برد مدار چاپی با فرکانس بالا چیست؟
یک برد مدار چاپی فرکانس بالا یک برد مدار چاپی (PCB) ویژه است که برای سیگنالهای فرکانس الکترومغناطیسی بالا استفاده میشود. این بردها برای فرکانسهای رادیویی بالاتر از حدود ۳۰۰ مگاهرتز (طول موج < ۱ متر) و برای فرکانسهای مایکروویو بالاتر از حدود ۳ گیگاهرتز (طول موج < ۰.۱ متر) به کار میروند. آنها بر روی لامینیتهای پایه مسی مایکروویو ساخته میشوند. تولید ممکن است از برخی مراحل استاندارد بردهای مدار چاپی سخت استفاده کند یا از روشهای ویژهای برای این مواد بهره ببرد.
با پیشرفت سریع فناوری، دستگاههای بیشتری در باند مایکروویو (>۱ گیگاهرتز) و حتی در محدودههای موج میلیمتری (>۳۰ گیگاهرتز) کار میکنند. این بدان معناست که فرکانسها افزایش مییابند و نیاز به مواد بیشتر میشود. مواد پایه باید دارای خواص الکتریکی بسیار خوب و پایداری شیمیایی مناسب باشند. با افزایش فرکانس سیگنال، تلفات ماده باید بسیار کم باقی بماند. با ورود 5G، مواد فرکانس بالا اهمیت بیشتری یافتند.
مزایای بردهای مدار چاپی با فرکانس بالا
۱. بازدهی بالا
مواد با ضریب دیالکتریک پایین باعث کاهش تلفات میشوند. گرمایش القایی مدرن و سایر روشها میتوانند به اهداف مورد نظر دست یابند و بازدهی بالایی را حفظ کنند. این بردها همچنین به کاهش ضایعات کمک کرده و با اهداف زیستمحیطی سازگارند.
۲. سرعت بالا
سرعت سیگنال معکوساً متناسب با ریشهٔ دوم ثابت دیالکتریک است. ثابت دیالکتریک پایینتر به معنای انتقال سریعتر است. مواد ویژه ثابت دیالکتریک را پایین و پایدار نگه میدارند. این امر به انتقال سیگنال کمک میکند.
۳. کنترل خوب گرمایش یا فرآوری
بردهای فرکانس بالا در بسیاری از حوزهها که نیاز به گرمکردن دقیق قطعات فلزی دارند، استفاده میشوند. شما میتوانید کنترل کنید که چقدر عمیق یا در کجا گرم کنید. میتوانید بر گرمکردن سطحی یا عمیق تمرکز کنید. میتوانید به صورت متمرکز یا گسترده گرم کنید. این برد امکان کنترل دقیق را فراهم میکند.
۴. دوام بالا
ثابت دیالکتریک و مواد دیالکتریک به محیط اطراف بستگی دارند. در مناطق مرطوب، رطوبت به بردها آسیب میرساند. بردهای فرکانس بالا که از موادی با جذب آب پایین ساخته شدهاند در برابر این موضوع مقاومت میکنند. این بردها در برابر خوردگی شیمیایی، رطوبت و حرارت بالا مقاوم بوده و دارای استحکام لایهبرداری بالایی هستند. این ویژگیها آنها را در محیطهای سخت مستحکم میسازد.
مواد رایج PCB با فرکانس بالا و سرعت بالا
| برند / سازنده | سری/انواع معمولی |
|---|---|
| راجرز | RO4003, RO3003, RO4350, RO5880 |
| تییوسی (تایائو / تاییا یا برند تییوسی) | TUC862، 872SLK، 883، 933 |
| پاناسونیک | مگتراون ۴، مگتراون ۶ |
| جزیره | FR408HR, IS620, IS680 |
| نلکو | N4000-13, N4000-13EPSI |
| سازندگان داخلی (چین) | دونگguan شنگyi، تایژو وانگلینگ، تایشینگ مایکروویو |
(از این مواد نمونهای بهعنوان نقطهٔ شروع استفاده کنید. هر طراحی نیازمند انتخاب مناسب مواد بر اساس فرکانس و چیدمان است.)
