In elektronische velden met hoge frequentie-, zoals 5G-communicatie, satellietnavigatie en radarsystemen, bereikt de frequentie van de signaaloverdracht doorgaans het GHz-niveau of zelfs hoger. Op dit moment zijn gewone printplaten niet langer in staat om te voldoen aan de eisen voor signaalintegriteit, en zijn hoogfrequente printplaten een onvermijdelijke keuze geworden vanwege hun unieke materiaaleigenschappen en procesontwerp. Het kernverschil tussenhoogfrequente printplaat-en gewoon bord:
1, Kernverschil: Disruptieve doorbraak in materialen en prestaties
(1) Het essentiële verschil in substraateigenschappen
Gewone printplaat: neem FR-4 als voorbeeld
Materiaalsamenstelling: Bij gebruik van met epoxyhars geïmpregneerd glasvezeldoek als substraat zijn de kosten laag en is het proces volwassen, maar de diëlektrische constante is hoog (meestal Dk=4.2-4.8) en het diëlektrische verlies is groot (Df=0.02-0.03).
Hoge frequentiebeperkingen: Wanneer de signaalfrequentie hoger is dan 1 GHz, neemt het diëlektrische verlies aanzienlijk toe, is de signaalverzwakking ernstig en fluctueert de diëlektrische constante aanzienlijk met de frequentie, waardoor impedantiecontrole moeilijk wordt.
Hoogfrequente printplaat: neem PTFE en keramisch gevulde composietmaterialen als voorbeelden
Materiaalinnovatie:
Op PTFE gebaseerde platen: zoals Rogers RT/duroid-serie, met Dk zo laag als 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Keramisch gevulde composietmaterialen, zoals IsolaFR408HR, verminderen Dk (Dk=3.0-3.8) en verbeteren de thermische geleidbaarheid door keramische poedervulling, waarbij de hoge- frequentieprestaties en verwerkingskosten in evenwicht worden gebracht.
Belangrijkste voordelen: een lage diëlektrische constante vermindert de signaaltransmissievertraging, een laag verlies vermindert de energieverzwakking en Dk/Df verandert met minder dan 5% met de frequentie, waardoor faseconsistentie van hoogfrequente signalen wordt gegarandeerd.
(2) Speciale vereisten voor structurele lay-out
Gewone pcb-gestapelde lay-out
De signaallaag wordt eenvoudigweg gescheiden door de vermogenslaag/geologische laag, en de diëlektrische diktetolerantie tussen de lagen mag ± 10% bedragen. De nauwkeurigheid van de impedantieregeling is doorgaans ± 10%.
Hoogfrequente pcb-gestapelde lay-out
Strikte impedantiecontrole: door gebruik te maken van specifieke transmissielijnstructuren zoals microstriplijnen, striplijnen, coplanaire golfgeleiders, enz., moet de diëlektrische diktetolerantie binnen ± 5% worden geregeld, en de vereiste impedantienauwkeurigheid is ± 5% of zelfs ± 3%. De berekening van de lijnbreedte van een microstriplijn van 50 Ω moet bijvoorbeeld nauwkeurig zijn tot op μm-niveau, terwijl rekening wordt gehouden met de invloed van de ruwheid van koperfolie op de impedantie (wanneer de ruwheid Ra kleiner is dan of gelijk aan 0,5 μm, kan de impedantieafwijking met 2% -3%) worden verminderd.
Optimalisatie van elektromagnetische afscherming: Hoogfrequente signalen zijn gevoelig voor elektromagnetische interferentie, en er wordt vaak gebruik gemaakt van schermvullende schermlaagindelingen of ingebedde condensator-/inductorstructuren. Aarding via arrays (afstand kleiner dan of gelijk aan 1 mm) wordt tussen de lagen toegevoegd om overspraak te verminderen.
(3) De precisie van de verwerkingstechnologie is enorm gestegen
Gewone PCB-verwerkingstechnologie
Boornauwkeurigheid ± 50 μm, etslijnbreedtetolerantie ± 10%, oppervlaktebehandeling voornamelijk met behulp van HASL, ruwheid Ra=1-3 μm.
Hoogfrequente PCB-verwerkingstechnologie
Boren: Er wordt gebruik gemaakt van laserboren (opening kleiner dan of gelijk aan 0,1 mm) of een CNC-boormachine (nauwkeurigheid ± 10 μm) om delaminatie van het substraat veroorzaakt door mechanisch boren te voorkomen.
Etsen: Met behulp van een combinatie van pulsgalvanisering en chemische etsprocessen wordt de lijnbreedtetolerantie binnen ± 5% geregeld en is de draadrandruwheid Ra kleiner dan of gelijk aan 0,4 μm om signaalverstrooiing te verminderen.
Oppervlaktebehandeling: ENIG (goudlaagdikte 0,05-0,1 μm) of chemisch verzilveren heeft de voorkeur, met een vlakheid Ra kleiner dan of gelijk aan 0,2 μm, om de contactweerstand en huideffectverliezen te verminderen.
2. Kernoverwegingen voor de productie van hoog-printplaten
(1) Materiaalkeuze: van "bruikbaar" tot "precieze aanpassing"
Matching van frequentiebereik
1-10GHz-scenario: Optioneel keramisch gevulde FR-4 (zoals Nelco 4000-13SI) of gemodificeerde epoxyharsplaat (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
10GHz-scenario: PTFE-gebaseerde of keramische composietmaterialen (zoals Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009) moeten worden gebruikt.
