Mikä on korkeataajuinen PCB

A korkeataajuinen PCB on erityinen painettu piirilevy (PCB), jota käytetään korkeiden sähkömagneettisten taajuussignaalien lähettämiseen. Näitä levyjä käytetään yli 300 MHz:n radiotaajuuksille (aallonpituus < 1 m) ja yli 3 GHz:n mikroaaltotaajuuksille (aallonpituus < 0,1 m). Ne valmistetaan mikroaaltopohjaisille kuparipinnoitetuille laminaateille. Tuotannossa voidaan käyttää joitakin jäykän piirilevyn vakiovaiheita tai käyttää erityismenetelmiä näitä materiaaleja varten.

Teknologian nopean kehityksen myötä yhä useammat laitteet toimivat mikroaaltokaistalla (> 1 GHz) ja jopa millimetriaaltoalueilla (> 30 GHz). Tämä tarkoittaa, että taajuudet kasvavat ja materiaalitarpeet lisääntyvät. Perusmateriaaleilla on oltava erittäin hyvät sähköiset ominaisuudet ja hyvä kemiallinen stabiilisuus. Kun signaalitaajuus nousee, materiaalihäviöiden on pysyttävä hyvin pieninä. 5G:n tulon myötä suurtaajuusmateriaalien merkitys korostui.

Korkeataajuisten PCB-piirilevyjen edut

1. Korkea hyötysuhde
Materiaalit, joilla on alhainen dielektrisyysvakio, aiheuttavat alhaisen häviön. Nykyaikaisella induktiolämmityksellä ja muilla menetelmillä voidaan saavuttaa tavoitteet ja säilyttää korkea hyötysuhde. Nämä levyt auttavat myös vähentämään jätettä ja sopivat vihreisiin tavoitteisiin.

2. Suuri nopeus
Signaalin nopeus on kääntäen verrannollinen dielektrisyysvakion neliöjuureen. Pienempi dielektrisyysvakio tarkoittaa nopeampaa siirtoa. Erikoismateriaalit pitävät dielektrisyysvakion alhaisena ja vakaana. Tämä edistää signaalin siirtoa.

3. Lämmityksen tai käsittelyn hyvä valvonta
Suurtaajuuslevyjä käytetään monilla aloilla, joilla tarvitaan metalliosien tarkkaa kuumentamista. Voit säätää, kuinka syvälle tai mihin kohtaan lämmitys kohdistuu. Voit keskittyä pinta- tai syvälämmitykseen. Voit lämmittää keskitetysti tai hajautetusti. Levy mahdollistaa hienosäädön.

4. Vahva kestävyys
Dielektrisyysvakio ja dielektrinen materiaali riippuvat ympäristöstä. Kosteissa tiloissa kosteus vahingoittaa levyjä. Vähän vettä absorboivasta materiaalista valmistetut korkeataajuuslevyt kestävät tätä. Ne kestävät kemiallista korroosiota, kosteutta, korkeaa lämpöä ja niillä on korkea kuorintapinta. Nämä ominaisuudet tekevät niistä vahvoja kovissa ympäristöissä.

Yleiset suurtaajuus- ja nopeat PCB-materiaalit

(Käytä näitä esimerkkimateriaaleja lähtökohtana. Jokaisessa mallissa tarvitaan taajuuden ja ulkoasun kannalta oikea materiaalivalinta).

Suurtaajuuslevyjen ja HDI-levyjen välinen eroavaisuus

Korkeataajuiset piirilevyt ovat tutkia, testauslaitteita, autojen törmäyksenestojärjestelmiä, viestintäsatelliitteja, langattomia järjestelmiä ja muita aloja varten. HDI-piirilevyt (High Density Interconnect) on tarkoitettu pienille laitteille, joissa on monia komponentteja. HDI:ssä käytetään usein kaksipuolisia levyjä tuotteissa, joiden tilavuus on pieni.

Suurtaajuuslevy vaatii erittäin korkeaa prosessinohjausta ja tarkkuutta. Usein suunnittelijat aloittavat FR-4-lasiepoksilla, mutta todellisissa suurtaajuuslevyissä käytetään erikoislaminaatteja. Levyllä on oltava pieni ja vakaa dielektrisyysvakio, alhainen dielektrinen häviö, alhainen veden imeytyminen, korkea lämpötilan sietokyky ja hyvä korroosionkestävyys.

