Was ist eine Hochfrequenz-Leiterplatte?

A Hochfrequenz-Leiterplatte ist eine spezielle Leiterplatte (PCB), die für Signale mit hohen elektromagnetischen Frequenzen verwendet wird. Diese Leiterplatten sind für Radiofrequenzen über etwa 300 MHz (Wellenlänge < 1 m) und für Mikrowellenfrequenzen über etwa 3 GHz (Wellenlänge < 0,1 m) bestimmt. Sie werden auf mikrowellengeeigneten kupferkaschierten Laminaten hergestellt. Bei der Herstellung können einige Standardschritte für starre Leiterplatten oder spezielle Verfahren für diese Materialien angewandt werden.

Mit dem raschen technischen Fortschritt arbeiten immer mehr Geräte im Mikrowellenbereich (>1 GHz) und sogar im Millimeterwellenbereich (>30 GHz). Das bedeutet, dass die Frequenzen steigen und der Materialbedarf zunimmt. Die Basismaterialien müssen sehr gute elektrische Eigenschaften und eine gute chemische Stabilität aufweisen. Wenn die Signalfrequenz steigt, muss der Materialverlust sehr gering bleiben. Mit der Einführung von 5G werden Hochfrequenzmaterialien immer wichtiger.

Vorteile von Hochfrequenz-PCBs

1. Hohe Effizienz
Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante verursachen geringe Verluste. Mit moderner Induktionserwärmung und anderen Methoden können die Ziele erreicht und eine hohe Effizienz beibehalten werden. Diese Platten tragen auch zur Abfallvermeidung bei und entsprechen den Umweltzielen.

2. Hohe Geschwindigkeit
Die Signalgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante. Eine niedrigere Dielektrizitätskonstante bedeutet eine schnellere Übertragung. Spezielle Materialien halten die Dielektrizitätskonstante niedrig und stabil. Dies fördert die Signalübertragung.

3. Gute Kontrolle der Erhitzung oder Verarbeitung
Hochfrequenzplatten werden in vielen Bereichen eingesetzt, in denen eine präzise Erwärmung von Metallteilen erforderlich ist. Sie können steuern, wie tief oder wo erwärmt werden soll. Sie können sich auf die Oberflächen- oder Tiefenerwärmung konzentrieren. Sie können gezielt oder flächig erwärmen. Die Platte ermöglicht eine feine Steuerung.

4. Lange Lebensdauer
Die Dielektrizitätskonstante und das dielektrische Material hängen von der Umgebung ab. In feuchten Gebieten schadet Feuchtigkeit den Platten. Hochfrequenzplatinen aus Materialien mit geringer Wasseraufnahme sind dagegen resistent. Sie widerstehen chemischer Korrosion, Feuchtigkeit und großer Hitze und haben eine hohe Schälfestigkeit. Dank dieser Eigenschaften sind sie auch in schwierigen Umgebungen robust.

Gängige Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenmaterialien

(Verwenden Sie diese Beispielmaterialien als Ausgangspunkt. Jedes Design braucht die richtige Materialauswahl für Frequenz und Layout).

Unterschied zwischen Hochfrequenzplatinen und HDI-Platinen

Hochfrequenz-Leiterplatten werden für Radar, Testinstrumente, Kollisionsvermeidungssysteme für Kraftfahrzeuge, Kommunikationssatelliten, drahtlose Systeme und andere Bereiche verwendet. HDI-Leiterplatten (High Density Interconnect) sind für kleine Geräte mit vielen Komponenten gedacht. Bei HDI werden häufig doppelseitige Leiterplatten für Produkte mit geringem Volumen verwendet.

Eine Hochfrequenzplatine erfordert eine sehr hohe Prozesskontrolle und Präzision. Oftmals gehen die Entwickler von FR-4-Glasepoxid aus, doch für echte Hochfrequenzplatinen werden spezielle Laminate verwendet. Die Platine muss eine kleine und stabile Dielektrizitätskonstante, einen niedrigen dielektrischen Verlust, eine geringe Wasseraufnahme, eine hohe Temperaturtoleranz und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Eine HDI-Platine verwendet Mikro-Blind-Vias, um eine hohe Routing-Dichte zu erreichen. Sie verfügt über interne und externe Leiterbahnen, die durch Bohren und Plattieren verbunden werden. HDI ist für kompakte Produkte geeignet. Einige HDI-Designs verwenden modulare parallele Module und eine starke DSP-Steuerung für Leistungs- und Lastfunktionen.