تفاوت بین بردهای فرکانس بالا و بردهای HDI
بردهای PCB با فرکانس بالا برای رادار، ابزارهای آزمایشی، سیستمهای اجتناب از برخورد خودرو، ماهوارههای ارتباطی، سیستمهای بیسیم و سایر حوزهها کاربرد دارند. بردهای HDI (ارتباطات با چگالی بالا) برای دستگاههای کوچک با قطعات زیاد طراحی شدهاند. HDI اغلب در محصولاتی با حجم کم از بردهای دو رو استفاده میکند.
یک برد فرکانس بالا نیازمند کنترل فرآیند و دقت بسیار بالا است. طراحان اغلب از فریت-۴ اپوکسی شیشهای شروع میکنند، اما بردهای واقعی فرکانس بالا از لمینتهای ویژه استفاده میکنند. برد باید دارای ضریب دیالکتریک کوچک و پایدار، تلفات دیالکتریک کم، جذب آب کم، تحمل دمایی بالا و مقاومت خوب در برابر خوردگی باشد.
یک برد HDI از ویای کور ریز برای رسیدن به چگالی مسیریابی بالا استفاده میکند. این برد دارای مسیریابی داخلی و خارجی است که از طریق سوراخکاری و آبکاری به هم متصل میشوند. HDI برای محصولات فشرده بهکار میرود. برخی از طراحیهای HDI از ماژولهای موازی مدولار و کنترل قوی DSP برای ویژگیهای توان و بار استفاده میکنند.
انواع / طبقهبندی بردهای فرکانس بالا
در زیر انواع رایج و نکاتی در مورد پردازش آنها آورده شده است:
۱. ترموست پرشده با پودر (پرشده با سرامیک)
مواد و تأمینکنندگان: راجرز 4350B / 4003C؛ آرلون 25N / 25FR؛ تاکونیک سری TLG.
فرآیند پردازش: مراحل مشابه لمینتهای شیشهای اپوکسی FR-4 است. با این حال، بردها شکننده بوده و بهراحتی میشکنند. عمر ابزارهای مته و تیغههای فرز حدود ۲۰ درصد کاهش مییابد. با احتیاط کار کنید.
۲. PTFE (پلیتترافلوئورواتیلن، تفلون)
مواد و تأمینکنندگان:
راجرز: سری RO3000، سری RT، سری TMM
آرلون: سری AD/AR، ایزوکلا، سری CuClad
تاکونیک: سری RF، سری TLX، سری TLY
تایکسینگ مایکروویو: F4B / F4BM / F4BK / TP-2B
پردازش یادداشتها برای PTFE:
هنگام برش ورقهای خام، برای جلوگیری از خراش و آثار فشار، فیلم محافظ را نگه دارید.
از متههای جدید استفاده کنید (متههای استاندارد #130 توصیه میشوند). برای بهترین نتیجه، هر بار یک ورق را سوراخ کنید. فشار گیره را حدود ۴۰ psi نگه دارید.
برای نگه داشتن PTFE در حین سوراخکاری از پشتگیر آلومینیومی و پدهای ملامین ۱ میلیمتری استفاده کنید.
پس از سوراخکاری، گرد و غبار را با هوای گرم از سوراخها بیرون بدمید.
از یک دستگاه دریل پایدار استفاده کنید. برای سوراخهای کوچک، سرعت را افزایش دهید و بار تراش و سرعت بازگشت اسپیندل را کاهش دهید.
پیشتیمار سطح حفره: پلاسما با دمای پایین یا فعالسازی با سدیم نفتالین به فلزیسازی حفره کمک میکند.
رسوبگذاری و چسبندگی مس در PTH (سوراخهای آبکاریشده) نیاز به توجه دارد.
۳. رسوبدهی مس با PTH
پس از میکرو-ایتچ (کنترل حدود ۲۰ میکرواینچ)، PTH را انجام دهید. در صورت نیاز، بسته به مسیریابی برد، یک گذر دوم PTH اجرا کنید.
۴. فرآیند ماسک لحیمکاری (ماسک سبز)
پیشپردازش: از تمیزکاری با اسید/قلیا استفاده کنید؛ از سنبادهزنی مکانیکی خودداری کنید.