HDI-levy käyttää mikrosokea läpivientejä suuren reititystiheyden saavuttamiseksi. Siinä on sisäinen ja ulkoinen reititys, jotka yhdistetään poraamalla ja pinnoittamalla. HDI on tarkoitettu kompakteihin tuotteisiin. Joissakin HDI-malleissa käytetään modulaarisia rinnakkaismoduuleja ja vahvaa DSP-ohjausta teho- ja kuormitusominaisuuksiin.

Suurtaajuuslevyjen tyypit / luokittelu

Alla on lueteltu yleisiä tyyppejä ja niiden käsittelyä koskevia huomautuksia:

1. Jauhetäytteinen kestomuovi (keraamisesti täytetty)

• Materiaalit ja toimittajat: Arlon 25N / 25FR; Taconic TLG-sarja.

• Käsittely: vaiheet ovat samanlaiset kuin FR-4-epoksilasilaminaateissa. Levyt ovat kuitenkin hauraita ja helposti rikkoutuvia. Porien ja jyrsinterien työkalujen käyttöikä laskee noin 20%. Käsittele varoen.

2. PTFE (polytetrafluorieteeni, teflon).

• Materiaalit ja toimittajat:

  • Rogers: sarjat: RO3000-sarja, RT-sarja, TMM-sarja.

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

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

  • Taixingin mikroaaltouuni: F4B / F4BM / F4BK / TP-2B

• PTFE:n käsittelyä koskevat huomautukset:

  • Pidä suojakalvoa, kun leikkaat raakalevyjä naarmujen ja painojälkien välttämiseksi.

  • Käytä uusia poria (suositellaan vakioporia #130). Parhaan tuloksen saat poraamalla yhden levyn kerrallaan. Pidä puristuspaine ~40 psi:ssä.

  • Käytä alumiinista taustalevyä ja 1 mm:n melamiinityynyjä pitämään PTFE:tä kiinni porauksen aikana.

  • Puhalla pöly pois rei'istä kuumalla ilmalla porauksen jälkeen.

  • Käytä vakaata porakonetta. Pieniä reikiä varten lisää nopeutta ja vähennä lastuamiskuormitusta ja karan palautusnopeutta.

  • Reiän pintakäsittely: matalan lämpötilan plasma- tai natriumnaftaleeniaktivointi auttaa reiän metallointia.

  • PTH (plated through hole) kuparin laskeutumiseen ja tarttumiseen on kiinnitettävä huomiota.

3. PTH-kuparin laskeutuminen

• Suorita PTH mikroetsauksen jälkeen (~20 mikrotuuman kontrolli). Suorita tarvittaessa toinen PTH-kierros levyn reitityksen edellyttämällä tavalla.

4. Juotosmaski (vihreä maski) prosessi

• Esikäsittely: käytä happo-/emäspuhdistusta; vältä mekaanista hiontaa.

• Esikäsittelyn jälkeen levyä paistetaan (90 °C 30 minuutin ajan) ja levitetään kuiva kalvo.

• Paista kolmessa vaiheessa: 80°C, 100°C, 150°C, 30 min kukin. Jos maskissa näkyy öljyläikkiä, poista maski ja toista aktivointikäsittely.

5. PTFE-levyjen reititys / jyrsintä

• Käytä ohutta paperia PTFE-jäljityspuolella ja kiinnitä FR-4- tai fenolinen taustalevy reitityksen aikana.

• Jyrsinnän jälkeen viimeistele käsin reunapurseet ja tarkista huolellisesti. Vältä kuparin ja levyn pinnan vahingoittamista. Käytä rikitöntä erotuspaperia. Vähennä purseita hyvin. Jyrsintävaiheessa on jätettävä hyvä reunojen viimeistely.

Korkean taajuuden PTFE-levyjen tuotantovirtaus

Alla on kolme yleistä prosessivirtaa. Laitoin ne taulukkoon selkeyden vuoksi.

Huomautus: Jokaisessa prosessivaiheessa on valvottava tiukasti pintanaarmuja ja muita vikoja.

Korkeataajuisten piirilevyjen sovellukset

Korkeataajuisia PCB:tä esiintyy yleisesti:

• Tehovahvistimet ja kohinavahvistimet (LNA)

• Mobiiliviestintätuotteet ja älykkäät valaistusjärjestelmät

• Tehonjakajat, kytkimet, duplekserit, suodattimet ja muut passiiviset laitteet

• Autojen törmäyksenestojärjestelmät, viestintäsatelliitit, langattomat puhelinjärjestelmät.

• Lyhyesti sanottuna elektroniikka siirtyy korkeampiin taajuuksiin, ja suurtaajuuslevyt seuraavat tätä suuntausta.

