Τι είναι ένα PCB υψηλής συχνότητας

A PCB υψηλής συχνότητας είναι μια ειδική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) που χρησιμοποιείται για σήματα υψηλής ηλεκτρομαγνητικής συχνότητας. Οι πλακέτες αυτές προορίζονται για ραδιοσυχνότητες άνω των 300 MHz (μήκος κύματος < 1 m) και για μικροκυματικές συχνότητες άνω των 3 GHz (μήκος κύματος < 0,1 m). Κατασκευάζονται σε ελάσματα χαλκού με επένδυση βάσης μικροκυμάτων. Η παραγωγή μπορεί να χρησιμοποιεί κάποια τυπικά στάδια άκαμπτων πλακετών ή να χρησιμοποιεί ειδικές μεθόδους για τα υλικά αυτά.

Με τη ραγδαία πρόοδο της τεχνολογίας, περισσότερες συσκευές λειτουργούν στη ζώνη μικροκυμάτων (>1 GHz) και ακόμη και σε περιοχές χιλιοστομετρικών κυμάτων (>30 GHz). Αυτό σημαίνει ότι οι συχνότητες αυξάνονται και οι ανάγκες σε υλικά αυξάνονται. Τα βασικά υλικά πρέπει να έχουν πολύ καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και καλή χημική σταθερότητα. Καθώς η συχνότητα του σήματος αυξάνεται, οι απώλειες υλικού πρέπει να παραμένουν πολύ χαμηλές. Με την άφιξη του 5G, τα υλικά υψηλής συχνότητας έγιναν πιο σημαντικά.

Πλεονεκτήματα των PCB υψηλής συχνότητας

1. Υψηλή απόδοση
Τα υλικά με χαμηλή διηλεκτρική σταθερά προκαλούν χαμηλές απώλειες. Η σύγχρονη επαγωγική θέρμανση και άλλες μέθοδοι μπορούν να πετύχουν στόχους και να διατηρήσουν υψηλή απόδοση. Αυτές οι πλακέτες βοηθούν επίσης στη μείωση των αποβλήτων και ταιριάζουν στους πράσινους στόχους.

2. Υψηλή ταχύτητα
Η ταχύτητα του σήματος είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της διηλεκτρικής σταθεράς. Χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά σημαίνει ταχύτερη μετάδοση. Τα ειδικά υλικά διατηρούν τη διηλεκτρική σταθερά χαμηλή και σταθερή. Αυτό βοηθά στη μεταφορά σήματος.

3. Καλός έλεγχος της θέρμανσης ή της επεξεργασίας
Οι πίνακες υψηλών συχνοτήτων χρησιμοποιούνται σε πολλούς τομείς που χρειάζονται ακριβή θέρμανση μεταλλικών εξαρτημάτων. Μπορείτε να ελέγξετε πόσο βαθιά ή πού θα θερμανθούν. Μπορείτε να επικεντρωθείτε στην επιφανειακή ή τη βαθιά θέρμανση. Μπορείτε να θερμάνετε με εστιασμένο ή απλωμένο τρόπο. Η πλακέτα επιτρέπει τον λεπτομερή έλεγχο.

4. Ισχυρή ανθεκτικότητα
Η διηλεκτρική σταθερά και το διηλεκτρικό υλικό εξαρτώνται από το περιβάλλον. Σε υγρές περιοχές, η υγρασία βλάπτει τις πλακέτες. Οι πλακέτες υψηλών συχνοτήτων που κατασκευάζονται από υλικό χαμηλής απορρόφησης νερού αντιστέκονται σε αυτό. Αντέχουν στη χημική διάβρωση, την υγρασία, την υψηλή θερμότητα και έχουν υψηλή αντοχή στην αποφλοίωση. Αυτές οι ιδιότητες τις καθιστούν ισχυρές σε σκληρά περιβάλλοντα.

Κοινά υλικά PCB υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας

(Χρησιμοποιήστε αυτά τα παραδείγματα υλικών ως σημείο εκκίνησης. Κάθε σχέδιο χρειάζεται τη σωστή επιλογή υλικού για τη συχνότητα και τη διάταξη).

Διαφορά μεταξύ πλακετών υψηλής συχνότητας και πλακετών HDI

Τα PCB υψηλής συχνότητας προορίζονται για ραντάρ, όργανα δοκιμών, συστήματα αποφυγής σύγκρουσης αυτοκινήτων, δορυφόρους επικοινωνίας, ασύρματα συστήματα και άλλους τομείς. Οι πλακέτες HDI (High Density Interconnect) προορίζονται για μικρές συσκευές με πολλά εξαρτήματα. Οι πλακέτες HDI χρησιμοποιούν συχνά πλακέτες διπλής όψης σε προϊόντα με μικρό όγκο.

