Във високо{0}}честотни електронни полета, като 5G комуникация, сателитна навигация и радарни системи, честотата на предаване на сигнала обикновено достига ниво GHz или дори по-високо. На този етап обикновените печатни платки вече не могат да отговорят на изискванията за цялост на сигнала, а високо-честотните печатни платки се превърнаха в неизбежен избор поради уникалните си материални характеристики и дизайн на процеса. Основната разлика междувисоко{0}}честотна печатна платкаи обикновена дъска:
1, Основна разлика: Разрушителен пробив в материалите и производителността
(1) Съществената разлика в характеристиките на субстрата
Обикновена печатна платка: вземете FR-4 като пример
Състав на материала: Използвайки плат от стъклени влакна, импрегниран с епоксидна смола, като субстрат, цената е ниска и процесът е зрял, но диелектричната константа е висока (обикновено Dk=4.2-4.8) и диелектричните загуби са големи (Df=0.02-0.03).
Ограничения за висока честота: Когато честотата на сигнала надвишава 1 GHz, диелектричните загуби значително се увеличават, затихването на сигнала е силно и диелектричната константа варира значително с честотата, което затруднява контрола на импеданса.
Високочестотна печатна платка: вземане на PTFE и композитни материали с керамичен пълнеж като примери
Материална иновация:
Лист на основата на PTFE: като серия Rogers RT/duroid, с Dk до 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Композитните материали с керамичен пълнеж, като IsolaFR408HR, намаляват Dk (Dk=3.0-3.8) и подобряват топлопроводимостта чрез пълнеж с керамичен прах, като балансират високата-честота и разходите за обработка.
Ключови предимства: Ниската диелектрична константа намалява забавянето на предаването на сигнала, ниските загуби намаляват затихването на енергията и Dk/Df се променя с по-малко от 5% с честотата, осигурявайки последователност на фазите на високо-честотните сигнали.
(2) Специални изисквания към устройственото оформление
Обикновена подредена печатна платка
Сигналният слой е просто разделен от силовия слой/геоложкия слой, а допустимото отклонение на дебелината на диелектрика на междинния слой е ± 10%. Точността на контрол на импеданса обикновено е ± 10%.
Високочестотно оформление на печатни платки
Стриктен контрол на импеданса: използвайки специфични структури на предавателни линии като микролентови линии, лентови линии, копланарни вълноводи и т.н., толерансът на дебелината на диелектрика трябва да се контролира в рамките на ± 5%, а изискването за точност на импеданса е ± 5% или дори ± 3%. Например, изчислението на ширината на линията на микролентова линия от 50 Ω трябва да бъде точно до нивото на μm, като същевременно се отчита влиянието на грапавостта на медното фолио върху импеданса (когато грапавостта Ra е по-малка или равна на 0,5 μm, отклонението на импеданса може да бъде намалено с 2% -3%).
Оптимизация на електромагнитното екраниране: Високочестотните сигнали са податливи на електромагнитни смущения и често се използват екраниращи слоеве на цял екран или структури с вграден кондензатор/индуктор. Заземяване чрез масиви (разстояние по-малко от или равно на 1 мм) се добавя между слоевете за намаляване на кръстосаните смущения.
(3) Прецизността на технологията за обработка рязко се повиши
Обикновена технология за обработка на печатни платки
Точност на пробиване ± 50 μ m, толеранс на ширината на линията на ецване ± 10%, повърхностна обработка главно с HASL, грапавост Ra=1-3 μ m.
Технология за обработка на печатни платки с висока честота
Пробиване: Използва се лазерно пробиване (отвор по-малък или равен на 0,1 mm) или машина за пробиване с ЦПУ (точност ± 10 μm), за да се избегне разслояването на субстрата, причинено от механично пробиване.
Офорт: Използвайки комбинация от импулсно галванично покритие и процеси на химическо ецване, толерансът на ширината на линията се контролира в рамките на ± 5%, а грапавостта на ръба на проводника Ra е по-малка или равна на 0,4 μm, за да се намали разсейването на сигнала.
Повърхностна обработка: Предпочита се ENIG (дебелина на златния слой 0,05-0,1 μm) или химическо сребърно покритие, с плоскост Ra По-малка или равна на 0,2 μm, за намаляване на контактното съпротивление и загубите на скин ефект.
2, Основни съображения за-производството на високочестотни печатни платки
(1) Избор на материал: от „използваем“ до „прецизна адаптация“
Съвпадение на честотния диапазон
1-10GHz сценарий: Допълнителен керамичен пълнеж FR-4 (като Nelco 4000-13SI) или модифициран лист от епоксидна смола (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
10GHz сценарий: трябва да се използват композитни материали на основата на PTFE или керамика (като Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Съображения за управление на топлината
Високочестотните устройства генерират голямо количество топлина, така че е необходимо да се избере платка с топлопроводимост по-голяма или равна на 0,5 W/(m · K) (като Rogers 4350B, с топлопроводимост 0,7 W/(m · K)) и да се проектира вградена структура на радиатора.
