HF-piirilevyjen suunnittelu- ja valmistussäännöt

Jokaisella simulaatiomallisi ja valmistetun piirilevyn välisellä erolla on radiotaajuusseuraus. 2 GHz:n taajuudella seuraukset ovat yleensä kohinan rajoissa. 24 GHz:n taajuudella 0.02 mm:n juovan leveysvirhe siirtää impedanssia 2 Ω, standardin karheuden omaava kuparifolio lisää 0.3 dB/tuuma johdinhäviötä, jota simulaatiosi ei ennustanut, ja juotosmaskin vahingossa peittäminen siirtolinjalla aiheuttaa dielektrisen kuormituksen, joka siirtää antennin resonanssitaajuutta. Onnistunut HF-piirilevyjen suunnittelu ja valmistus edellyttävät suunnittelijalta ymmärrystä siitä, mitä tehdas voi ja ei voi hallita – ja suunnittelupäätösten tekemistä, jotka ottavat huomioon valmistuksen realiteetit sen sijaan, että taistelisi niitä vastaan. Tässä artikkelissa kartoitetaan erityiset kohdat, joissa korkeataajuisten piirilevyjen suunnittelupäätökset kohtaavat valmistusrajoitukset, ja tarjotaan käytännön ohjeita RF-insinööreille, jotka pyrkivät ensivaiheen onnistumiseen.

1) Miksi simulointi ja valmistus eroavat toisistaan ​​korkeataajuuslevyillä

1.1 Viisi erimielisyyden lähdettä

Jokainen sähkömagneettinen simulaattori olettaa ihanteellisen geometrian, ellei toisin ole nimenomaisesti konfiguroitu. Todellisessa piirilevyssä on viisi systemaattista poikkeamaa:

Nämä viisi lähdettä yhdistelmät. Pahimmassa tapauksessa ne voivat siirtää impedanssia 5–8 Ω simulointikohteesta – ylittäen helposti ±5 %:n toleranssin 50 Ω:n linjalla. Ratkaisu ei ole tiukemmat valmistustoleranssit (jotka lisäävät kustannuksia ja vähentävät saantoa), vaan paremmin kalibroidut simulaatiomallit, jotka sisältävät valmistajaltasi saatuja todellisia valmistustietoja.

1.2 Käytännön ratkaisu: Käytä valmistajan tietoja simulaatiossasi

Pyydä valmistajaltasi ennen suunnittelun aloittamista:

• Mitattu Dk viimeaikaisista tuotantoeristä materiaalillasi (ei tyypillinen datalehti)
• Kuparin painon syövytyskerroin materiaalissasi
• Kuparifolio Rz käytettävälle foliotyypille
• Ytimen ja prepregin saavutettu dielektrinen paksuus (mitattu, ei nimellinen)

Syötä nämä arvot kenttämittausohjelmaasi (Polar SI, Ansys HFSS, Simbeor). Tuloksena oleva juovan leveyssuositus tuottaa impedanssin, joka on paljon lähempänä tavoitetta ensimmäisessä prototyypissä.

2) Siirtolinjan suunnittelu: Työskentely valmistusrajojen sisällä

2.1 Prosessien mukaiset ominaisuuksien vähimmäiskoot

Useimmissa HF-piirilevyjen valmistuksessa käytetään standardia tai hienoviivaista subtraktiivista etsausta. Suunnittele johdinten leveydet riittävällä marginaalilla minimimarginaalin yläpuolella – 50 Ω:n mikroliuska 0.15 mm leveydellä 1 unssin kuparilla on mahdollista, mutta se ei jätä prosessimarginaalia lainkaan. 0.20 mm leveä suunnittelu 0.5 unssin kuparilla tarjoaa enemmän marginaalia ja paremman etsauskertoimen hallinnan.

