Populární výběr materiálů pro vysokofrekvenční desky plošných spojů

Výběr materiálu pro vysokofrekvenční desky plošných spojů začíná stabilitou dielektrické konstanty, tangensem ztrát, profilem mědi a přesností výroby potřebnou k zachování impedance ve vysokofrekvenčních deskách. Proto je výběr laminátu důležitější než obecné označení kategorií desek, jakmile se návrh přesune do oblasti mikrovlnných, radarových nebo vysokorychlostních vysokofrekvenčních technologií. Tato příručka porovnává materiály používané ve vysokofrekvenčních deskách plošných spojů, vysvětluje, kde FR-4 přestává dobře fungovat, a shrnuje pravidla návrhu, která společnost Highleap Electronics používá k ochraně integrity signálu ve vysokofrekvenčních sestavách.

1. Co dělá desku plošných spojů vysokofrekvenční?

Deska plošných spojů (PCB) je „vysokofrekvenční“, když přenáší signály dostatečně rychle – obvykle v rozsahu gigahertzů – že elektrické chování materiálu desky a geometrie vodivých drah začnou ovlivňovat, zda signál přežije. Při těchto frekvencích je dielektrická konstanta a ztráty laminátu a přesnost rozměrů vodivých drah stejně důležitá jako schéma zapojení, protože měděné vodivé dráhy se chovají spíše jako přenosové vedení než jako jednoduché dráty.

Požadavek definují dvě vlastnosti: nízká ztráta signálu, aby signál během šíření neslábl, a stabilní, dobře kontrolovaná dielektrická konstanta, aby impedance zůstala předvídatelná. Pokud je kterákoli z nich špatná, výsledkem je útlum, odrazy a zkreslení, které narušují spojení. Proto... vysokofrekvenční obvodová deska je postaven na laminátu a přesnosti zpracování, a proto jsou tyto desky specializovanou záležitostí, nikoli standardní objednávkou.

2. Vysokofrekvenční materiály desek plošných spojů: PTFE, keramické materiály a Dk

Vysokofrekvenční desky plošných spojů používají specializované lamináty – uhlovodíkové materiály na bázi PTFE a plněné keramikou – vybrané pro nízkou a stabilní dielektrickou konstantu (Dk) a nízké ztráty, namísto standardního FR-4. Materiál je srdcem desky a je vybrán podle svých elektrických vlastností při provozní frekvenci:

Nevýhodou je, že tyto materiály jsou dražší a zpracovávají se jinak než FR-4 a některé se kombinují s FR-4 v hybridních sadách, aby se vyvážily náklady a výkon. Elektrický základ je... dielektrická konstanta a tangens ztráta při velmi vysokých frekvencích dokonce i povrchová úprava měděné fólie ovlivňuje ztráty. Ať už si vyberete jakýkoli laminát, navrhněte jej podle aktuálních hodnot v datovém listu pro vaši provozní frekvenci. Kompletní seznam možností je uveden v této příručce. vysokofrekvenční materiály.

3. Proč FR-4 selhává při vysoké frekvenci

FR-4 selhává při vysokých frekvencích ze dvou důvodů: jeho dielektrická konstanta je volně řízena a mění se s frekvencí, což činí impedanci nepředvídatelnou, a jeho ztráty prudce rostou s rostoucí frekvencí, takže signály přicházejí slabé a zkreslené. Při nízkých rychlostech tyto slabiny nehrají roli, a proto je FR-4 pro většinu desek v pořádku – ale v gigahertzovém rozsahu se stávají diskvalifikujícími.

Nepředvídatelná hodnota Dk znamená, že trasa navržená pro cílovou impedanci ji nemusí zasáhnout, což způsobí odrazy; vysoká ztráta znamená, že energie signálu je absorbována laminátem dříve, než dosáhne svého cíle. Společně degradují vysokofrekvenční a vysokorychlostní spojení až do bodu selhání. Právě tuto mezeru zaplňují specializované lamináty a její včasné rozpoznání umožňuje zabránit návrhu vysokofrekvenčního produktu na materiálu, který jej nemůže unést – jeden z problémů, na které se v tomto pohledu zdůrazňuje. chyby v návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů.

4. Vysokofrekvenční aplikace desek plošných spojů: 5G, radar a letecký průmysl

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) se používají v 5G a bezdrátové infrastruktuře, automobilových radarech, leteckých a obranných systémech, satelitní komunikaci a vysokorychlostních datových spojích – všude tam, kde signály pracují na RF/mikrovlnných frekvencích nebo s velmi vysokými datovými rychlostmi. Běžným požadavkem je, aby signál putoval s minimálními ztrátami a přesnou impedancí, což poskytují pouze tyto desky:

• 5G a bezdrátové připojení. Základnové stanice, antény a RF vstupy pracují na vysokých frekvencích, kde jsou nízké ztráty nezbytné, což je klíčový faktor pro... 5G PCB.
• Automobilový radar. Radar pro asistenci řidiče a předcházení kolizím pracuje na milimetrových vlnových frekvencích a vyžaduje stabilní materiály s nízkými ztrátami.
• Letectví a obrana. Radarové, komunikační a elektronické systémy vyžadují spolehlivý výkon rádiových signálů v náročných podmínkách.
• Vysokorychlostní digitální. Rychlé datové linky a propojovací desky potřebují řízenou impedanci a nízké ztráty, aby se zachovala integrita signálu.

