDI-designs bruger modulære parallelle moduler og stærk DSP-kontrol til strøm- og belastningsfunktioner.

Typer/klassificering af højfrekvente tavler

Nedenfor er almindelige typer og bemærkninger om deres behandling:

1. Pulverfyldt hærdeplast (keramikfyldt)

• Materialer og leverandører: Rogers 4350B / 4003C; Arlon 25N / 25FR; Taconic TLG-serien.

• Forarbejdning: Fremgangsmåden svarer til FR-4 epoxyglaslaminater. Men pladerne er skøre og lette at ødelægge. Levetiden for bor og overfræserbits falder til ca. 20%. Håndteres med forsigtighed.

2. PTFE (polytetrafluorethylen, teflon)

• Materialer og leverandører:

  • Rogers: RO3000-serien, RT-serien, TMM-serien

  • Arlon: AD/AR-serien, IsoClad, CuClad-serien

  • Taconic: RF-serien, TLX-serien, TLY-serien

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

• Bemærkninger om forarbejdning af PTFE:

  • Behold beskyttelsesfilmen, når du skærer i rå plader, for at undgå ridser og trykmærker.

  • Brug nye bor (standard #130-bor anbefales). Det bedste resultat opnås ved at bore et ark ad gangen. Hold klemmetrykket på ca. 40 psi.

  • Brug bagstop i aluminium og 1 mm melaminpuder til at holde PTFE under boringen.

  • Blæs støv ud af hullerne med varm luft efter boringen.

  • Brug en stabil boremaskine. Ved små huller skal du øge hastigheden og reducere spånbelastningen og spindelens returhastighed.

  • Overfladebehandling af huller: Plasma ved lav temperatur eller natriumnaphthalen-aktivering hjælper med at metallisere hullerne.

  • PTH (plated through hole) kobberaflejring og vedhæftning kræver opmærksomhed.

3. Aflejring af PTH-kobber

• Efter mikroætsning (~20 mikrotommers kontrol) udføres PTH. Kør om nødvendigt endnu en PTH-gang, som det kræves af kortets routing.

4. Loddemaske (grøn maske) proces

• Forbehandling: Brug syre/alkalisk rengøring; undgå mekanisk slibning.

• Efter forbehandlingen bages pladen (90 °C i 30 minutter), og der påføres tør film.

• Bag i tre etaper: 80°C, 100°C, 150°C, 30 minutter hver. Hvis masken viser oliepletter, skal du fjerne masken og gentage aktiveringsbehandlingen.

5. Fræsning af PTFE-plader

• Brug tyndt papir på PTFE-sporesiden, og klem med FR-4 eller phenolbagside under routing.

• Efter fræsning skal du efterbehandle kantgrater i hånden og inspicere omhyggeligt. Undgå at beskadige kobber og kortets overflade. Brug svovlfrit separationspapir. Reducer grater godt. Fræsetrinnet skal efterlade en god kantfinish.

Produktionsflow for højfrekvente PTFE-plader

Nedenfor ses tre almindelige procesforløb. Jeg har sat dem ind i en tabel for overskuelighedens skyld.

Bemærk: Hvert procestrin skal kontrollere overfladeridser og andre defekter nøje.

Anvendelser af højfrekvente printkort

Højfrekvente PCB'er forekommer ofte i:

• Effektforstærkere og forstærkere med lav støj (LNA)

• Mobilkommunikationsprodukter og intelligente belysningssystemer

• Effektdelere, koblere, duplexere, filtre og andre passive enheder

• Systemer til undgåelse af bilkollisioner, kommunikationssatellitter, trådløse telefonsystemer

• Kort sagt bevæger elektronikken sig mod højere frekvenser, og højfrekvenskort følger denne tendens.

Sådan designer du højfrekvente printkort

I højfrekvent PCB-design er layoutet af strømforsyningen kritisk. Normalt placeres strømmen på sit eget lag. Det hjælper kredsløbet med at følge stien med mindst mulig impedans. Strømforsyningen skal give returveje til alle signaler på printet. Det sænker looparealet og reducerer støj. Lavfrekvensdesignere ignorerer ofte nogle af disse støjproblemer.

Følg disse regler ved design af højfrekvente printkort:

• Hold magten og jorden stabil og forenet.

• Omhyggelig routing og korrekt afslutning fjerner refleksioner.

• Omhyggelig routing og korrekt afslutning reducerer kapacitansen og den målte krydstale.

Nedenfor uddyber jeg flere centrale emner.

(1) Transmissionslinjens bredde

Transmissionslinjebredden i højfrekvent PCB-design skal følge teorien om impedanstilpasning.

Impedanstilpasning
Når indgangs-/udgangsimpedans og transmissionslinjeimpedans matcher, giver systemet maksimal udgangseffekt og minimal refleksion. For mikrobølgekredsløb skal matchning også tage højde for enhedens biaspunkter. Vias på signallinjer ændrer transmissionsegenskaberne. For TTL og CMOS er den karakteristiske impedans høj, så effekten er lille. Men for 50 Ω RF-linjer med lav impedans skal vias overvejes. Undgå normalt vias på sådanne linjer.

(2) Crosstalk mellem parallelle transmissionslinjer

Når to mikrostrip-linjer løber tæt og parallelt, opstår der kobling. De forårsager krydstale og ændrer linjens karakteristiske impedans. Vær opmærksom på 50 Ω- og 75 Ω-kredsløb. Designere kan bruge kobling til nogle funktioner, f.eks. retningsbestemte koblinger eller effektmåling. Eksempel på værdier fra et design (1,97 GHz PCS end base station amplifier, dielektrisk εr = 3,48):

• For en 10 dB retningskobler: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil

• For en 20 dB retningskobler: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil

Følg disse regler for at reducere crosstalk:

A. Hold afstanden S mellem højfrekvente eller højhastigheds parallelle linjer på mindst en linjebredde.
B. Skær parallelle længder ned, hvor det er muligt.
C. Hold små højfrekvente signaler væk fra strøm- og logiklinjer, der kan forårsage stærk interferens.

(3) Jord via elektromagnetisk analyse

Til IC-jordstifter eller andre jordstifter skal du lægge jordledninger tæt på stifterne i højfrekvente kredsløb. Ideen er, at en kort jordforbindelse fungerer som en induktiv impedans. Jordgennemføringer ser også induktive ud. Det påvirker filterfunktionen. Det er derfor, man skal placere jordingsvias tæt på stifterne. For at reducere den induktive belastning skal du bruge flere jordgennemføringer end på lavfrekvente kort. Det øger jordstrømskapaciteten og hjælper med at holde alle punkter nær 0 V.

(4) Filtrering af strøm

Til TTL og CMOS tilføjer designerne bypass-kondensatorer i nærheden af strømstifterne for at reducere logisk støj. For højfrekvens- og mikrobølgekredsløb er det ikke nok. Højfrekvente signaler skaber højfrekvent interferens på strømmen. Brug serieinduktorer og kondensatorer. Vælg induktorer efter arbejdsfrekvens. Eksempel: For at filtrere >1 MHz-støj med C = 0,1 μF skal du vælge L = 1 μH. Vær forsigtig, når du tilføjer induktans på signalstifter med åbent kredsløb. Induktoren fungerer så som en matchende induktans.

(5) Afskærmning

Brug afskærmning til at beskytte små eller højfrekvente signaler. Det reducerer stærk signalinterferens og reducerer EMI. Nogle retningslinjer:

A. I lavfrekvente digitale/analoge (<30 MHz) småsignaldesigns skal du opdele digitale og analoge jordinger og hælde jordplan i småsignalzoner. Hold afstanden mellem jordplan og spor større end sporbredden.

B. I højfrekvente digitale/analoge småsignaldesign skal du tilføje afskærmningsdåser eller syede jordforbindelser for at isolere områder.

C. For højfrekvente kredsløb med høj effekt skal du gøre den højfrekvente del til et separat funktionsmodul og tilføje en metalafskærmningsboks for at sænke strålingen. For eksempel transceivermoduler med optisk fiber ved 155 M, 622 M eller 2 Gb/s.

Et flerlags printkort til en mobiltelefon (eksempel: Nokia 6110) kan placere komponenter på begge sider og bruge interne jordforbindelser som vist i den oprindelige figur. (Figurreferencer er udeladt her.)

Eksempler på materialevalg til høje tavler

Nedenfor er der eksempler på kort, som vi har designet og fejlsøgt:

Brug disse som eksempler. Hvert projekt kræver sit eget valg af materiale og tykkelse.

Krav til højfrekvente PCB-materialer

Designere bør tjekke disse vigtige materialeegenskaber:

1. Dielektrisk tab (Df, tabstangent) skal være meget lille. Lille tab betyder mindre signaldæmpning.

2. Lav vandabsorption er vigtig. Højt vandoptag ændrer dielektrisk konstant og tab.

3. Dielektrisk konstant (DK) skal være lav og stabil. Lavere DK giver højere signalhastighed. DK-stabilitet hjælper også med impedansstyring.

4. CTE og termisk match mellem kobberfolie og base skal være ens. Stor uoverensstemmelse over temperaturændringer kan forårsage delaminering af kobber.

Høj frekvens betyder ofte brug af fluorpolymersubstrater som PTFE (kendt som teflon).

Produktionsanvisninger og forsigtighedsregler for højfrekvente printkort

1. Impedansstyringen er streng. Tolerancen for linjebredde er snæver. Typisk kontroltolerance ~ ±2%.

2. PTH's vedhæftning er lav på specielle materialer. Brug plasmaoverfladeruhed til huller og overflader for at øge vedhæftningen til plettering og lodderesist.

3. Slib ikke pladen før lodning. Det reducerer vedhæftningen. Brug kun mikroætseløsninger eller andre ruhedsmetoder.

4. PTFE-plader giver ofte ru kanter med almindelige fræseværktøjer. Brug specielle fræsebits og følg PTFE-fræsningspraksis.

Kort konklusion

Højfrekvente printkort kræver særlige materialer og omhyggelig processtyring. Vælg et materiale, der passer til din frekvens og dine termiske behov. Kontroller impedansen, og placer jordforbindelserne tæt. Brug afskærmning og korrekt effektfiltrering. Følg særlige håndteringstrin for PTFE og andre mikrobølgelaminater. Disse trin forbedrer ydeevnen og udbyttet i højfrekvente kredsløb.