Overwegingen bij thermisch beheer
Hoogfrequente apparaten genereren een grote hoeveelheid warmte, dus het is noodzakelijk om een plaat te kiezen met een thermische geleidbaarheid groter dan of gelijk aan 0,5 W/(m · K) (zoals Rogers 4350B, met een thermische geleidbaarheid van 0,7 W/(m · K)) en een ingebedde koellichaamstructuur te ontwerpen.
(2) Procesbeheersing: hoger streven naar nauwkeurigheid op micrometerniveau
Laminatieproces
Met behulp van een vacuümlamineermachine is de drukuniformiteit kleiner dan of gelijk aan ± 2% en de temperatuurschommelingen kleiner dan of gelijk aan ± 1 graad om impedantieafwijkingen veroorzaakt door ongelijkmatige dikte van de middenlaag te voorkomen. Als de diktetolerantie van een diëlektrische laag van 0,1 mm bijvoorbeeld groter is dan ± 5 μm, zal de impedantiefout groter zijn dan ± 4%.
Patroonoverdracht
Door gebruik te maken van directe laserschrijftechnologie in plaats van traditioneel optisch tekenen, kan de nauwkeurigheid van de lijnbreedte ± 3 μm bereiken, geschikt voor de productie van ultrafijne lijnen onder 50 μm. Tijdens de blootstelling is het noodzakelijk om de golflengte van de lichtbron (365 nm ultraviolet licht) en de energiedichtheid (120-150 mJ/cm²) te controleren om overmatige of onvoldoende ontwikkeling te voorkomen.
Realtime impedantiebewaking
Nadat elke laag van de circuitfabricage is voltooid, gebruikt u TDR om de impedantie online te meten en de daaropvolgende procesparameters aan te passen door de ontwerpwaarden te vergelijken. Als de gemeten impedantie bijvoorbeeld 8% hoger is dan de doelwaarde, kan compensatie worden uitgevoerd door de dikte van de koperfolie te vergroten vóór het etsen of door de lijnbreedte nauwkeurig af te stemmen-.
(3) Preventie en beheersing van defecten: 'dodelijke verwondingen' in hoogfrequente scenario's
Middelmatige laag bubbels
Vóór het lamineren moet u het substraat en de semi-uitgeharde plaat vacuümdrogen (120 graden/2 uur) met een vochtgehalte onder de 0,1% om signaallekkage te voorkomen die wordt veroorzaakt door het genereren van luchtbellen tijdens het persen bij hoge- temperaturen.
Ruwheid van koperfolie
Hoogfrequente circuits moeten RTF of HVLP gebruiken, met een ruwheid Ra kleiner dan of gelijk aan 0,3 μm. Gewone elektrolytische koperfolie (Ra=1.0-1.5 μm) verhoogt het signaalverlies bij 10 GHz met meer dan 30%.
Parasitaire parameters door gaten
Hoogfrequente via-gaten vereisen het gebruik van terugboortechnologie om "Stub" (resterende poollengte kleiner dan of gelijk aan 0,5 mm) te verwijderen en de impedantie van het via-gat te regelen zodat deze overeenkomt met de impedantie van de transmissielijn (afwijking kleiner dan of gelijk aan 5%). Niet-geboorde gaten genereren een retourverlies van ongeveer -20 dB bij 10 GHz.
(4) Detectie en verificatie: multi-dimensionale prestatiepenetratie
Testen van signaalintegriteit
Gebruik een vectornetwerkanalysator om S-parameters te meten (S11 kleiner dan of gelijk aan -20dB, S21 groter dan of gelijk aan -3dB @ doelfrequentie) en evalueer het retourverlies en het invoegverlies.
Thermische betrouwbaarheidstesten
Voer een reflow-soldeertest uit bij 260 graden/10 seconden om te observeren of er delaminatie in de plaat aanwezig is (door het verbindingsoppervlak tussen de lagen te detecteren via een schijfmicroscoop) en test de verandering in de diëlektrische constante bij hoge temperatuur (Δ Dk kleiner dan of gelijk aan 3%).
Verificatie van veroudering op lange termijn
Plaats het monster gedurende 500 uur in een omgeving met een relatieve luchtvochtigheid van 85 graden/85% om de isolatieweerstand (groter dan of gelijk aan 10 ^ 9 Ω) en veranderingen in het diëlektrisch verlies (Δ Df kleiner dan of gelijk aan 5%) te testen, zodat de lange-stabiliteit van de hoge- prestaties op hoge frequentie wordt gewaarborgd.
3, Typisch geval: hoogfrequente ontwerppraktijk van 5G-basisstation RF-bord
In het RF-bordontwerp van het 5G-basisstation AAU (actieve antenne-eenheid) wordt het Rogers6010LM-bord (Dk=10.2, Df=0.0023) gebruikt om een microstrip-antenne-array te maken. Bereik doorbraken in hoogfrequente prestaties door de volgende maatregelen:
Gestapeld ontwerp: 3-laags structuur (signaallaag/grondlaag/signaallaag), diëlektrische dikte 0,254 mm, impedantiecontrole 50 Ω ± 3%.
Procesinnovatie: Met behulp van CO₂-laserboren (diafragma 0,15 mm) en chemische verzilvering van de oppervlaktebehandeling (ruwheid Ra=0.15 μm) wordt het invoegverlies in de 18GHz-frequentieband teruggebracht tot 0,8 dB/inch.
Testverificatie: het retourverlies in de 18-22GHz-frequentieband gemeten door VNA is minder dan -25dB, wat voldoet aan de strenge eisen van de 5GNR-standaard voor RF-verbindingen.