Μια πλακέτα υψηλών συχνοτήτων απαιτεί πολύ υψηλό έλεγχο της διαδικασίας και ακρίβεια. Πολλές φορές οι σχεδιαστές ξεκινούν από εποξειδικό γυαλί FR-4, αλλά οι πραγματικές πλακέτες υψηλών συχνοτήτων χρησιμοποιούν ειδικά ελάσματα. Η πλακέτα πρέπει να έχει μικρή και σταθερή διηλεκτρική σταθερά, χαμηλή διηλεκτρική απώλεια, χαμηλή απορρόφηση νερού, υψηλή αντοχή στη θερμοκρασία και καλή αντοχή στη διάβρωση.

Μια πλακέτα HDI χρησιμοποιεί micro blind vias για να επιτύχει υψηλή πυκνότητα δρομολόγησης. Διαθέτει εσωτερική και εξωτερική δρομολόγηση που συνδέονται με διάτρηση και επιμετάλλωση. Η HDI προορίζεται για συμπαγή προϊόντα. Ορισμένα σχέδια HDI χρησιμοποιούν αρθρωτές παράλληλες μονάδες και ισχυρό έλεγχο DSP για χαρακτηριστικά ισχύος και φορτίου.

Τύποι / ταξινόμηση των πινάκων υψηλής συχνότητας

Παρακάτω παρατίθενται οι συνήθεις τύποι και σημειώσεις σχετικά με την επεξεργασία τους:

1. Θερμοσκληρυντικό με γέμιση σκόνης (κεραμικό γέμισμα)

• Υλικά και προμηθευτές: Arlon 25N / 25FR; σειρά Taconic TLG.

• Επεξεργασία: FR-4. Ωστόσο, οι πλάκες είναι εύθραυστες και σπάνε εύκολα. Η διάρκεια ζωής των εργαλείων για τα τρυπάνια και τα φρεζάκια πέφτει περίπου 20%. Χειριστείτε με προσοχή.

2. PTFE (πολυτετραφθοροαιθυλένιο, τεφλόν)

• Υλικά και προμηθευτές:

  • Rogers: TMM: σειρά RO3000, σειρά RT, σειρά TMM

  • Arlon: σειρά AD/AR, IsoClad, CuClad

  • Taconic: TLX, σειρά TLY

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

• Σημειώσεις επεξεργασίας για PTFE:

  • Κρατήστε προστατευτική μεμβράνη όταν κόβετε ακατέργαστα φύλλα για να αποφύγετε γρατσουνιές και σημάδια πίεσης.

  • Χρησιμοποιήστε νέα τρυπάνια (συνιστώνται τα τυπικά τρυπάνια #130). Για καλύτερα αποτελέσματα, τρυπήστε ένα φύλλο τη φορά. Διατηρήστε την πίεση σύσφιξης στα ~40 psi.

  • Χρησιμοποιήστε αντιστηρίγματα αλουμινίου και μαξιλαράκια μελαμίνης 1 mm για να συγκρατήσετε το PTFE κατά τη διάρκεια της διάτρησης.

  • Μετά τη διάτρηση, φυσήξτε τη σκόνη από τις οπές με ζεστό αέρα.

  • Χρησιμοποιήστε ένα σταθερό τρυπάνι. Για μικρές οπές, αυξήστε την ταχύτητα και μειώστε το φορτίο του τσιπ και την ταχύτητα επιστροφής της ατράκτου.

  • Επεξεργασία επιφάνειας οπής: πλάσμα χαμηλής θερμοκρασίας ή ενεργοποίηση ναφθαλίνης νατρίου βοηθούν στη μεταλλοποίηση της οπής.

  • Η εναπόθεση και η πρόσφυση χαλκού PTH (επιμεταλλωμένος χαλκός μέσω οπής) χρειάζονται προσοχή.

3. Εναπόθεση χαλκού PTH

• Μετά τη μικρο-έκτρωση (έλεγχος ~20 microinch), εκτελέστε PTH. Εάν χρειάζεται, εκτελέστε ένα δεύτερο πέρασμα PTH, όπως απαιτείται από τη δρομολόγηση της πλακέτας.

4. Διαδικασία μάσκας συγκόλλησης (πράσινη μάσκα)

• Προεπεξεργασία: χρησιμοποιήστε όξινο/αλκαλικό καθαρισμό- αποφύγετε τη μηχανική λείανση.

• Μετά την προ-επεξεργασία, ψήστε την πλακέτα (90°C για 30 λεπτά) και εφαρμόστε στεγνό φιλμ.

