I hög-elektroniska fält som 5G-kommunikation, satellitnavigering och radarsystem når signalöverföringsfrekvensen vanligtvis GHz-nivån eller ännu högre. Vid denna tidpunkt kan vanliga kretskort inte längre uppfylla kraven på signalintegritet, och högfrekventa kretskort har blivit ett oundvikligt val på grund av deras unika materialegenskaper och processdesign. Kärnskillnaden mellanhögfrekventa-kretskortoch ordinarie styrelse:
1, kärnskillnad: störande genombrott i material och prestanda
(1) Den väsentliga skillnaden i substrategenskaper
Vanligt kretskort: ta FR-4 som exempel
Materialsammansättning: Med epoxihartsimpregnerad glasfiberduk som substrat är kostnaden låg och processen är mogen, men dielektricitetskonstanten är hög (vanligtvis Dk=4.2-4.8) och dielektrisk förlust är stor (Df=0.02-0.03).
Högfrekvensbegränsningar: När signalfrekvensen överstiger 1GHz ökar den dielektriska förlusten avsevärt, signaldämpningen är kraftig och dielektricitetskonstanten fluktuerar avsevärt med frekvensen, vilket gör impedanskontrollen svår.
Högfrekventa PCB-kort: ta PTFE och keramiskt fyllda kompositmaterial som exempel
Materialinnovation:
PTFE-baserat ark: som Rogers RT/duroid-serien, med Dk så låg som 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Keramiskt fyllda kompositmaterial, som IsolaFR408HR, minskar Dk (Dk=3.0-3.8) och förbättrar värmeledningsförmågan genom keramisk pulverfyllning, vilket balanserar hög-prestanda och bearbetningskostnader.
Viktiga fördelar: Låg dielektricitetskonstant minskar signalöverföringsfördröjningen, låg förlust minskar energidämpningen och Dk/Df ändras med mindre än 5 % med frekvensen, vilket säkerställer faskonsistens hos högfrekventa signaler.
(2) Särskilda krav på strukturell layout
Vanlig PCB staplad layout
Signalskiktet separeras helt enkelt av kraftskiktet/geologiska skiktet, och toleransen mellan skiktets dielektriska tjocklek tillåts vara ± 10 %. Impedanskontrollnoggrannheten är vanligtvis ± 10 %.
Högfrekventa PCB staplade layout
Strikt impedanskontroll: med hjälp av specifika transmissionslinjestrukturer såsom mikrostrip-linjer, strip-linjer, koplanära vågledare etc., måste den dielektriska tjocklekstoleransen kontrolleras inom ± 5 %, och impedansnoggrannhetskravet är ± 5 % eller till och med ± 3 %. Till exempel måste linjebreddsberäkningen för en 50 Ω mikrostrip-linje vara exakt till μm-nivån, samtidigt som man beaktar inverkan av kopparfoliens ojämnhet på impedansen (när grovheten Ra är mindre än eller lika med 0,5 μm, kan impedansavvikelsen minskas med 2% -3%).
Elektromagnetisk skärmningsoptimering: Högfrekventa signaler är känsliga för elektromagnetiska störningar, och helskärmsskärmande skiktlayouter eller inbäddade kondensator-/induktorstrukturer används ofta. Jordning via arrayer (mellanrum mindre än eller lika med 1 mm) läggs till mellan lagren för att minska överhörning.
(3) Precisionen i bearbetningstekniken har skjutit i höjden
Vanlig PCB-behandlingsteknik
Borrnoggrannhet ± 50 μ m, etslinjebreddstolerans ± 10 %, ytbehandling huvudsakligen med HASL, grovhet Ra=1-3 μm.
Högfrekvent PCB-behandlingsteknik
Borrning: Laserborrning (öppning mindre än eller lika med 0,1 mm) eller CNC-borrmaskin (noggrannhet ± 10 μm) används för att undvika substratdelaminering orsakad av mekanisk borrning.
Etsning: Med en kombination av pulselektroplätering och kemiska etsningsprocesser kontrolleras linjebreddstoleransen inom ± 5 %, och trådkantens grovhet Ra är mindre än eller lika med 0,4 μm för att minska signalspridningen.
Ytbehandling: ENIG (guldskiktstjocklek 0,05-0,1 μm) eller kemisk silverplätering är att föredra, med en planhet Ra Mindre än eller lika med 0,2 μm, för att minska kontaktmotstånd och hudeffektförluster.
2, Grundläggande överväganden för produktion av-högfrekventa kretskort
(1) Materialval: från "användbart" till "exakt anpassning"
Matchning av frekvensområde
1-10GHz scenario: Valfri keramikfylld FR-4 (som Nelco 4000-13SI) eller modifierad epoxiharts (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
10GHz scenario: PTFE-baserade eller keramiska kompositmaterial (som Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009) måste användas.