(2) Контрол на процеса: по-висок стремеж към прецизност на микрометърно ниво
Процес на ламиниране
Използвайки машина за вакуумно ламиниране, равномерността на налягането е по-малка или равна на ± 2%, а температурните колебания са по-малки или равни на ± 1 градус, за да се избегне отклонение на импеданса, причинено от неравномерна дебелина на средния слой. Например, ако толерансът на дебелината на диелектричен слой с дебелина 0,1 mm надвишава ± 5 μm, грешката на импеданса ще надвишава ± 4%.
Прехвърляне на модел
Използвайки лазерна технология за директно писане вместо традиционното оптично чертане, точността на ширината на линията може да достигне ± 3 μm, подходяща за производство на ултрафини линии под 50 μm. По време на експозицията е необходимо да се контролира дължината на вълната на източника на светлина (365nm ултравиолетова светлина) и енергийната плътност (120-150mJ/cm²), за да се предотврати прекомерно или недостатъчно развитие.
Мониторинг на импеданса в реално време
След завършване на всеки слой от производството на верига, използвайте TDR за измерване на импеданса онлайн и коригирайте последващите параметри на процеса чрез сравняване на проектните стойности. Например, ако измереният импеданс е с 8% по-висок от целевата стойност, може да се направи компенсация чрез увеличаване на дебелината на медното фолио преди ецване или фина-настройка на ширината на линията.
(3) Предотвратяване и контрол на дефекти: „Смъртоносни наранявания“ при високочестотни сценарии
Мехурчета със среден слой
Преди ламиниране изсушете под вакуум субстрата и полувтвърдения лист (120 градуса /2 часа) със съдържание на влага, контролирано под 0,1%, за да избегнете изтичане на сигнал, причинено от генерирането на мехурчета по време на високо-температурно пресоване.
Грапавост на медно фолио
Високочестотните вериги трябва да използват RTF или HVLP с грапавост Ra По-малка или равна на 0,3 μm. Обикновеното електролитно медно фолио (Ra=1.0-1.5 μ m) ще увеличи загубата на сигнал при 10GHz с повече от 30%.
Паразитни параметри през дупки
Високочестотните проходни отвори изискват използването на технология за обратно пробиване, за да се отстрани "Stub" (остатъчна дължина на купчината, по-малка или равна на 0,5 mm) и контрол на импеданса на проходния отвор, за да съответства на импеданса на предавателната линия (отклонение По-малко или равно на 5%). Непробитите проходни отвори ще генерират обратна загуба от приблизително -20dB при 10GHz.
(4) Откриване и проверка: много-проникване на ефективността
Тестване на целостта на сигнала
Използвайте векторен мрежов анализатор, за да измерите S параметрите (S11 По-малко или равно на -20dB, S21 По-голямо или равно на -3dB при целева честота) и оценете обратната загуба и вмъкнатата загуба.
Изпитване на топлинна надеждност
Извършете тест за запояване с повторно запояване при 260 градуса /10 секунди, за да наблюдавате дали има разслояване в платката (чрез откриване на свързващата повърхност на междинния слой чрез срезов микроскоп) и тествайте промяната в диелектричната константа при висока температура (Δ Dk По-малко или равно на 3%).
Дългосрочна проверка на стареенето
Поставете пробата в среда от 85 градуса /85% относителна влажност за 500 часа, за да тествате съпротивлението на изолацията (по-голямо или равно на 10 ^ 9 Ω) и промените в диелектричните загуби (Δ Df по-малко или равно на 5%), осигурявайки дългосрочна -стабилност на високо-честотното представяне.
3, Типичен случай: Високочестотна практика на проектиране на 5G базова станция RF платка
В дизайна на RF платка на 5G базова станция AAU (активна антена), платката Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) се използва за направата на микролентова антенна решетка. Постигнете пробиви във високо-честотната производителност чрез следните мерки:
Подреден дизайн: 3-слойна структура (сигнален слой/заземен слой/сигнален слой), дебелина на диелектрика 0,254 mm, контрол на импеданса 50 Ω± 3%.
Иновация на процеса: Използвайки лазерно пробиване с CO ₂ (отвор 0,15 mm) и повърхностна обработка с химическо сребърно покритие (грапавост Ra=0.15 μ m), вмъкнатата загуба в честотната лента от 18 GHz е намалена до 0,8 dB/inch.
Тестова проверка: Възвратната загуба в честотната лента 18-22GHz, измерена от VNA, е по-малка от -25dB, отговаряйки на строгите изисквания на стандарта 5GNR за RF връзки.