• Ψήνετε σε τρία στάδια: 150°C, 30 λεπτά το καθένα. Εάν η μάσκα εμφανίζει κηλίδες λαδιού, αφαιρέστε τη μάσκα και επαναλάβετε τη θεραπεία ενεργοποίησης.

5. Δρομολόγηση / φρεζάρισμα πλακών PTFE

• Χρησιμοποιήστε λεπτό χαρτί στην πλευρά του ίχνους PTFE και σφίξτε με FR-4 ή φαινολικό υπόστρωμα κατά τη διάρκεια της δρομολόγησης.

• Μετά τη φρεζάρισμα, τελειώστε με το χέρι τα γρέζια των άκρων και επιθεωρήστε προσεκτικά. Αποφύγετε την καταστροφή του χαλκού και της επιφάνειας της πλακέτας. Χρησιμοποιήστε χαρτί διαχωρισμού χωρίς θείο. Μειώστε καλά τα γρέζια. Το βήμα της δρομολόγησης πρέπει να αφήνει καλό φινίρισμα των άκρων.

Ροή παραγωγής για πίνακες PTFE υψηλής συχνότητας

Ακολουθούν τρεις κοινές ροές διαδικασιών. Τις έβαλα σε πίνακα για λόγους σαφήνειας.

Σημείωση: Κάθε βήμα επεξεργασίας πρέπει να ελέγχει αυστηρά τις επιφανειακές γρατζουνιές και άλλα ελαττώματα.

Εφαρμογές των PCB υψηλής συχνότητας

Τα PCB υψηλής συχνότητας εμφανίζονται συνήθως σε:

• Ενισχυτές ισχύος και ενισχυτές χαμηλού θορύβου (LNA)

• Προϊόντα κινητής επικοινωνίας και έξυπνα συστήματα φωτισμού

• Διαχωριστές ισχύος, συζεύκτες, duplexers, φίλτρα και άλλες παθητικές διατάξεις

• Συστήματα αποφυγής σύγκρουσης αυτοκινήτων, δορυφόροι επικοινωνίας, συστήματα ασύρματης τηλεφωνίας

• Εν ολίγοις, τα ηλεκτρονικά κινούνται προς υψηλότερες συχνότητες και οι πλακέτες υψηλής συχνότητας ακολουθούν αυτή την τάση.

Πώς να σχεδιάζετε PCB υψηλής συχνότητας

Στη σχεδίαση PCB υψηλών συχνοτήτων, η διάταξη των επιπέδων ισχύος είναι κρίσιμη. Συνήθως τοποθετείτε την ισχύ σε δικό της επίπεδο. Αυτό βοηθά το κύκλωμα να ακολουθήσει τη διαδρομή με τη μικρότερη δυνατή αντίσταση. Το επίπεδο ισχύος πρέπει να παρέχει διαδρομές επιστροφής για όλα τα σήματα στην πλακέτα PCB. Αυτό μειώνει την περιοχή βρόχων και μειώνει το θόρυβο. Οι σχεδιαστές χαμηλών συχνοτήτων συχνά αγνοούν ορισμένα από αυτά τα ζητήματα θορύβου.

Ακολουθήστε αυτούς τους κανόνες στο σχεδιασμό PCB υψηλών συχνοτήτων:

• Διατηρήστε τη δύναμη και το έδαφος σταθερά και ενιαία.

• Η προσεκτική δρομολόγηση και ο σωστός τερματισμός απομακρύνουν τις αντανακλάσεις.

• Η προσεκτική δρομολόγηση και ο σωστός τερματισμός μειώνουν τη χωρητικότητα και τη μετρούμενη διασταύρωση.

Παρακάτω αναπτύσσω διάφορα βασικά θέματα.

(1) Πλάτος γραμμής μεταφοράς

Το πλάτος της γραμμής μεταφοράς στο σχεδιασμό PCB υψηλών συχνοτήτων πρέπει να ακολουθεί τη θεωρία προσαρμογής σύνθετης αντίστασης.

Προσαρμογή σύνθετης αντίστασης
Όταν η σύνθετη αντίσταση εισόδου/εξόδου και η σύνθετη αντίσταση της γραμμής μεταφοράς ταιριάζουν, το σύστημα παρέχει μέγιστη ισχύ εξόδου και ελάχιστη ανάκλαση. Για τα μικροκυματικά κυκλώματα, η προσαρμογή πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη τα σημεία πόλωσης της συσκευής. Τα vias στις γραμμές σήματος αλλάζουν τις ιδιότητες μετάδοσης. Για TTL και CMOS, η χαρακτηριστική αντίσταση είναι υψηλή, οπότε η επίδραση είναι μικρή. Αλλά για γραμμές RF χαμηλής αντίστασης 50 Ω, τα vias πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Συνήθως αποφεύγετε τα vias σε τέτοιες γραμμές.