Kuinka suunnitella korkean taajuuden piirilevyjä?

Korkeataajuisen piirilevyn suunnittelussa tehotasojen asettelu on kriittinen. Laita teho yleensä omalle kerrokselleen. Tämä auttaa piiriä seuraamaan pienimmän impedanssin polkua. Tehotason on tarjottava paluureitit kaikille piirilevyn signaaleille. Tämä pienentää silmukkapinta-alaa ja vähentää kohinaa. Matalataajuussuunnittelijat jättävät usein huomiotta joitakin näistä kohinaongelmista.

Noudata näitä sääntöjä korkeataajuisen piirilevyn suunnittelussa:

• Pidä voima ja maa vakaina ja yhtenäisinä.

• Huolellinen reititys ja oikea päättäminen poistavat heijastukset.

• Huolellinen reititys ja oikea terminointi vähentävät kapasitanssia ja mitattua ristikkäisääntä.

Seuraavassa käsittelen useita keskeisiä aiheita.

(1) Siirtolinjan leveys

Siirtojohdon leveyden suurtaajuuspiirilevysuunnittelussa on noudatettava impedanssin sovitusteoriaa.

Impedanssin sovittaminen
Kun tulo-/lähtöimpedanssi ja siirtojohdon impedanssi vastaavat toisiaan, järjestelmä tuottaa suurimman mahdollisen lähtötehon ja pienimmän heijastuksen. Mikroaaltopiireissä sovittamisessa on otettava huomioon myös laitteen bias-pisteet. Signaalijohtojen läpiviennit muuttavat siirto-ominaisuuksia. TTL- ja CMOS-järjestelmissä ominaisimpedanssi on korkea, joten vaikutus on pieni. Mutta 50 Ω:n matalaimpedanssisten RF-linjojen kohdalla läpiviennit on otettava huomioon. Vältä yleensä läpivientejä tällaisilla linjoilla.

(2) Rinnakkaisten siirtojohtojen välinen ristikkäishäiriö

Kun kaksi mikroliuskajohtoa kulkee lähekkäin ja rinnakkain, syntyy kytkentä. Ne aiheuttavat ristikkäispuhelua ja muuttavat linjan ominaisimpedanssia. Kiinnitä huomiota 50 Ω:n ja 75 Ω:n piireihin. Suunnittelijat voivat käyttää kytkentää joihinkin toimintoihin, kuten suuntauskytkimiin tai tehonmittaukseen. Esimerkkiarvot yhdestä suunnittelusta (1,97 GHz:n PCS-päätytukiasemavahvistin, dielektrinen εr = 3,48):

• 10 dB:n suuntaajakytkimelle: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil.

• 20 dB:n suuntaajakytkimelle: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil.

Vähentääksesi ristikkäisääniä noudata seuraavia sääntöjä:

A. Suurtaajuisten tai suurnopeuksisten rinnakkaisten linjojen väli S on pidettävä vähintään yhden viivan levyisenä.
B. Leikataan mahdollisuuksien mukaan yhdensuuntaista pituutta.
C. Pidä pienet suurtaajuussignaalit kaukana virta- ja logiikkajohdoista, jotka voivat aiheuttaa voimakkaita häiriöitä.

(3) Maadoitus sähkömagneettisen analyysin kautta

Laita IC-maadoitusnastoja tai muita maadoitusnastoja varten maadoitusläpiviennit lähelle nastoja korkeataajuuspiireissä. Idea: lyhyt maadoitusreitti toimii induktiivisen impedanssin tavoin. Maadoitusväylä näyttää myös induktiiviselta. Tämä vaikuttaa suodattimen toimintaan. Tämän vuoksi maadoitusläpiviennit on sijoitettava lähelle nastoja. Induktiivisen kuorman vähentämiseksi käytä enemmän maadoitusläpivientejä kuin matalataajuuspiireissä. Tämä lisää maavirtakapasiteettia ja auttaa pitämään kaikki pisteet lähellä 0 V:tä.

(4) Virran suodatus

TTL- ja CMOS-suunnittelijat lisäävät ohituskondensaattoreita virtanastojen läheisyyteen logiikkakohinan vähentämiseksi. Korkeataajuus- ja mikroaaltopiireissä tämä ei riitä. Korkeataajuiset signaalit aiheuttavat suurtaajuushäiriöitä virtaan. Käytä sarjainduktoreja ja kondensaattoreita. Valitse induktorit työskentelytaajuuden mukaan. Esimerkki: Jos haluat suodattaa >1 MHz:n kohinaa C = 0,1 μF:llä, valitse L = 1 μH. Ole varovainen, kun lisäät induktanssia kollektorin avoimen piirin signaalinastoihin. Induktori toimii silloin sovitusinduktanssin tavoin.