پس از پیشپردازش، برد را در دمای ۹۰ درجه سانتیگراد به مدت ۳۰ دقیقه بپزید و فیلم خشک را اعمال کنید.
در سه مرحله بپزید: ۸۰ درجه سانتیگراد، ۱۰۰ درجه سانتیگراد و ۱۵۰ درجه سانتیگراد، هر کدام ۳۰ دقیقه. اگر ماسک لکههای روغنی نشان داد، ماسک را بردارید و درمان فعالسازی را تکرار کنید.
۵. مسیکاری / فرزکاری بردهای PTFE
در حین مسیریابی، از کاغذ نازک در سمت ردیت PTFE استفاده کرده و آن را با پشتیبان FR-4 یا فنولیکی محکم کنید.
پس از فرزکاری، لبههای زائد را بهصورت دستی صیقل دهید و بهدقت بازرسی کنید. از آسیبدیدگی سطح مسی و برد خودداری کنید. از کاغذ جداکننده بدون گوگرد استفاده کنید. لبههای زائد را بهخوبی کاهش دهید. مرحله فرزکاری باید سطح لبهها را بهخوبی صیقل دهد.
جریان تولید برای بردهای PTFE با فرکانس بالا
در زیر سه جریان فرآیند رایج آورده شده است. من آنها را برای وضوح در یک جدول قرار دادهام.
| نوع فرآیند | مراحل کلیدی (خلاصه) |
|---|---|
| NPTH (سوراخ عبوری بدون آبکاری) برای PTFE | برش → سوراخکاری → فیلم خشک → بازرسی → حکاکی → بازرسی حکاکی → ماسک لحیمکاری → نوردهی فیلم خشک → تسطیح لحیمکاری با هوای گرم (HASL) یا اسپری قلع → فرزکاری/قالبدهی → بازرسی → بازرسی نهایی → بستهبندی → تحویل |
| PTH (سوراخ عبور داده شده با آبکاری) برای PTFE | برش → سوراخکاری → عملیات سوراخ (پلاسما با دمای پایین یا فعالسازی با سدیم نفتالین) → آبکاری مس → تست الکتریکی پنل → فیلم خشک → بازرسی → تصویربرداری → حکاکی → بازرسی حکاکی → ماسک لحیم → نوردهی فیلم خشک → HASL → برش/شکلدهی → بازرسی → بازرسی نهایی → بستهبندی → تحویل |
| کنترلهای فرآیند ماسک لحیمکاری | چسبندگی ماسک سبز و تشکیل حباب را با دقت کنترل کنید. |
توجه: هر مرحله از فرآیند باید خراش سطح و سایر نواقص را بهطور دقیق کنترل کند.
کاربردهای بردهای مدار چاپی فرکانس بالا
بردهای مدار چاپی فرکانس بالا معمولاً در موارد زیر به کار میروند:
تشدیدکنندههای قدرت و تشدیدکنندههای کمنویز (LNA)
محصولات ارتباطات سیار و سیستمهای روشنایی هوشمند
تقسیمکنندههای توان، کوپلرها، دپلکسرها، فیلترها و سایر دستگاههای غیرفعال
سیستمهای جلوگیری از برخورد خودرویی، ماهوارههای ارتباطی، سیستمهای تلفن بیسیم
بهطور خلاصه، الکترونیک به سمت فرکانسهای بالاتر حرکت میکند و بردهای فرکانس بالا نیز از این روند پیروی میکنند.
چگونه PCBهای فرکانس بالا را طراحی کنیم
در طراحی PCB با فرکانس بالا، چیدمان پلهی تغذیه حیاتی است. معمولاً تغذیه را روی لایهٔ اختصاصی خود قرار میدهند. این کار به مدار کمک میکند تا مسیر با کمترین امپدانس را دنبال کند. پلهی تغذیه باید مسیرهای بازگشت را برای تمامی سیگنالهای روی PCB فراهم کند. این امر مساحت حلقه را کاهش داده و نویز را کم میکند. طراحان فرکانس پایین اغلب برخی از این مسائل نویزی را نادیده میگیرند.
در طراحی PCB با فرکانس بالا، این قوانین را دنبال کنید:
ولتاژ تغذیه و زمین را پایدار و یکپارچه نگه دارید.