(2) Διασταύρωση μεταξύ παράλληλων γραμμών μεταφοράς

Όταν δύο μικροταινιακές γραμμές τρέχουν κοντά και παράλληλα, εμφανίζεται σύζευξη. Προκαλούν διασταύρωση και αλλάζουν τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής. Δώστε προσοχή στα κυκλώματα 50 Ω και 75 Ω. Οι σχεδιαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη σύζευξη για ορισμένες λειτουργίες, όπως οι κατευθυντικοί ζεύκτες ή η μέτρηση ισχύος. Παράδειγμα τιμών από έναν σχεδιασμό (ενισχυτής τελικού σταθμού βάσης PCS 1,97 GHz, διηλεκτρικό εr = 3,48):

• Για κατευθυντικό ζεύκτη 10 dB: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil

• Για κατευθυντικό ζεύκτη 20 dB: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil

Για να μειώσετε τη διασταύρωση, ακολουθήστε τους παρακάτω κανόνες:

A. Διατηρήστε την απόσταση S μεταξύ των παράλληλων γραμμών υψηλής συχνότητας ή υψηλής ταχύτητας τουλάχιστον κατά ένα πλάτος γραμμής.
B. Κόψτε το παράλληλο μήκος όπου είναι δυνατόν.
C. Κρατήστε τα μικροσκοπικά σήματα υψηλής συχνότητας μακριά από γραμμές ισχύος και λογικής που μπορούν να προκαλέσουν ισχυρές παρεμβολές.

(3) Γείωση μέσω ηλεκτρομαγνητικής ανάλυσης

Για τους ακροδέκτες γείωσης του ολοκληρωμένου κυκλώματος ή άλλους ακροδέκτες γείωσης, τοποθετήστε διακλαδώσεις γείωσης κοντά στους ακροδέκτες σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας. Η ιδέα: ένα σύντομο μονοπάτι γείωσης λειτουργεί σαν επαγωγική αντίσταση. Η διέλευση γείωσης φαίνεται επίσης επαγωγική. Αυτό επηρεάζει τη λειτουργία του φίλτρου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τοποθετείτε τα vias γείωσης κοντά στις ακίδες. Για να μειώσετε το επαγωγικό φορτίο, χρησιμοποιήστε περισσότερα vias γείωσης από ό,τι σε πλακέτες χαμηλών συχνοτήτων. Αυτό αυξάνει τη χωρητικότητα ρεύματος γείωσης και συμβάλλει στη διατήρηση όλων των σημείων κοντά στα 0 V.

(4) Φιλτράρισμα ισχύος

Για TTL και CMOS, οι σχεδιαστές προσθέτουν πυκνωτές παράκαμψης κοντά στους ακροδέκτες τροφοδοσίας για τη μείωση του λογικού θορύβου. Για κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων και μικροκυμάτων, αυτό δεν είναι αρκετό. Τα σήματα υψηλής συχνότητας δημιουργούν παρεμβολές υψηλής συχνότητας στην ισχύ. Χρησιμοποιήστε επαγωγές και πυκνωτές σειράς. Επιλέξτε τα πηνία με βάση τη συχνότητα λειτουργίας. Παράδειγμα: για να φιλτράρετε θόρυβο >1 MHz με C = 0,1 μF, επιλέξτε L = 1 μH. Όταν προσθέτετε επαγωγή στους ακροδέκτες σήματος συλλέκτη ανοιχτού κυκλώματος, να είστε προσεκτικοί. Το πηνίο ενεργεί τότε σαν επαγωγή προσαρμογής.

(5) Θωράκιση

Χρησιμοποιήστε θωράκιση για να προστατεύσετε σήματα μικρών ή υψηλών συχνοτήτων. Αυτό μειώνει τις παρεμβολές ισχυρών σημάτων και μειώνει τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Ορισμένες κατευθυντήριες γραμμές:

A. Σε ψηφιακές/αναλογικές (<30 MHz) σχεδιάσεις μικρού σήματος χαμηλής συχνότητας, χωρίστε τις ψηφιακές και αναλογικές γειώσεις και ρίξτε το επίπεδο γείωσης στις ζώνες μικρού σήματος. Διατηρήστε την απόσταση μεταξύ της γείωσης και των ιχνών μεγαλύτερη από το πλάτος των ιχνών.