Typen / Klassifizierung von Hochfrequenzplatinen

Nachfolgend sind gängige Typen und Hinweise zu ihrer Verarbeitung aufgeführt:

1. Pulvergefüllter Duroplast (keramikgefüllt)

• Materialien und Lieferanten: Rogers 4350B / 4003C; Arlon 25N / 25FR; Taconic TLG-Serie.

• Verarbeitung: Die Schritte sind ähnlich wie bei FR-4-Epoxidglaslaminaten. Allerdings sind die Platten spröde und leicht zu brechen. Die Standzeit für Bohrer und Fräser sinkt um 20%. Mit Vorsicht behandeln.

2. PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon)

• Materialien und Lieferanten:

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

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

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

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

• Verarbeitungshinweise für PTFE:

  • Achten Sie beim Schneiden von Rohplatten auf eine Schutzfolie, um Kratzer und Druckstellen zu vermeiden.

  • Verwenden Sie neue Bohrer (Standardbohrer #130 empfohlen). Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie jeweils ein Blatt bohren. Halten Sie den Klammerdruck bei ~40 psi.

  • Verwenden Sie einen Aluminium-Anschlag und 1 mm dicke Melaminpads, um PTFE während des Bohrens zu halten.

  • Blasen Sie nach dem Bohren den Staub mit Heißluft aus den Löchern.

  • Verwenden Sie eine stabile Bohrmaschine. Erhöhen Sie bei kleinen Löchern die Drehzahl und reduzieren Sie die Spanlast und die Spindelrücklaufgeschwindigkeit.

  • Oberflächenbehandlung der Löcher: Niedertemperatur-Plasma oder Natriumnaphthalin-Aktivierung unterstützen die Metallisierung der Löcher.

  • PTH (plated through hole) Kupferabscheidung und -haftung bedürfen der Aufmerksamkeit.

3. PTH-Kupferabscheidung

• Nach dem Mikro-Ätzen (~20 Mikroinch Kontrolle), PTH durchführen. Falls erforderlich, führen Sie einen zweiten PTH-Durchgang durch, wie es das Routing der Leiterplatte erfordert.

4. Verfahren der Lötmaske (grüne Maske)

• Vorbehandlung: saure/alkalische Reinigung; mechanisches Schleifen vermeiden.

• Nach der Vorverarbeitung wird die Platte gebacken (90°C für 30 Minuten) und mit einer trockenen Folie versehen.

• In drei Stufen backen: 80°C, 100°C, 150°C, jeweils 30 Minuten. Wenn die Maske Ölflecken aufweist, die Maske entfernen und die Aktivierungsbehandlung wiederholen.

5. Fräsen / Fräsen von PTFE-Platten

• Verwenden Sie dünnes Papier auf der PTFE-Leiterbahnseite und klemmen Sie es während des Fräsens mit FR-4 oder Phenolharz ab.

• Nach dem Fräsen die Kantengrate von Hand nachbearbeiten und sorgfältig prüfen. Vermeiden Sie Beschädigungen des Kupfers und der Platinenoberfläche. Verwenden Sie schwefelfreies Trennpapier. Reduzieren Sie die Grate gut. Der Fräsvorgang muss eine gute Kantenbearbeitung hinterlassen.

Produktionsablauf für Hochfrequenz-PTFE-Platten

Im Folgenden finden Sie drei gängige Prozessabläufe. Der Übersichtlichkeit halber habe ich sie in einer Tabelle zusammengefasst.

Hinweis: Bei jedem Prozessschritt müssen Oberflächenkratzer und andere Defekte streng kontrolliert werden.

Anwendungen von Hochfrequenz-PCBs

Hochfrequenz-PCB treten häufig in:

• Leistungsverstärker und rauscharme Verstärker (LNA)

• Mobile Kommunikationsprodukte und intelligente Beleuchtungssysteme

• Leistungsteiler, Koppler, Duplexer, Filter und andere passive Geräte

• Kollisionsvermeidungssysteme für Kraftfahrzeuge, Kommunikationssatelliten, drahtlose Telefonsysteme

• Kurz gesagt, die Elektronik bewegt sich hin zu höheren Frequenzen, und Hochfrequenzplatinen folgen diesem Trend.