مسیریابی دقیق و خاتمهی صحیح، انعکاسها را از بین میبرد.
مسیریابی دقیق و پایاندهی صحیح، ظرفیت و تداخل متقابل اندازهگیریشده را کاهش میدهند.
در زیر چندین موضوع کلیدی را گسترش میدهم.
(۱) عرض خط انتقال
عرض خط انتقال در طراحی PCB با فرکانس بالا باید مطابق نظریه تطبیق امپدانس باشد.
مطابقت امپدانس
وقتی امپدانس ورودی/خروجی و امپدانس خط انتقال با هم تطبیق مییابند، سیستم حداکثر توان خروجی و حداقل بازتاب را ارائه میدهد. برای مدارهای مایکروویو، تطبیق باید نقاط بایاس دستگاه را نیز در نظر بگیرد. ویاسها روی خطوط سیگنال ویژگیهای انتقال را تغییر میدهند. برای TTL و CMOS امپدانس مشخصه بالا است، بنابراین تأثیر آن کم است. اما برای خطوط RF با امپدانس پایین ۵۰ اهم، ویاسها باید مدنظر قرار گیرند. معمولاً از ویاسها روی چنین خطوطی اجتناب میشود.
(۲) تداخل متقابل بین خطوط انتقال موازی
وقتی دو خط میکروستریپ نزدیک و موازی قرار میگیرند، کوپلینگ رخ میدهد. این امر باعث ایجاد تداخل (کراستاک) و تغییر امپدانس مشخصه خط میشود. به مدارهای ۵۰ اهم و ۷۵ اهم توجه کنید. طراحان میتوانند از کوپلینگ برای برخی کاربردها مانند کوپلرهای جهتدار یا اندازهگیری توان استفاده کنند. مقادیر نمونه از یک طراحی (تقویتکننده پایه ایستگاه انتهایی PCS در ۱٫۹۷ گیگاهرتز، ضریب دیالکتریک εr = ۳٫۴۸):
برای یک کوپلر جهتی ۱۰ دسیبل: S = ۵ میلیمتر، l = ۹۲۰ میلیمتر، W = ۵۳ میلیمتر
برای یک کوپلر جهتی ۲۰ دسیبل: S = ۳۵ میل، l = ۹۲۰ میل، W = ۶۲ میل
برای کاهش تداخل متقابل، این قوانین را دنبال کنید:
الف. فاصله S بین خطوط موازی با فرکانس بالا یا سرعت بالا را حداقل به اندازه یک عرض خط حفظ کنید.
ب. در صورت امکان، طول موازی را کاهش دهید.
C. سیگنالهای کوچک با فرکانس بالا را از خطوط تغذیه و منطق که میتوانند باعث تداخل شدید شوند، دور نگه دارید.
(۳) زمین کردن از طریق تحلیل الکترومغناطیسی
برای پینهای زمین IC یا سایر پینهای زمین، ویای زمین را در مدارهای فرکانس بالا نزدیک پینها قرار دهید. ایده این است که مسیر کوتاه زمین مانند یک امپدانس القایی عمل میکند. ویای زمین نیز بهصورت القایی ظاهر میشود. این موضوع بر عملکرد فیلتر تأثیر میگذارد. به همین دلیل ویای زمین را نزدیک پینها قرار دهید. برای کاهش بار القایی، تعداد ویای زمین را نسبت به بردهای فرکانس پایین بیشتر کنید. این کار ظرفیت جریان زمین را افزایش میدهد و کمک میکند همه نقاط نزدیک به صفر ولت باقی بمانند.
(۴) فیلترگذاری توانی
برای TTL و CMOS، طراحان خازنهای بایپس را نزدیک پایههای تغذیه قرار میدهند تا نویز منطقی را کاهش دهند. برای مدارهای فرکانس بالا و مایکروویو، این کافی نیست. سیگنالهای فرکانس بالا تداخل فرکانس بالا روی تغذیه ایجاد میکنند. از القاگرها و خازنهای سری استفاده کنید. القاگرها را بر اساس فرکانس کاری انتخاب کنید. مثال: برای فیلتر کردن نویز بالای ۱ مگاهرتز با C = 0.1 میکروفاراد، L = 1 میکروهنری انتخاب کنید. هنگام افزودن القا بر روی پایههای سیگنال کلکتور با مدار باز مراقب باشید. در این حالت القاگر مانند یک القا تطبیقی عمل میکند.
