กฎการออกแบบและการผลิต PCB ของ HF

ความคลาดเคลื่อนทุกอย่างระหว่างแบบจำลองการจำลองของคุณกับแผงวงจรที่ผลิตจริงจะมีผลกระทบต่อคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ที่ความถี่ 2 GHz ผลกระทบมักจะอยู่ในระดับสัญญาณรบกวน แต่ที่ความถี่ 24 GHz ข้อผิดพลาดของความกว้างของลายวงจร 0.02 มม. จะทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนไป 2Ω แผ่นฟอยล์ทองแดงที่มีความหยาบมาตรฐานจะเพิ่มการสูญเสียตัวนำ 0.3 dB/นิ้ว ซึ่งการจำลองของคุณไม่ได้คาดการณ์ไว้ และหน้ากากบัดกรีที่ปิดบังสายส่งสัญญาณโดยไม่ได้ตั้งใจจะทำให้เกิดผลกระทบจากการโหลดไดอิเล็กทริกซึ่งจะเปลี่ยนความถี่เรโซแนนซ์ของเสาอากาศการออกแบบและการผลิตแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูง (HF PCB) ที่ประสบความสำเร็จ นั้น ผู้ออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจว่าโรงงานสามารถควบคุมอะไรได้บ้างและควบคุมอะไรไม่ได้บ้าง และต้องตัดสินใจออกแบบโดยคำนึงถึงความเป็นจริงของการผลิตแทนที่จะต่อต้านมัน บทความนี้จะชี้ให้เห็นถึงจุดเฉพาะที่การตัดสินใจออกแบบสำหรับแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงตัดกับข้อจำกัดของการผลิต โดยให้คำแนะนำที่นำไปปฏิบัติได้จริงสำหรับวิศวกร RF ที่มุ่งสู่ความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรก

1) เหตุใดการจำลองและการผลิตจึงแตกต่างกันในแผงวงจรความถี่สูง

1.1 แหล่งที่มาของความแตกต่างทั้งห้าประการ

โปรแกรมจำลอง EM ทุกโปรแกรมจะถือว่ารูปทรงเรขาคณิตเป็นอุดมคติ เว้นแต่จะมีการกำหนดค่าไว้เป็นอย่างอื่นโดยชัดเจน แผงวงจรจริงจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนอย่างเป็นระบบห้าประการ:

แหล่งกำเนิดทั้งห้าแหล่งนี้จะสะสมกัน ในกรณีที่แย่ที่สุด พวกมันสามารถทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงไป 5–8 โอห์ม จากค่าเป้าหมายในการจำลอง ซึ่งเกินค่าความคลาดเคลื่อน ±5% บนสาย 50 โอห์มได้อย่างง่ายดาย วิธีแก้ปัญหาไม่ใช่การกำหนดความคลาดเคลื่อนในการผลิตที่เข้มงวดมากขึ้น (ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนและลดผลผลิต) แต่เป็นการปรับเทียบแบบจำลองการจำลองให้ดีขึ้น โดยการนำข้อมูลการผลิตจริงจากผู้ผลิตมาใช้

1.2 วิธีแก้ปัญหาที่ได้ผล: ใช้ข้อมูลจากผู้ผลิตในการจำลองของคุณ

โปรดสอบถามผู้ผลิตก่อนเริ่มการออกแบบ:

• ค่า Dk ที่วัดได้จากล็อตการผลิตล่าสุดของวัสดุของคุณ (ไม่ใช่ค่าทั่วไปในเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์)
• ค่าการกัดเซาะสำหรับน้ำหนักทองแดงของคุณบนวัสดุของคุณ
• แผ่นฟอยล์ทองแดง Rz สำหรับชนิดฟอยล์ที่พวกเขาจะใช้
• ความหนาของฉนวนไฟฟ้าที่ได้ (วัดจริง ไม่ใช่ค่าที่ระบุ) สำหรับแกนกลางและแผ่นพรีเพรกของคุณ

ป้อนค่าเหล่านี้ลงในโปรแกรมคำนวณสนามแม่เหล็กของคุณ (Polar SI, Ansys HFSS, Simbeor) ความกว้างของเส้นลวดที่ได้จะช่วยเพิ่มค่าอิมพีแดนซ์ให้ใกล้เคียงกับค่าเป้าหมายมากขึ้นในต้นแบบแรก