Värmehanteringsöverväganden
Högfrekventa enheter genererar en stor mängd värme, så det är nödvändigt att välja ett kort med en värmeledningsförmåga på större än eller lika med 0,5W/(m · K) (som Rogers 4350B, med en värmeledningsförmåga på 0,7W/(m · K)) och designa en inbäddad kylflänsstruktur.
(2) Processkontroll: högre strävan efter precision på mikrometernivå
Lamineringsprocess
Med en vakuumlamineringsmaskin är trycklikformigheten Mindre än eller lika med ± 2 %, och temperaturfluktuationen är Mindre än eller lika med ± 1 grad för att undvika impedansavvikelse orsakad av ojämn tjocklek på mediumskiktet. Till exempel, om tjocklekstoleransen för ett 0,1 mm tjockt dielektriskt skikt överstiger ± 5 μm, kommer impedansfelet att överstiga ± 4 %.
Mönsteröverföring
Genom att använda laserdirektskrivteknik istället för traditionell optisk ritning kan linjebreddsnoggrannheten nå ± 3 μm, lämplig för produktion av ultrafina linjer under 50 μm. Under exponering är det nödvändigt att kontrollera ljuskällans våglängd (365 nm ultraviolett ljus) och energitäthet (120-150 mJ/cm ²) för att förhindra överdriven eller otillräcklig utveckling.
Impedansövervakning i realtid
Efter att ha slutfört varje lager av kretstillverkning, använd TDR för att mäta impedans online och justera efterföljande processparametrar genom att jämföra designvärdena. Till exempel, om den uppmätta impedansen är 8 % högre än målvärdet, kan kompensation göras genom att öka tjockleken på kopparfolien före etsning eller finjustera linjebredden.
(3) Förebyggande och kontroll av defekter: "Dödliga skador" i högfrekventa scenarier
Mellanstora bubblor
Före laminering, vakuumtorka substratet och det halvhärdade arket (120 grader /2 timmar) med en fukthalt kontrollerad under 0,1 % för att undvika signalläckage orsakat av generering av bubblor under hög-temperaturpressning.
Kopparfolie grovhet
Högfrekvenskretsar måste använda RTF eller HVLP, med en grovhet Ra Mindre än eller lika med 0,3 μm. Vanlig elektrolytisk kopparfolie (Ra=1.0-1.5 μm) kommer att öka 10GHz-signalförlusten med mer än 30 %.
Parasitiska parametrar genom hål
Högfrekventa viahål kräver användning av bakborrningsteknik för att ta bort "Stub" (resterande pållängd Mindre än eller lika med 0,5 mm), och kontrollera impedansen för viahålet för att matcha impedansen för transmissionsledningen (avvikelse Mindre än eller lika med 5%). Oborrade genomgående hål genererar en returförlust på cirka -20dB vid 10GHz.
(4) Detektering och verifiering: fler-prestandapenetration
Signalintegritetstestning
Använd en vektornätverksanalysator för att mäta S-parametrar (S11 Mindre än eller lika med -20dB, S21 Större än eller lika med -3dB @ målfrekvens) och utvärdera returförlust och insättningsförlust.
Termisk tillförlitlighetstestning
Genomför ett återflödeslödningstest vid 260 grader/10 sekunder för att observera om det finns delaminering i kortet (genom att detektera mellanskiktets bindningsyta genom ett skivmikroskop) och testa förändringen i dielektricitetskonstanten vid hög temperatur (Δ Dk Mindre än eller lika med 3%).
Långsiktig åldringsverifiering
Placera provet i en miljö på 85 grader /85 % RH i 500 timmar för att testa isolationsresistansen (större än eller lika med 10 ^ 9 Ω) och förändringar i dielektrisk förlust (Δ Df mindre än eller lika med 5%), vilket säkerställer långtidsstabilitet med hög-frekvent prestanda.
3, Typiskt fall: Högfrekvent designpraktik för 5G-basstations RF-kort
I RF-kortdesignen för 5G-basstationen AAU (aktiv antennenhet), används Rogers6010LM-kort (Dk=10.2, Df=0.0023) för att göra mikrostrip-antennuppsättning. Uppnå genombrott i hög-prestanda genom följande åtgärder:
Staplad design: 3-lagers struktur (signallager/jordlager/signallager), dielektrisk tjocklek 0,254 mm, impedanskontroll 50 Ω± 3%.
Processinnovation: Genom att använda CO ₂-laserborrning (öppning 0,15 mm) och kemisk silverplätering av ytbehandling (råhet Ra=0.15 μm), reduceras insättningsförlusten i 18GHz-frekvensbandet till 0,8dB/tum.
Testverifiering: Returförlusten i frekvensbandet 18-22GHz mätt med VNA är mindre än -25dB, vilket uppfyller de strikta kraven i 5GNR-standarden för RF-länkar.