B. Στη σχεδίαση ψηφιακών/αναλογικών μικρών σημάτων υψηλής συχνότητας, προσθέστε δοχεία θωράκισης ή συρραφείσες γειώσεις για να απομονώσετε περιοχές.

C. Για κυκλώματα υψηλής ισχύος υψηλής συχνότητας, κάντε το τμήμα υψηλής συχνότητας μια ξεχωριστή λειτουργική μονάδα και προσθέστε ένα μεταλλικό κουτί θωράκισης για να μειώσετε την ακτινοβολία. Για παράδειγμα, μονάδες πομποδέκτη οπτικών ινών στα 155 M, 622 M ή 2 Gb/s.

Μια πλακέτα πολλαπλών στρώσεων για κινητό τηλέφωνο (παράδειγμα: Nokia 6110) μπορεί να τοποθετεί εξαρτήματα και στις δύο πλευρές και να χρησιμοποιεί εσωτερικές γωνίες γείωσης όπως φαίνεται στο αρχικό σχήμα. (Οι αναφορές στο σχήμα παραλείπονται εδώ.)

Παραδείγματα επιλογής υλικού για υψηλές σανίδες

Ακολουθούν παραδείγματα από πλακέτες που σχεδιάσαμε και αποσφαλματώσαμε:

Χρησιμοποιήστε αυτά ως παραδείγματα. Κάθε έργο χρειάζεται τη δική του επιλογή υλικού και πάχους.

Απαιτήσεις υλικών PCB υψηλής συχνότητας

Οι σχεδιαστές πρέπει να ελέγχουν αυτές τις βασικές ιδιότητες του υλικού:

1. Διηλεκτρική απώλεια (Df, εφαπτομένη απωλειών) πρέπει να είναι πολύ μικρή. Μικρή απώλεια σημαίνει μικρότερη εξασθένιση του σήματος.

2. Χαμηλή απορρόφηση νερού είναι σημαντική. Η υψηλή πρόσληψη νερού αλλάζει τη διηλεκτρική σταθερά και τις απώλειες.

3. Διηλεκτρική σταθερά (DK) πρέπει να είναι χαμηλή και σταθερή. Η χαμηλότερη DK δίνει μεγαλύτερη ταχύτητα σήματος. Η σταθερότητα του DK βοηθά επίσης στον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης.

4. CTE και θερμική αντιστοιχία μεταξύ του φύλλου χαλκού και της βάσης πρέπει να είναι παρόμοια. Μεγάλη αναντιστοιχία κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας μπορεί να προκαλέσει αποκόλληση του χαλκού.

Υψηλή συχνότητα σημαίνει συχνά χρήση φθοροπολυμερών υποστρωμάτων όπως το PTFE (γνωστό ως Teflon).

Σημειώσεις κατασκευής και προειδοποιήσεις για PCB υψηλής συχνότητας

1. Ο έλεγχος της σύνθετης αντίστασης είναι αυστηρός. Η ανοχή πλάτους γραμμής είναι αυστηρή. Τυπική ανοχή ελέγχου ~ ±2%.

2. Η πρόσφυση PTH είναι χαμηλή σε ειδικά υλικά. Χρησιμοποιήστε την επιφανειακή εκτράχυνση πλάσματος για οπές και επιφάνειες για να αυξήσετε την πρόσφυση για επιμετάλλωση και αντίσταση συγκόλλησης.

3. Μην τρίβετε την πλακέτα πριν από τη συγκόλληση. Αυτό μειώνει την πρόσφυση. Χρησιμοποιήστε μόνο διαλύματα μικρο-έκτρωσης ή άλλες μεθόδους εξομάλυνσης.

4. Οι πλάκες PTFE συχνά προκαλούν τραχιές ακμές με τα συνήθη εργαλεία φρεζαρίσματος. Χρησιμοποιήστε ειδικές μύτες φρεζαρίσματος και ακολουθήστε τις πρακτικές δρομολόγησης PTFE.

Σύντομο συμπέρασμα

Τα PCB υψηλών συχνοτήτων χρειάζονται ειδικά υλικά και προσεκτικό έλεγχο της διαδικασίας. Επιλέξτε ένα υλικό που ταιριάζει στις ανάγκες σας σε συχνότητα και θερμότητα. Ελέγξτε τη σύνθετη αντίσταση και τοποθετήστε στενά τα vias γείωσης. Χρησιμοποιήστε θωράκιση και σωστό φιλτράρισμα ισχύος. Ακολουθήστε τα ειδικά βήματα χειρισμού για το PTFE και άλλα ελάσματα μικροκυμάτων. Αυτά τα βήματα βελτιώνουν την απόδοση και την απόδοση σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων.