У високо-електронних полях, таких як зв’язок 5G, супутникова навігація та радарні системи, частота передачі сигналу зазвичай досягає рівня ГГц або навіть вище. На даний момент звичайні друковані плати більше не можуть відповідати вимогам цілісності сигналу, а високочастотні друковані плати стали неминучим вибором через їхні унікальні характеристики матеріалу та дизайн процесу. Основна різниця міжвисокочастотна друкована плата-і звичайна дошка:
1, Основна відмінність: революційний прорив у матеріалах і продуктивності
(1) Істотна різниця в характеристиках підкладки
Звичайна друкована плата: на прикладі FR-4
Склад матеріалу: використання склотканини, просоченої епоксидною смолою, як підкладка, вартість низька, процес зрілий, але діелектрична проникність висока (зазвичай Dk=4.2-4.8) і великі діелектричні втрати (Df=0.02-0.03).
Обмеження високої частоти: коли частота сигналу перевищує 1 ГГц, діелектричні втрати значно збільшуються, загасання сигналу є серйозним, а діелектрична проникність значно коливається з частотою, що ускладнює контроль імпедансу.
Високочастотна друкована плата: на прикладі PTFE та композитних матеріалів з керамічним наповненням
Матеріальні інновації:
Лист на основі PTFE: такий як серія Rogers RT/duroid, з Dk лише 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Композитні матеріали з керамічним наповнювачем, такі як IsolaFR408HR, зменшують Dk (Dk=3.0-3.8) і покращують теплопровідність завдяки наповненню керамічним порошком, збалансовуючи ефективність високої-частоти та витрати на обробку.
Ключові переваги: низька діелектрична проникність зменшує затримку передавання сигналу, низькі втрати зменшують загасання енергії, а Dk/Df змінюється менше ніж на 5% із частотою, забезпечуючи узгодженість фази високо-сигналів.
(2) Особливі вимоги до структурного планування
Звичайне розміщення друкованих плат
Сигнальний шар просто відокремлений силовим шаром/геологічним шаром, а допустиме відхилення товщини діелектрика між шарами становить ± 10%. Точність регулювання імпедансу зазвичай становить ± 10%.
Високочастотна друкована плата зі штабелем
Суворий контроль імпедансу: за допомогою спеціальних структур ліній передачі, таких як мікросмужкові лінії, смугові лінії, копланарні хвилеводи тощо, допуск на товщину діелектрика потрібно контролювати в межах ± 5%, а вимога до точності імпедансу становить ± 5% або навіть ± 3%. Наприклад, обчислення ширини лінії мікросмужкової лінії 50 Ом має бути точним до рівня мкм, враховуючи вплив шорсткості мідної фольги на імпеданс (коли шорсткість Ra менше або дорівнює 0,5 мкм, відхилення імпедансу можна зменшити на 2%-3%).
Оптимізація електромагнітного екранування: високочастотні сигнали сприйнятливі до електромагнітних перешкод, тому часто використовуються повноекранні макети екрануючого шару або вбудовані структури конденсатора/індуктора. Для зменшення перехресних перешкод між шарами додається заземлення за допомогою масивів (відстань менше або дорівнює 1 мм).
(3) Точність технології обробки різко зросла
Звичайна технологія обробки друкованих плат
Точність свердління ± 50 мкм, допуск ширини лінії травлення ± 10%, обробка поверхні переважно з використанням HASL, шорсткість Ra=1-3 мкм.
Технологія обробки високочастотних плат
Свердління: лазерне свердління (діафрагма менше або дорівнює 0,1 мм) або свердлильний верстат з ЧПК (точність ± 10 мкм) використовується, щоб уникнути розшарування основи, спричиненого механічним свердлінням.
Травлення: за допомогою комбінації процесів імпульсного гальванічного нанесення та хімічного травлення допуск на ширину лінії контролюється в межах ± 5%, а шорсткість краю дроту Ra менше або дорівнює 0,4 мкм, щоб зменшити розсіювання сигналу.
Поверхнева обробка: ENIG (товщина шару золота 0,05-0,1 мкм) або хімічне сріблення є кращим, з площинністю Ra менше або дорівнює 0,2 мкм, щоб зменшити опір контакту та втрати ефекту шкіри.
2. Основні міркування щодо-виробництва високочастотних друкованих плат
(1) Вибір матеріалу: від «придатного» до «точної адаптації»
Узгодження діапазону частот
Сценарій 1-10 ГГц: додатковий керамічний наповнений FR-4 (наприклад, Nelco 4000-13SI) або модифікований лист епоксидної смоли (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Сценарій 10 ГГц: необхідно використовувати композитні матеріали на основі PTFE або кераміки (такі як Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009).
Міркування термічного управління
Високочастотні пристрої генерують велику кількість тепла, тому необхідно вибрати плату з теплопровідністю, що перевищує або дорівнює 0,5 Вт/(м · К) (наприклад, Rogers 4350B, з теплопровідністю 0,7 Вт/(м · К)) і розробити вбудовану структуру радіатора.
(2) Контроль процесів: вищий рівень точності мікрометрів
Процес ламінування
За допомогою машини для вакуумного ламінування рівномірність тиску становить менше або дорівнює ± 2%, а коливання температури менше або дорівнює ± 1 градусу, щоб уникнути відхилення імпедансу, спричиненого нерівномірною товщиною середнього шару. Наприклад, якщо допуск на товщину шару діелектрика товщиною 0,1 мм перевищує ± 5 мкм, похибка імпедансу перевищить ± 4%.
Передача шаблону
Використовуючи технологію прямого лазерного письма замість традиційного оптичного малювання, точність ширини лінії може досягати ± 3 мкм, що підходить для виробництва надтонких ліній менше 50 мкм. Під час експозиції необхідно контролювати довжину хвилі джерела світла (ультрафіолетове світло 365 нм) і щільність енергії (120-150 мДж/см²), щоб запобігти надмірному або недостатньому розвитку.
Моніторинг імпедансу в реальному часі
Після завершення кожного шару виготовлення схеми використовуйте TDR для вимірювання імпедансу в режимі онлайн і коригування наступних параметрів процесу, порівнюючи проектні значення. Наприклад, якщо виміряний імпеданс на 8% вищий за цільове значення, компенсацію можна зробити, збільшивши товщину мідної фольги перед травленням або точно-відрегулювавши ширину лінії.
(3) Запобігання та контроль дефектів: «смертельні травми» у високочастотних сценаріях
Бульбашки середнього шару
Перед ламінуванням висушіть підкладку та напівзатверділий лист у вакуумі (120 градусів / 2 години) з контрольованим вмістом вологи нижче 0,1%, щоб уникнути витоку сигналу, спричиненого утворенням бульбашок під час високо-температурного пресування.
Шорсткість мідної фольги
Високочастотні схеми повинні використовувати RTF або HVLP, шорсткість Ra менше або дорівнює 0,3 мкм. Звичайна електролітична мідна фольга (Ra=1.0-1.5 μ м) збільшить втрати сигналу на частоті 10 ГГц більш ніж на 30%.
Паразитарні параметри через отвори
Високочастотні наскрізні отвори вимагають використання технології зворотного свердління для видалення «заглушки» (залишкова довжина ворсу менше або дорівнює 0,5 мм) і контролю імпедансу наскрізного отвору відповідно до опору лінії передачі (відхилення менше або дорівнює 5%). Непророблені наскрізні отвори створять зворотні втрати приблизно -20 дБ на 10 ГГц.
(4) Виявлення та перевірка: багато{1}}проникнення ефективності
Перевірка цілісності сигналу
Використовуйте векторний мережевий аналізатор для вимірювання S-параметрів (S11 менше або дорівнює -20 дБ, S21 більше або дорівнює -3 дБ на цільовій частоті) і оцініть зворотні та внесені втрати.
Випробування на термонадійність
Проведіть випробування паяння оплавленням при 260 градусах / 10 секунд, щоб спостерігати, чи є розшарування на платі (шляхом виявлення міжшарової з’єднувальної поверхні за допомогою мікроскопа зрізів), і перевірте зміну діелектричної проникності при високій температурі (Δ Dk Менше або дорівнює 3%).
Перевірка тривалого старіння
Помістіть зразок у середовище з температурою 85 градусів /85% відносної вологості на 500 годин, щоб перевірити опір ізоляції (більше або дорівнює 10 ^ 9 Ом) і зміни діелектричних втрат (Δ Df менше або дорівнює 5%), забезпечуючи довгострокову -стабільність високочастотних характеристик.
3, Типовий випадок: практика проектування високочастотної плати базової станції 5G
У дизайні радіочастотної плати базової станції 5G AAU (блок активної антени) плата Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) використовується для створення мікросмужкової антени. Досягніть прориву в-високочастотній продуктивності за допомогою таких заходів:
Багатошарова конструкція: 3-шарова структура (сигнальний шар/шар заземлення/сигнальний шар), товщина діелектрика 0,254 мм, контроль імпедансу 50 Ом ± 3%.
Інноваційний процес: за допомогою лазерного свердління CO₂ (діафрагма 0,15 мм) і обробки поверхні хімічним срібленням (шорсткість Ra=0.15 μ м) внесені втрати в діапазоні частот 18 ГГц зменшено до 0,8 дБ/дюйм.
Перевірка тесту: зворотні втрати в діапазоні частот 18-22 ГГц, виміряні VNA, становлять менше -25 дБ, що відповідає суворим вимогам стандарту 5GNR для радіочастотних каналів.