2) การออกแบบสายส่งไฟฟ้า: การทำงานภายใต้ข้อจำกัดด้านการผลิต

2.1 ขนาดฟีเจอร์ขั้นต่ำตามกระบวนการ

การผลิต PCB ความถี่สูงส่วนใหญ่ใช้การกัดแบบลบมาตรฐานหรือแบบเส้นละเอียด ออกแบบความกว้างของลายวงจรโดยให้มีระยะเผื่อที่เพียงพอเหนือค่าต่ำสุด — ไมโครสตริป 50Ω ที่ความกว้าง 0.15 มม. บนทองแดง 1 ออนซ์นั้นสามารถทำได้ แต่จะเหลือระยะเผื่อกระบวนการเป็นศูนย์ การออกแบบที่ความกว้าง 0.20 มม. บนทองแดง 0.5 ออนซ์จะให้ระยะเผื่อมากกว่าและควบคุมปัจจัยการกัดได้ดีกว่า

2.2 ข้อควรพิจารณาในการออกแบบคู่ดิฟเฟอเรนเชียล

คู่สายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของการกัดเซาะเป็นสองเท่า เนื่องจากทั้งความกว้างของลายสัญญาณและระยะห่างระหว่างลายสัญญาณเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกัน การกัดเซาะใต้ลายสัญญาณจะทำให้แต่ละลายสัญญาณแคบลง ในขณะที่ระยะห่างระหว่างลายสัญญาณกว้างขึ้น ซึ่งเป็นผลกระทบสะสมต่ออิมพีแดนซ์แบบดิฟเฟอเรนเชียล สำหรับคู่สายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล 100Ω:

• การกัดเซาะใต้ผิว 0.01 มม. ต่อด้าน → ร่องลายวงจรแคบลง 0.02 มม. โดยรวม ช่องว่างกว้างขึ้น 0.02 มม. → ความต้านทานเชิงอนุพันธ์เพิ่มขึ้นประมาณ 3–5 โอห์ม
• มาตรการแก้ไขในการออกแบบ: กำหนดช่องว่างให้แคบกว่าเป้าหมายในการจำลองเล็กน้อยเพื่อชดเชยการขยายตัวของการกัดเซาะ ข้อมูลปัจจัยการกัดเซาะจากผู้ผลิตของคุณช่วยให้สามารถชดเชยล่วงหน้าได้อย่างแม่นยำ

2.3 การหลีกเลี่ยงความแปรปรวนของความหนาแน่นของเส้นใยแก้ว (เฉพาะวัสดุพื้นผิวแบบทอ)

บนพื้นผิวที่มีการเสริมแรงด้วยใยแก้ว (FR4, Megtron 6, และ Isola บางเกรด) ค่า Dk จะแปรผันเป็นระยะๆ ระหว่างบริเวณที่มีใยแก้วมากและบริเวณที่มีเรซินมาก หากร่องสัญญาณแคบๆ วางตัวตามแนวระยะห่างของใยแก้ว ค่าความต้านทานจะผันผวนไปตามความยาวของร่องสัญญาณ กลยุทธ์ในการลดผลกระทบ:

• หมุนแผ่นกระดาน 5–10° เทียบกับทิศทางการทอของกระจกบนแผ่น (คำแนะนำจากผู้ผลิต)
• ใช้พรีเพรกแบบเคลือบด้วยกระจกกระจายตัว (เช่น Megtron 6 ที่ผ่านการบำบัดด้วยการเคลือบกระจก NE) ซึ่งจะช่วยทำให้ค่า Dk สม่ำเสมอ
• บนวัสดุรองรับแบบไม่ทอ (เช่น ลามิเนต PTFE ชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำ วัสดุที่เติมเซรามิก) ปรากฏการณ์นี้จะไม่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นข้อดีอย่างหนึ่งของการเลือกใช้ลามิเนตชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำเหนือกว่าวัสดุใยแก้วทอ

3) การออกแบบผ่านสำหรับการเปลี่ยนผ่านสัญญาณ HF: สตับ, แอนตี้แพด และกราวด์ไฟน์ดิ้ง

3.1 ข้อกำหนดเกี่ยวกับการสั่นสะเทือนของรูเจาะและการเจาะย้อนกลับ

รูทะลุบนแผ่นวงจรหลายชั้นจะสร้างส่วนยื่น (stub) ซึ่งเป็นส่วนที่ไม่ได้ใช้งานอยู่ด้านล่าง (หรือด้านบน) ของชั้นสัญญาณเป้าหมาย ส่วนยื่นนี้ทำหน้าที่เหมือนสายส่งสัญญาณลัดวงจรที่เกิดการสั่นพ้องที่ความถี่ซึ่งกำหนดโดยความยาวของมัน:

• f_resonance ≈ c / (4 × stub_length × √Dk_effective)
• ตัวอย่าง: แท่งขนาด 1.2 มม. ในลามิเนตไฮโดรคาร์บอน-เซรามิกที่มีการสูญเสียต่ำ (Dk ≈ 3.5) → เกิดการสั่นพ้องที่ความถี่ประมาณ 33 GHz

หากความถี่ใช้งานของคุณเข้าใกล้ความถี่เรโซแนนซ์ของส่วนต่อขยาย ค่าการสูญเสียการสะท้อนกลับจะลดลงอย่างมาก (>10 dB) หลักการทั่วไปคือ หากความยาวของส่วนต่อขยาย > λ/10 ที่ความถี่ใช้งานของคุณ แนะนำให้เจาะรูด้านหลังเพิ่มเติม

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ: ในการจำลอง ให้คำนึงถึงค่าความคลาดเคลื่อนของความลึกในการเจาะรูด้านหลังของผู้ผลิต (โดยทั่วไปคือ ±0.1 มม.) ส่วนที่เหลืออยู่ 0.1–0.15 มม. หลังจากการเจาะรูด้านหลังยังคงมีผลกระทบต่อคลื่นวิทยุที่ความถี่สูงกว่า 40 GHz

3.2 การกำหนดขนาดแผ่นรองกันกระแทก

แผ่นรองกันการทะลุ (รูเว้นระยะในระนาบอ้างอิงรอบแผ่นรองผ่านรู) ส่งผลต่อค่าความต้านทานที่จุดเชื่อมต่อผ่านรู แผ่นรองกันการทะลุที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดค่าความจุที่ไม่ต่อเนื่องได้มากขึ้น แต่ต้องไม่เกินระยะห่างระหว่างรูเจาะกับแผ่นทองแดง ควรออกแบบแผ่นรองกันการทะลุโดยอิงจากค่าความคลาดเคลื่อนในการจัดตำแหน่งรูเจาะของผู้ผลิต (โดยทั่วไปคือ ±0.05 มม.) บวกกับระยะห่างขั้นต่ำ (0.10 มม.) ไม่ใช่จากค่าเริ่มต้นทั่วไปของ DFM

3.3 การปิดกั้นทางพื้นดินผ่านรั้วเพื่อระงับโหมด

ในโครงสร้าง stripline หรือ CPW จำเป็นต้องมีรูเชื่อมต่อกราวด์ล้อมรอบเพื่อลดการเกิดโหมดขนานของแผ่นตัวนำ ระยะห่างสูงสุดของรูเชื่อมต่อกราวด์ไม่ควรเกิน λ/10 ที่ความถี่ใช้งานสูงสุด ที่ 28 GHz ในวัสดุที่มีค่า Dk = 3.5 หมายความว่าระยะห่างของรูเชื่อมต่อกราวด์ ≤ 0.57 มม. ควรปรึกษากับผู้ผลิตเพื่อยืนยันว่าระยะห่างนี้สามารถทำได้จริงหรือไม่ โดยพิจารณาจากความแม่นยำในการเจาะและการเว้นระยะห่างขั้นต่ำระหว่างรูเชื่อมต่อ

4) การออกแบบการจัดการความร้อนถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติของวัสดุรองรับ HF

4.1 ค่าการนำความร้อนของวัสดุ HF

วัสดุรองรับ HF มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าโลหะหรือแม้แต่เซรามิกอย่างมาก:

• แผ่นลามิเนตไฮโดรคาร์บอน-เซรามิกที่มีการสูญเสียต่ำ: 0.62 วัตต์/เมตร·เคลวิน
• แผ่นลามิเนตที่มีส่วนประกอบของ PTFE ที่มีการสูญเสียต่ำ: 0.20 วัตต์/เมตร·เคลวิน
• FR4: 0.30 วัตต์/เมตร·เคลวิน
• อะลูมิเนียม (สำหรับเปรียบเทียบ): 205 วัตต์/เมตร·เคลวิน

สำหรับวงจรขยายสัญญาณ RF กำลังสูง (GaN PA, GaAs MMIC) วัสดุรองรับ (substrate) เป็นคอขวดด้านความร้อน ช่องระบายความร้อนใต้ตัวอุปกรณ์ทำหน้าที่เป็นเส้นทางนำความร้อนหลักผ่านวัสดุรองรับไปยังระนาบทองแดงภายในหรือแผ่นรองด้านล่างที่เปิดโล่ง

4.2 ข้อจำกัดของรูระบายความร้อนบน PTFE

การออกแบบรูระบายความร้อนบนวัสดุ PTFE มีข้อจำกัดมากกว่าบนวัสดุ FR4:

• ข้อจำกัดอัตราส่วนภาพ: การชุบ PTFE ผ่านรูเจาะมีความน่าเชื่อถือที่อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8:1 โดยใช้การขจัดคราบด้วยพลาสมา แผ่นวงจรขนาด 1.6 มม. ต้องการเส้นผ่านศูนย์กลางรูเจาะอย่างน้อย 0.2 มม.
• การเสนอแบบ Via-to-via: โดยทั่วไปแล้ว อาร์เรย์ของรูระบายความร้อนจะใช้ระยะห่าง 0.6–1.0 มม. หากระยะห่างน้อยกว่า 0.5 มม. อาจเสี่ยงต่อการลัดวงจรระหว่างรูระบายความร้อนเนื่องจากความคลาดเคลื่อนในการจัดตำแหน่งการเจาะ
• แบบกรอกข้อมูลแล้ว กับ แบบยังไม่กรอกข้อมูล: รูเชื่อมต่อที่เติมด้วยทองแดงมีประสิทธิภาพด้านความร้อนดีกว่ารูเชื่อมต่อแบบชุบ แต่ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น โปรดตรวจสอบกับผู้ผลิตว่ามีรูเชื่อมต่อที่เติมด้วยทองแดงสำหรับวัสดุ HF ของคุณหรือไม่

4.3 การปรับสมดุลทองแดงเพื่อควบคุมการบิดเบี้ยว

การกระจายตัวของทองแดงที่ไม่สมมาตรทำให้แผ่นวงจรบิดงอระหว่างการเคลือบและการหลอมละลาย แผ่นวงจร HF มีแนวโน้มที่จะบิดงอเป็นพิเศษ เนื่องจากชั้นลามิเนตชนิดพิเศษที่มีการสูญเสียต่ำและชั้น FR4 มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่แตกต่างกัน ทำให้แผ่นวงจรมีแนวโน้มที่จะโค้งงอไม่เท่ากันในแต่ละด้าน มาตรการแก้ไขในการออกแบบ:

• ให้ปริมาณทองแดงในชั้นบนและชั้นล่างตรงกันภายใน 15%
• เพิ่มการแทนที่ทองแดง (การเติมทองแดงปลอม) ในชั้นที่มีพื้นที่ทองแดงน้อย
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชั้นภายในถูกสร้างขึ้นอย่างสมมาตร (ใช้วัสดุและน้ำหนักทองแดงเท่ากันทั้งด้านบนและด้านล่างของเส้นกึ่งกลาง)

ผู้ผลิตสามารถตรวจสอบยอดคงเหลือทองแดงของคุณและแนะนำรูปแบบการขโมยเฉพาะระหว่างการตรวจสอบ DFMได้

5) ขอบบอร์ด การแบ่งแผง และการแยกชิ้นส่วน: ผลกระทบของการออกแบบทางกลต่อคลื่นความถี่วิทยุ

5.1 ระยะห่างระหว่างร่องถึงขอบบนวัสดุ PTFE

แผ่นวงจรพิมพ์ที่ทำจาก PTFE และเซรามิกนั้นเปราะกว่า FR4 ระหว่างขั้นตอนการแยกแผ่นวงจร (การเดินสายหรือการทำรอยบากรูปตัว V) การบิ่นที่ขอบจะลุกลามเข้าไปในแผ่นวงจรมากขึ้น หากเส้นทางเดินสัญญาณที่สำคัญต่อค่าความต้านทานอยู่ใกล้ขอบแผ่นวงจร การบิ่นอาจทำให้เส้นทางเดินสัญญาณเสียหายหรือเปลี่ยนแปลงขอบเขตของฉนวน ทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนไป

ข้อแนะนำระยะห่างขั้นต่ำระหว่างลายไม้กับขอบ:

• FR4: 0.25 มม. (มาตรฐาน)
• แผ่นลามิเนตไฮโดรคาร์บอน-เซรามิกแบบสูญเสียต่ำ / แผ่นลามิเนตไฮโดรคาร์บอน-เซรามิกแบบสูญเสียต่ำ: 0.50 มม.
• แผ่นลามิเนตแบบสูญเสียต่ำที่ทำจาก PTFE / PTFE บริสุทธิ์: 0.75 มม.