(۵) محافظت
برای محافظت از سیگنالهای کوچک یا با فرکانس بالا از شیلد استفاده کنید. این کار تداخل سیگنالهای قوی را کاهش داده و EMI را کم میکند. برخی دستورالعملها:
الف. در طراحیهای سیگنال کوچک دیجیتال/آنالوگ با فرکانس پایین (<30 مگاهرتز)، زمینهای دیجیتال و آنالوگ را از هم جدا کرده و در نواحی سیگنال کوچک، پلهی زمین ریخته کنید. فاصله بین ریختهی زمین و ردها باید بیش از عرض رد باشد.
B. در طراحی سیگنالهای کوچک دیجیتال/آنالوگ با فرکانس بالا، برای جداسازی نواحی از قوطیهای شیلدینگ یا ویایهای زمین دوختهشده استفاده کنید.
C. برای مدارهای توان بالا و فرکانس بالا، بخش فرکانس بالا را به یک ماژول عملکردی جداگانه تبدیل کرده و یک جعبه محافظ فلزی اضافه کنید تا تابش را کاهش دهید. برای مثال، ماژولهای فرستنده/گیرنده فیبر نوری با نرخ 155 مگابیت بر ثانیه، 622 مگابیت بر ثانیه یا 2 گیگابیت بر ثانیه.
یک برد مدار چاپی چندلایه برای تلفن همراه (مثال: نوکیا ۶۱۱۰) ممکن است قطعات را در هر دو طرف قرار دهد و از ریختهگری زمین داخلی استفاده کند، همانطور که در شکل اصلی نشان داده شده است. (مرجع شکلها در اینجا حذف شده است.)
نمونههایی از انتخاب مصالح برای کابینتهای بلند
در زیر نمونههایی از بردهایی که طراحی و عیبیابی کردهایم آورده شده است:
| کاربرد (فرکانس / دستگاه) | ماده / انباشت | یادداشتها |
|---|---|---|
| ریلِی طیف گسترده ۲.۴ گیگاهرتز | FR-4، برد مدار چاپی چهار لایه با مسریزی زمین گسترده | بخش آنالوگ با فرکانس بالا جدا شد. خطوط قدرت برای جداسازی از بخش دیجیتال از القاگرها استفاده میکنند. |
| فرستنده-گیرنده RF ۲.۴ گیگاهرتز | مواد PTFE، برد دو رو | انتقال و دریافت RF در محفظههای جداگانه با پوشش محافظ فلزی؛ ورودی توان فیلتر شده. |
| فرستنده/گیرنده RF با فرکانس ۱.۹ گیگاهرتز | مواد PTFE، برد مدار چاپی چهارلایه | از ریختهگریهای بزرگ کف و سپر استفاده کنید. |
| فرستنده/گیرنده IF ۱۴۰ مگاهرتز | لایه بالایی S1139 ۰.۳ میلیمتر | ریختهگری بزرگ زمینی؛ از طریق ایزولاسیون. |
| فرستنده-گیرنده IF ۷۰ مگاهرتز | FR-4، برد مدار چاپی چهار لایه | ریختهگری گستردهٔ زمین؛ جداسازی ماژول از طریق حصارکشی. |
| تقویتکننده توان ۳۰ وات | مواد RO4350، برد مدار چاپی دو رو | ریختهگری زمین گسترده؛ کنترل فاصله تا بیش از ۵۰ اهم عرض خط؛ جعبهٔ محافظ و فیلتراسیون ورودی توان. |
| منبع مایکروویو ۲۰۰۰ مگاهرتز | S1139 ۰.۸ میلیمتر بالا | برد مدار چاپی دو رو؛ کنترل دقیق ابعاد مسیرها. |
از اینها بهعنوان مثال استفاده کنید. هر پروژه به انتخاب مواد و ضخامت مناسب خود نیاز دارد.