Spojuje je fakt, že cena specializované desky je ospravedlněna funkcí, které na běžném materiálu jednoduše nelze dosáhnout – výkon signálu je produktem.

5. Pravidla pro návrh vysokofrekvenčních desek plošných spojů, na kterých záleží

Základní pravidla pro návrh vysokofrekvenčních obvodů jsou řízení impedance v rámci stackupu, oprava stackupu před geometrií trasy, správa návratových cest a referenčních rovin a zohlednění ztrát v rozpočtu. V RF je rozvržení elektrotechnikou, nikoli jen konektivitou, takže tato pravidla rozhodují o tom, zda deska funguje:

• Řízení impedance pomocí stackupu. Šířka trasy, dielektrická tloušťka a Dk společně určují impedanci, takže je třeba nejprve rozhodnout o vrstvě a sestavení ji musí udržet – podstata řízená impedance.
• Chraňte zpětné cesty. Rychlé signály potřebují pod sebou souvislou referenční rovinu; mezera v zpětné dráze způsobuje odrazy a záření.
• Rozpočet na ztrátu. Zohledněte dielektrické ztráty a ztráty ve vodičích po celé délce trasy a zvolte hladší měď tam, kde jsou ztráty kritické.
• Koordinujte s výrobcem. Protože výsledky závisí na tom, zda výrobce dosáhne přesné geometrie, je nutné před zahájením výroby dohodnout se na impedančně řízených vlastnostech.

Tato pravidla platí pouze tehdy, je-li deska vyrobena přesně, a proto je nutné návrh a výrobu vysokofrekvenčních obvodů plánovat společně, a ne jen naslepo.

6. Jak Highleap vyrábí vysokofrekvenční desky plošných spojů

Společnost Highleap vyrábí vysokofrekvenční desky plošných spojů s řízenou impedancí, lamináty a povrchové úpravy vhodné pro rádiové záření a hybridní vrstvy, kde je třeba vyvážit náklady a výkon. Laminát je přizpůsoben vaší provozní frekvenci a cílové impedanci, šířky vodičů a dielektrické tloušťky jsou pevně dané pro dosažení požadované impedance a povrchová úprava je zvolena tak, aby chránila rádiový výkon a pájitelnost.

Protože velká část konečného výkonu je nastavena během výroby, předvýrobní kontrola vyrobitelnosti potvrzuje, že vrstvení, šířky vedení a návrh propojení jsou sestavitelné a v souladu s vašimi cíli v impedanci – což je bod, kde mnoho RF desek uspěje nebo se u nich vyvinou problémy. Highleap to zajišťuje prostřednictvím specializovaných výroba vysokofrekvenčních desek plošných spojů a podporuje montáž osazené desky. Při žádosti o cenovou nabídku uveďte laminát (nebo váš Dk/Df a frekvenci), cílovou impedanci, vrstvenou konstrukci a zda je přijatelná hybridní konstrukce, aby byla deska správně naceněna a postavena; pohled na cena vysokofrekvenčních desek plošných spojů řidiči pomáhají nastavit očekávání.

7. Často kladené otázky k vysokofrekvenčním deskám plošných spojů

Na jaké frekvenci se deska plošných spojů považuje za vysokofrekvenční?

Neexistuje pevná hranice, ale desky se obecně považují za vysokofrekvenční, když signály dosahují rozsahu gigahertzů nebo když vysoké datové rychlosti omezují ztráty materiálu a impedanční chování. V tomto okamžiku se stávají nezbytnými specializované lamináty a řízená impedance.

Mohu v jedné desce kombinovat vysokofrekvenční materiál s FR-4?

Ano – hybridní systémy umisťují vysokofrekvenční laminát pouze tam, kde jsou RF signály, a FR-4 používají jinde, aby se snížily náklady. Zda to vyhovuje vašemu návrhu, závisí na rozvržení a mělo by to být ověřeno s vaším výrobcem.

Proč jsou vysokofrekvenční desky plošných spojů dražší?

Specializované lamináty stojí více než FR-4, zpracovávají se a vrtají jinak a dodržování přísných impedančních tolerancí vyžaduje dodatečnou kontrolu a testování. Hybridní vrstvené systémy jsou jedním ze způsobů, jak tyto náklady zvládat.

Co je to vložný útlum ve vysokofrekvenční desce plošných spojů?

Vložný útlum je energie signálu ztrácená při jeho šíření podél vodiče, a to jak v důsledku energie absorbované dielektrikem, tak i v důsledku odporu vodiče. Nízkoztrátové lamináty a hladší měď jej snižují, což je kritické u delších VF tras.

Ovlivňuje drsnost mědi skutečně výkon rádiového vysílání?

Ano – při vysoké frekvenci se proud shlukuje podél měděného dielektrického povrchu, takže drsnější povrch nutí vodiče k delší dráze a zvyšuje ztráty ve vodiči. V náročných konstrukcích se ke snížení těchto ztrát používají nízkoprofilové a hladší měděné fólie.

Potřebují vysokofrekvenční desky speciální testování?

Často se tak děje – desky s řízenou impedancí se ověřují impedančním testováním (obvykle pomocí testovacích kuponů) a lze zkontrolovat VF výkon oproti konstrukčním cílům. To potvrzuje, že vyrobená deska skutečně splňuje své elektrické specifikace.