(5) Suojaus

Käytä suojausta pienten tai korkeataajuisten signaalien suojaamiseen. Tämä vähentää voimakkaita signaalihäiriöitä ja vähentää sähkömagneettista häiriötä. Joitakin ohjeita:

A. Matalataajuisissa digitaalisissa/analogisissa (<30 MHz) piensignaalisuunnitelmissa digitaaliset ja analogiset maadoitukset on jaettava ja maadoitustaso on kaadettava piensignaalialueille. Pidä maadoituksen ja johtojen välinen etäisyys suurempana kuin johtojen leveys.

B. Korkeataajuisten digitaalisten/analogisten piensignaalien suunnittelussa on lisättävä suojapurkkeja tai ommeltuja maadoitusläpivientejä alueiden eristämiseksi.

C. Suuritehoisissa suurtaajuuspiireissä suurtaajuusosasta on tehtävä erillinen toiminnallinen moduuli ja lisättävä metallinen suojakotelo säteilyn vähentämiseksi. Esimerkiksi 155 M:n, 622 M:n tai 2 Gb/s:n optiset kuitulähetinmoduulit.

Matkapuhelimen monikerroksinen piirilevy (esimerkki: Nokia 6110) voi sijoittaa komponentit molemmille puolille ja käyttää sisäisiä maadoituksia alkuperäisen kuvan mukaisesti. (Kuvaviittaukset on jätetty tässä pois.)

Esimerkkejä korkeiden lautojen materiaalivalinnoista

Alla on esimerkkejä suunnittelemistamme ja virheenkorjaamistamme piirilevyistä:

Käytä näitä esimerkkeinä. Jokaisessa projektissa on valittava oma materiaalinsa ja paksuutensa.

Korkean taajuuden PCB-materiaalivaatimukset

Suunnittelijoiden tulisi tarkistaa nämä keskeiset materiaaliominaisuudet:

1. Dielektrinen häviö (Df, häviötangentti) on oltava hyvin pieni. Pieni häviö tarkoittaa pienempää signaalin vaimennusta.

2. Alhainen veden imeytyminen on tärkeää. Suuri vedenotto muuttaa dielektrisyysvakiota ja häviötä.

3. Dielektrisyysvakio (DK) on oltava alhainen ja vakaa. Pienempi DK antaa suuremman signaalinopeuden. DK:n vakaus auttaa myös impedanssin ohjauksessa.

4. CTE ja terminen yhteensopivuus kuparifolion ja alustan välillä on oltava samanlainen. Suuri epäsuhta lämpötilan muutosten aikana voi aiheuttaa kuparin irtoamista.

Suurtaajuus tarkoittaa usein fluoripolymeerialustojen, kuten PTFE:n (tunnetaan nimellä teflon), käyttöä.

Korkean taajuuden piirilevyjen valmistusta koskevat huomautukset ja varoitukset

1. Impedanssin säätö on tiukka. Viivan leveyden toleranssi on tiukka. Tyypillinen ohjaustoleranssi ~ ±2%.

2. PTH:n tarttuvuus on alhainen erikoismateriaaleissa. Käytä plasman pintakarhennusta reikiin ja pintoihin, jotta voidaan parantaa pinnoituksen ja juotosvastuksen tarttuvuutta.

3. Älä hio levyä ennen juottamista. Tämä vähentää tarttuvuutta. Käytä vain mikroetsausliuoksia tai muita karhennusmenetelmiä.

4. PTFE-levyt aiheuttavat usein karheita reunoja tavallisilla jyrsintätyökaluilla. Käytä erikoisjyrsimiä ja noudata PTFE-jyrsintäkäytäntöjä.

Lyhyt päätelmä

Korkeataajuiset piirilevyt vaativat erikoismateriaaleja ja huolellista prosessinohjausta. Valitse materiaali, joka sopii taajuus- ja lämpövaatimuksiisi. Hallitse impedanssia ja sijoita maadoitusväylät tiiviisti. Käytä suojausta ja oikeanlaista tehonsuodatusta. Noudata PTFE:n ja muiden mikroaaltolaminaattien erityisiä käsittelyvaiheita. Nämä vaiheet parantavat suorituskykyä ja tuottoa suurtaajuuspiireissä.