2.2 Differentiaaliparin suunnittelussa huomioon otettavat näkökohdat

Differentiaaliparit ovat kaksinkertaisen herkkiä syövytysvaihteluille, koska sekä juovan leveys että rakoväli muuttuvat samanaikaisesti. Syövytys-alilukema kaventaa kutakin juovaa samalla kun se laajentaa rakoa – mikä kasvattaa differentiaaliimpedanssia. 100Ω differentiaaliparille:

• 0.01 mm etsausleikkaus sivua kohden → jäljet ​​kapenevat yhteensä 0.02 mm, rako levenee 0.02 mm → differentiaalinen impedanssi kasvaa noin 3–5 Ω
• Suunnittelun vastatoimenpide: määritä rako hieman kapeammaksi kuin simulointikohde kompensoidaksesi syövytyksen levenemistä. Valmistajan syövytyskerrointiedot mahdollistavat tarkan esikompensoinnin.

2.3 Lasikuitukankaan Dk-vaihtelun välttäminen (vain kudotut alustat)

Lasikuituisella vahvikkeella (FR4, Megtron 6, jotkut Isola-laadut) varustetuilla alustoilla Dk vaihtelee ajoittain lasirikkaiden ja hartsirikkaiden alueiden välillä. Jos kapea juova on linjassa lasikudoksen jaon kanssa, impedanssi vaihtelee juovan pituudella. Lieventämisstrategiat:

• Kierrä levyä 5–10° lasinpunontasuuntaan nähden (valmistajan pyynnöstä)
• Käytä lasilevitysesivalmistetta (esim. Megtron 6 NE-lasilevityskäsittelyllä), joka homogenisoi Dk:n
• Kuitumateriaaleilla (erikoislaminaatti PTFE, keraamitäytteiset materiaalit) tätä ilmiötä ei esiinny – yksi etu erikoislaminaatin valinnassa lasikudoksiin verrattuna

3) HF-signaalisiirtymien suunnittelu: ulokkeet, suojavaipat ja maadoitusaidat

3.1 Via Stub -resonanssin ja vastaporauksen vaatimukset

Läpivientireikä monikerroslevyssä luo tynkän – käyttämättömän tynnyrisegmentin kohdesignaalikerroksen alapuolella (tai yläpuolella). Tynkä toimii oikosuljettuna siirtolinjana, joka resonoi pituutensa määräämällä taajuudella:

• f_resonanssi ≈ c / (4 × tynkän_pituus × √Dk_efektiivinen)
• Esimerkki: 1.2 mm:n tynkä hiilivety-keraamisessa pienihäviöisessä laminaatissa (Dk ≈ 3.5) → resonanssi noin 33 GHz:n taajuudella

Jos toimintataajuutesi lähestyy pätkän resonanssia, heijastusvaimennus heikkenee merkittävästi (>10 dB:n lovi). Nyrkkisääntönä on, että jos pätkän pituus on > λ/10 toimintataajuudellasi, takaisinporausta suositellaan.

Suunnittelun merkitys: ota simulaatiossa huomioon valmistajan takaporauksen syvyystoleranssi (yleensä ±0.1 mm). Takaporauksen jälkeinen 0.1–0.15 mm:n jäännöstynkä vaikuttaa edelleen radiotaajuussäteilyyn yli 40 GHz:n taajuuksilla.

3.2 Vaippatyynyjen mitoitus

V-reikäliitosten ympärillä olevat referenssitasoissa olevat välysreiät vaikuttavat impedanssiin V-reikäliitoskohdassa. Suuremmat välysreiät pienentävät epäjatkuvuuskapasitanssia, mutta niiden ei tule rikkoa poran ja kuparin välistä välystä. V-reikäliitosten suunnittelussa on käytettävä valmistajan poran kohdistustoleranssia (tyypillisesti ±0.05 mm) ja vähimmäisvälysmarginaalia (0.10 mm), ei yleisiä DFM-oletusarvoja.

3.3 Maadoitus aidan kautta moodin vaimentamiseksi

Liuskajohto- tai CPW-rakenteiden signaaliläpiviennit vaativat ympäröiviä maadoitusläpivientejä rinnakkaislevymoodien vaimentamiseksi. Maadoitusläpivientien enimmäisväli ei saisi ylittää λ/10:tä korkeimmalla toimintataajuudella. 28 GHz:n taajuudella ja Dk = 3.5 -materiaalissa tämä tarkoittaa maadoitusläpivientien välistä etäisyyttä ≤ 0.57 mm. Varmista valmistajan kanssa, että tämä etäisyys on saavutettavissa ottaen huomioon heidän porauskohdistustarkkuutensa ja läpivientien välisen vähimmäisetäisyyden.