نیازمندیهای مواد برد مدار چاپی فرکانس بالا
طراحان باید این خواص کلیدی مواد را بررسی کنند:
اتلاف دیالکتریک (Df، تانژنت اتلاف) باید بسیار کوچک باشد. از دست رفتن کم به معنای تضعیف کمتر سیگنال است.
جذب آب پایین مهم است. جذب آب بالا ثابت دیالکتریک و تلفات را تغییر میدهد.
ثابت دیالکتریک (DK) باید پایین و پایدار باشد. DK پایینتر سرعت سیگنال بالاتری را فراهم میکند. پایداری DK همچنین به کنترل امپدانس کمک میکند.
CTE و تطابق حرارتی میان ورق مسی و پایه باید یکسان باشد. عدم تطابق زیاد در تغییرات دما میتواند باعث جداشدگی لایه مسی شود.
فرکانس بالا اغلب به معنای استفاده از زیرلایههای فلوروپلیمر مانند PTFE (معروف به تفلون) است.
نکات و احتیاطهای ساخت برای بردهای مدار چاپی فرکانس بالا
کنترل امپدانس سختگیرانه است. تolerance عرض خط کم است. tolerans کنترل معمول حدود ±2% است.
چسبندگی PTH روی مواد ویژه کم است. برای افزایش چسبندگی در آبکاری و پوشش ضد لحیمکاری، از زبرسازی سطح با پلاسما روی سوراخها و سطوح استفاده کنید.
قبل از لحیمکاری، تخته را سنباده نزنید. این باعث کاهش چسبندگی میشود. فقط از محلولهای میکرو-ایتچ یا سایر روشهای زبرسازی استفاده کنید.
بردهای PTFE اغلب با ابزارهای فرزکاری استاندارد لبههای زبر ایجاد میکنند. از متههای فرز ویژه استفاده کنید و از روشهای مسیریابی PTFE پیروی کنید.
نتیجهگیری کوتاه
بردهای مدار چاپی فرکانس بالا نیازمند مواد ویژه و کنترل دقیق فرآیند هستند. مادهای را انتخاب کنید که با نیازهای فرکانسی و حرارتی شما سازگار باشد. امپدانس را کنترل کرده و ویایهای زمین را نزدیک به هم قرار دهید. از شیلدینگ و فیلترینگ صحیح توان استفاده کنید. مراحل ویژهٔ دستکاری PTFE و سایر لمینتهای مایکروویو را دنبال کنید. این مراحل عملکرد و بازده مدارهای فرکانس بالا را بهبود میبخشند.
سوالات متداول
مواد معمول شامل لمینتهای مبتنی بر PTFE (تفلون) و کامپوزیتهای مهندسیشده از تأمینکنندگانی مانند راجرز (RO3000/RO4000/RT/duroid) و ایزولا هستند که بهخاطر ضریب اتلاف کم و ثابت دیالکتریک پایدار انتخاب میشوند.
FR-4 دارای تلفات دیالکتریک بالاتر و ثابت دیالکتریک ناپایدارتر در فرکانسهای گیگاهرتز است که باعث افزایش تلفات سیگنال و تغییرپذیری امپدانس میشود؛ برای بسیاری از کاربردهای RF یا مایکروویو، لمینتهای کلاس PTFE/Rogers عملکرد بسیار بهتری دارند.
ثابت دیالکتریک (Dk) مقاومت الکتریکی و سرعت سیگنال را کنترل میکند؛ تانژانت تلفات (Df) تضعیف سیگنال را تعیین میکند. Dk کم و پایدار و تانژانت تلفات پایین برای عملکرد یکنواخت در فرکانسهای بالا ضروری هستند.
آنتنها، تقویتکنندههای RF، فیلترها، ایستگاههای پایه 5G، پیوندهای رادیویی مایکروویو، ارتباطات ماهوارهای، رادار و ماژولهای RF پرسرعت.
محدوده فرکانس مورد نیاز، پایداری امپدانس هدف، نیازهای حرارتی/CTE و تانژانت تلفات را مشخص کنید. برگه دادههای تأمینکنندگان (Rogers، Isola و غیره) را مرور کرده و دادههای آزمون مواد (Dk/Df در مقابل فرکانس) را درخواست کنید.