Wie man Hochfrequenz-Leiterplatten entwirft

Beim Design von Hochfrequenz-Leiterplatten ist das Layout der Stromversorgungsebene entscheidend. Normalerweise wird die Stromversorgung auf einer eigenen Ebene untergebracht. Dies hilft der Schaltung, den Weg der geringsten Impedanz zu nehmen. Die Stromversorgungsebene muss Rückleitungen für alle Signale auf der Leiterplatte bereitstellen. Das verringert den Schleifenbereich und reduziert das Rauschen. Designer von Niederfrequenzschaltungen ignorieren oft einige dieser Rauschprobleme.

Befolgen Sie diese Regeln beim Entwurf von Hochfrequenz-Leiterplatten:

• Halten Sie Strom und Boden stabil und einheitlich.

• Durch sorgfältige Verlegung und korrekte Terminierung werden Reflexionen vermieden.

• Sorgfältiges Routing und korrekte Terminierung reduzieren die Kapazität und das gemessene Übersprechen.

Im Folgenden gehe ich auf einige wichtige Themen ein.

(1) Breite der Übertragungsleitung

Die Breite der Übertragungsleitung muss bei der Entwicklung von Hochfrequenz-Leiterplatten der Impedanzanpassungstheorie folgen.

Impedanzanpassung
Wenn die Eingangs-/Ausgangsimpedanz und die Impedanz der Übertragungsleitung übereinstimmen, bietet das System maximale Ausgangsleistung und minimale Reflexion. Bei Mikrowellenschaltungen müssen bei der Anpassung auch die Vorspannungspunkte der Geräte berücksichtigt werden. Durchkontaktierungen auf Signalleitungen verändern die Übertragungseigenschaften. Bei TTL- und CMOS-Schaltungen ist die charakteristische Impedanz hoch, so dass der Effekt gering ist. Bei 50 Ω-HF-Leitungen mit niedriger Impedanz müssen jedoch Durchkontaktierungen berücksichtigt werden. Normalerweise sollten Durchkontaktierungen auf solchen Leitungen vermieden werden.

(2) Nebensprechen zwischen parallelen Übertragungsleitungen

Wenn zwei Mikrostreifenleitungen eng und parallel verlaufen, kommt es zu einer Kopplung. Sie verursachen Übersprechen und ändern den Wellenwiderstand der Leitung. Achten Sie auf 50 Ω- und 75 Ω-Schaltungen. Konstrukteure können die Kopplung für einige Funktionen nutzen, z. B. für Richtungskoppler oder Leistungsmessungen. Beispielwerte aus einem Entwurf (1,97 GHz PCS-Endverstärker für Basisstationen, dielektrisches εr = 3,48):

• Für einen 10-dB-Richtungskoppler: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil

• Für einen 20-dB-Richtungskoppler: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil

Um das Übersprechen zu reduzieren, sollten Sie die folgenden Regeln beachten:

A. Der Abstand S zwischen parallelen Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitsleitungen muss mindestens eine Leitungsbreite betragen.
B. Schneiden Sie die parallele Länge nach Möglichkeit ab.
C. Halten Sie winzige Hochfrequenzsignale von Strom- und Logikleitungen fern, die starke Störungen verursachen können.

(3) Erdung über elektromagnetische Analyse

Bringen Sie für IC-Massestifte oder andere Massestifte in Hochfrequenzschaltungen Massedurchführungen in der Nähe der Stifte an. Die Idee: Ein kurzer Massepfad wirkt wie eine induktive Impedanz. Erdungsdurchführungen wirken ebenfalls induktiv. Dies beeinträchtigt die Filterfunktion. Aus diesem Grund sollten Sie Massebohrungen in der Nähe von Stiften anbringen. Um die induktive Last zu verringern, sollten Sie mehr Masse-Durchkontaktierungen als bei Niederfrequenzplatinen verwenden. Dies erhöht die Massestromkapazität und trägt dazu bei, dass alle Punkte nahe 0 V bleiben.

(4) Leistungsfilterung

Bei TTL- und CMOS-Schaltungen fügen die Entwickler Bypass-Kondensatoren in der Nähe der Versorgungspins hinzu, um das logische Rauschen zu reduzieren. Bei Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen reicht dies jedoch nicht aus. Hochfrequenzsignale verursachen hochfrequente Störungen auf der Stromversorgung. Verwenden Sie Serieninduktivitäten und -kondensatoren. Wählen Sie die Induktivitäten nach der Arbeitsfrequenz aus. Beispiel: zum Filtern von Rauschen >1 MHz mit C = 0,1 μF, wählen Sie L = 1 μH. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie Induktivitäten an Kollektor-Signalpins mit offenem Stromkreis hinzufügen. Die Induktivität wirkt dann wie eine Anpassungsinduktivität.