4) HF-alustan ominaisuuksien rajoittama lämmönhallintasuunnittelu

4.1 HF-materiaalien lämmönjohtavuus

HF-alustoilla on huomattavasti alhaisempi lämmönjohtavuus kuin metalleilla tai jopa keraamisilla alustoilla:

• hiilivety-keraaminen vähähäviöinen laminaatti: 0.62 W/m·K
• PTFE-pohjainen pienihäviöinen laminaatti: 0.20 W/m·K
• FR4: 0.30 W/m·K
• Alumiini (vertailun vuoksi): 205 W/m·K

Suuritehoisissa RF-vahvistimissa (GaN PA:t, GaAs MMIC:t) substraatti on terminen pullonkaula. Laitteen alla olevat lämpöläpivientimatriisit muodostavat ensisijaisen johtavuusreitin substraatin läpi sisäiseen kuparitasoon tai paljaalle pohjalevylle.

4.2 PTFE:n lämpörajoitukset

PTFE-alustojen lämpöläpivientien suunnittelu on rajoitetumpaa kuin FR4-alustojen:

• Kuvasuhteen rajoitus: PTFE-läpipinnoitus on luotettava jopa noin 8:1-sivusuhteeseen (syvyys:halkaisija) asti plasmapuhdistuksella. 1.6 mm:n levy vaatii vähintään 0.2 mm:n läpipinnoituksen.
• Läpivientien välinen etäisyys: Lämpöläpivientimatriiseissa käytetään tyypillisesti 0.6–1.0 mm:n jakoa. Alle 0.5 mm:n jaolla poran kohdistusvirhe voi aiheuttaa läpivientien välisen oikosulun.
• Täytetty vs. täyttämätön: Kuparitäytteiset läpiviennit tarjoavat paremman lämpöominaisuuksien suorituskyvyn kuin pinnoitetut läpiviennit, mutta lisäävät kustannuksia. Tarkista valmistajalta, onko HF-alustallesi saatavilla kuparitäytteisiä läpivientejä.

4.3 Kuparin tasapainottaminen vääntymisen estämiseksi

Epäsymmetrinen kuparin jakautuminen aiheuttaa piirilevyn käyristymistä laminoinnin ja uudelleensulatuksen aikana. HF-levyt ovat erityisen alttiita käyristymiselle, koska erikoislaminaateilla ja FR4-kerroksilla on erilaiset CTE-arvot – piirilevy taipuu eri tavalla kummaltakin puolelta. Suunnittelun vastatoimet:

• Yhdistä ylimmän ja alimman kerroksen kuparipinta-ala 15 %:n tarkkuudella
• Lisää kuparin varastamista (valekuparitäyte) kerroksille, joissa on vähemmän kuparipinta-alaa
• Varmista, että sisäkerrokset on rakennettu symmetrisesti (sama materiaali ja kuparin paino keskiviivan ylä- ja alapuolella)

Valmistaja voi tarkistaa kuparitaseesi ja suositella tiettyjä varkausmalleja DFM-tarkistuksen aikana.

5) Levyn reuna, panelointi ja singulaatio: Mekaanisen suunnittelun radiotaajuusvaikutus

5.1 Jälkireunan ja reunan välinen välys PTFE:ssä

PTFE- ja keraamitäytteiset alustat ovat hauraampia kuin FR4. Levyn eristämisen (jyrsinnän tai V-urituksen) aikana reunan lohkeilu leviää syvemmälle levyyn. Jos impedanssikriittinen johdin kulkee lähellä levyn reunaa, lohkeilu voi vahingoittaa johdinta tai muuttaa dielektristä rajapintaa, mikä siirtää impedanssia.