(5) Abschirmung

Verwenden Sie eine Abschirmung, um kleine oder hochfrequente Signale zu schützen. Dies verringert starke Signalstörungen und reduziert die elektromagnetische Interferenz. Einige Richtlinien:

A. Bei niederfrequenten digitalen/analogen (<30 MHz) Kleinsignaldesigns sind digitale und analoge Massen aufzuteilen, und die Massefläche ist in Kleinsignalbereichen zu gießen. Halten Sie den Abstand zwischen der Massefläche und den Leiterbahnen größer als die Leiterbahnbreite.

B. Fügen Sie bei digitalen/analogen Hochfrequenz-Kleinsignaldesigns Abschirmungsdosen oder genähte Erdungslöcher hinzu, um Bereiche zu isolieren.

C. Bei Hochfrequenzschaltungen mit hoher Leistung ist der Hochfrequenzteil als separates Funktionsmodul auszuführen und zur Verringerung der Strahlung mit einer Metallabschirmung zu versehen. Zum Beispiel Glasfaser-Transceivermodule mit 155 M, 622 M oder 2 Gb/s.

Eine mehrlagige Leiterplatte für ein Mobiltelefon (Beispiel: Nokia 6110) kann Komponenten auf beiden Seiten platzieren und interne Masseverbindungen verwenden, wie in der Originalabbildung gezeigt. (Bildreferenzen hier weggelassen.)

Beispiele für die Materialauswahl für hohe Bretter

Im Folgenden finden Sie Beispiele für von uns entwickelte und getestete Boards:

Verwenden Sie diese als Beispiele. Jedes Projekt erfordert eine eigene Wahl des Materials und der Stärke.

Materialanforderungen für Hochfrequenz-Leiterplatten

Konstrukteure sollten diese wichtigen Materialeigenschaften überprüfen:

1. Dielektrischer Verlust (Df, Verlusttangens) muss sehr gering sein. Geringer Verlust bedeutet weniger Signaldämpfung.

2. Geringe Wasseraufnahme ist wichtig. Eine hohe Wasseraufnahme verändert die Dielektrizitätskonstante und den Verlust.

3. Dielektrizitätskonstante (DK) muss niedrig und stabil sein. Ein niedriger DK führt zu einer höheren Signalgeschwindigkeit. Die DK-Stabilität trägt auch zur Impedanzkontrolle bei.

4. CTE und thermische Übereinstimmung zwischen Kupferfolie und Basis muss ähnlich sein. Eine große Abweichung bei Temperaturschwankungen kann zur Delaminierung des Kupfers führen.

Hochfrequenz bedeutet oft die Verwendung von Fluorpolymersubstraten wie PTFE (bekannt als Teflon).

Herstellungshinweise und Vorsichtsmaßnahmen für Hochfrequenz-Leiterplatten

1. Die Impedanzkontrolle ist streng. Die Linienbreitentoleranz ist eng. Typische Kontrolltoleranz ~ ±2%.

2. Die PTH-Haftung ist auf speziellen Materialien gering. Verwenden Sie die Plasma-Oberflächenaufrauhung für Löcher und Oberflächen, um die Haftung für die Beschichtung und den Lötstopplack zu erhöhen.

3. Schleifen Sie die Platine vor dem Löten nicht ab. Dies verringert die Haftung. Verwenden Sie nur Mikro-Ätzlösungen oder andere Aufrauhungsmethoden.

4. PTFE-Platten verursachen bei normalen Fräswerkzeugen oft raue Kanten. Verwenden Sie spezielle Fräswerkzeuge und beachten Sie die PTFE-Fräsmethoden.

Kurzes Fazit

Hochfrequenzleiterplatten erfordern spezielle Materialien und eine sorgfältige Prozesskontrolle. Wählen Sie ein Material, das Ihren Frequenz- und Wärmeanforderungen entspricht. Kontrollieren Sie die Impedanz und platzieren Sie Erdungslöcher sorgfältig. Verwenden Sie Abschirmungen und eine korrekte Leistungsfilterung. Befolgen Sie spezielle Handhabungsschritte für PTFE und andere Mikrowellenlaminate. Diese Schritte verbessern die Leistung und den Ertrag von Hochfrequenzschaltungen.