Vähimmäisetäisyyden suositukset reunasta reunaan:

• FR4: 0.25 mm (vakio)
• hiilivety-keraaminen vähähäviöinen laminaatti / hiilivety-keraaminen vähähäviöinen laminaatti: 0.50 mm
• PTFE-pohjainen vähähäviöinen laminaatti / puhdas PTFE: 0.75 mm

5.2 V-Score vs. välilehtien reititys

V-uurtaminen luo uran levyn reunaan, joka mahdollistaa napsautettavan erottamisen kokoonpanon jälkeen. Kielekkeiden jyrsinnässä käytetään jyrsittyjä uria, joissa on irrotettavat kielekkeet. HF-levyille:

• V-pisteet sopii, kun levyn reunassa ei ole radiotaajuusjohtimia ja alusta ei ole puhdasta PTFE:tä (PTFE:n V-uraus voi aiheuttaa delaminaatiota).
• Välilehtien reititys on suositeltava, kun levyn reunoissa on antennielementtejä tai siirtolinjoja tai kun alusta on PTFE-pohjainen. Kielekkeiden sijainnin tulisi olla radiotaajuusherkkien alueiden ulkopuolella.

5.3 Paneelien ja impedanssin tasaisuus

Paneelin reunoilla olevilla levyillä on hieman erilaiset etsausnopeudet ja laminointipaine kuin paneelin keskellä olevilla levyillä. Tiukan toleranssin omaavien HF-levyjen valmistajan tulisi asettaa impedanssimittareita sekä reuna- että keskelle varmistaakseen tasaisuuden koko paneelissa. Paneelin asettelun optimoinnissa tulisi ottaa huomioon impedanssin tasaisuus – ei pelkästään suurin sallittu levymäärä paneelia kohden.

6) RF-alueen juotosmaskistrategia: paljas kupari, selektiivinen maski tai täysi peitto

6.1 Kolme vaihtoehtoa ja niiden RF-kompromisseja

Useimmissa yli 6 GHz:n suurtaajuusmalleissa valikoiva juotosmaski on vakiomenetelmä. Määritä Gerber-tiedostoissa juotosmaskien poissulkemisvyöhykkeet, jotka kattavat kaikki RF-siirtolinjat, antennielementit ja RF-liitäntäpisteet ja joiden reunojen ympärillä on vähintään 0.1 mm:n rako.

7) Kuinka Highleap tukee HF-piirilevyjen suunnittelun ja valmistuksen koordinointia

Highleap Electronics tarjoaa tässä artikkelissa kuvatun suunnittelun ja valmistuksen koordinoinnin:

• Simuloinnin prosessitiedot: Mitatut Dk/Df-arvot, etsauskertoimet, kuparin karheus (Rz) ja dielektrisen paksuuden tiedot toimitettiin suunnittelutiimeille tarkkaa impedanssin ja häviöiden mallintamista varten.
• Takaporausmahdollisuus: ±0.1 mm syvyystoleranssi, validoitu poikkileikkauksella jokaisessa tuotantoerässä
• HF-spesifinen DFM: Juotosten arvioinnin, juotospisteiden esto-optimoinnin, maadoituksen tiheystarkastuksen, juotosmaskin poissulkemisvyöhykkeen tarkastelun ja pinnan viimeistely RF-suorituskyvyn suositus
• Stackupin yhteissuunnittelu: Yhteistyöhön perustuva pinoamiskehitys kenttäratkaisijan avulla ja tuotantoon validoitujen syötteiden avulla, jotka ovat käytettävissä ennen suunnittelun aloittamista
• Integroitu prototyyppien luominen: Nopea prototyyppien valmistus täyden impedanssin ja väliinkytkentähäviön raportoinnin avulla simuloinnin ja valmistuksen välisen korrelaation validoimiseksi
• Kokoonpanon koordinointi: Sivulla SMT kokoonpano HF-substraatille spesifisillä uudelleenvirtausprofiileilla, mikä eliminoi paljaiden RF-jälkien käsittelyn laitosten välillä

Aloita HF-suunnittelun tarkastelusi