5.2 V-Score เทียบกับการกำหนดเส้นทางแท็บ

การทำร่องรูปตัว V จะสร้างร่องตามขอบของแผ่นวงจร ทำให้สามารถแยกชิ้นส่วนออกจากกันได้ง่ายหลังการประกอบ ส่วนการทำร่องแบบแท็บนั้น จะใช้ร่องที่เจาะไว้แล้วและมีแท็บที่สามารถหักออกได้ สำหรับแผ่นวงจร HF:

• คะแนนวี เหมาะสำหรับกรณีที่ขอบของแผ่นวงจรไม่มีลายวงจร RF และวัสดุรองรับไม่ใช่ PTFE บริสุทธิ์ (การทำรอยบากรูปตัว V บน PTFE อาจทำให้เกิดการแยกชั้นได้)
• การกำหนดเส้นทางแท็บ วิธีนี้เหมาะสมกว่าเมื่อขอบของแผงวงจรมีส่วนประกอบของเสาอากาศหรือสายส่งสัญญาณ หรือเมื่อวัสดุรองรับเป็น PTFE ตำแหน่งของแท็บควรหลีกเลี่ยงบริเวณที่ไวต่อคลื่นวิทยุ

5.3 การจัดวางแผงและการกระจายค่าความต้านทานอย่างสม่ำเสมอ

แผ่นวงจรบริเวณขอบแผงจะมีอัตราการกัดกรดและแรงดันการเคลือบที่แตกต่างจากแผ่นวงจรตรงกลางแผงเล็กน้อย สำหรับแผ่นวงจรความถี่สูง (HF) ที่ต้องการค่าความคลาดเคลื่อนต่ำ ผู้ผลิตควรติดตั้งแผ่นวัดค่าความต้านทานทั้งบริเวณขอบและตรงกลางแผงเพื่อตรวจสอบความสม่ำเสมอทั่วทั้งแผง การเพิ่มประสิทธิภาพการ จัดวางแผงควรคำนึงถึงความสม่ำเสมอของค่าความต้านทาน ไม่ใช่แค่จำนวนแผ่นวงจรสูงสุดต่อแผงเท่านั้น

6) กลยุทธ์การเคลือบสารกันบัดกรีในบริเวณ RF: ทองแดงเปลือย, การเคลือบแบบเลือกเฉพาะจุด หรือการเคลือบแบบเต็มพื้นที่

6.1 ตัวเลือกสามแบบและข้อดีข้อเสียของคลื่นความถี่วิทยุ (RF)

สำหรับงานออกแบบความถี่สูงส่วนใหญ่ที่สูงกว่า 6 GHz การใช้หน้ากากบัดกรีแบบเลือกเฉพาะจุด (Selective Solder Mask)ถือเป็นวิธีการมาตรฐาน กำหนดโซนยกเว้นหน้ากากบัดกรีในไฟล์ Gerber ของคุณให้ครอบคลุมสายส่งสัญญาณ RF, ส่วนประกอบเสาอากาศ และแผ่นรอง RF ทั้งหมด โดยเว้นระยะห่างอย่างน้อย 0.1 มม. รอบขอบของเส้นทางวงจร

7) Highleap สนับสนุนการประสานงานด้านการออกแบบและการผลิต PCB ของ HF อย่างไร

บริษัท Highleap Electronicsให้บริการประสานงานด้านการออกแบบและการผลิตตามที่อธิบายไว้ในบทความนี้:

• ข้อมูลกระบวนการสำหรับการจำลอง: ข้อมูลค่า Dk/Df ที่วัดได้, ปัจจัยการกัดเซาะ, ความหยาบของทองแดง (Rz) และความหนาของฉนวนไฟฟ้า จะถูกส่งให้กับทีมออกแบบเพื่อใช้ในการสร้างแบบจำลองอิมพีแดนซ์และการสูญเสียที่แม่นยำ
• ความสามารถในการเจาะย้อนกลับ: ค่าความคลาดเคลื่อนของความลึก ±0.1 มม. ตรวจสอบโดยการตัดขวางในแต่ละล็อตการผลิต
• DFM เฉพาะ HF: โดยการประเมินส่วนยื่น การเพิ่มประสิทธิภาพแผ่นรองป้องกัน การตรวจสอบความหนาแน่นของรูเจาะกราวด์ การตรวจสอบโซนยกเว้นหน้ากากบัดกรี และอื่นๆ พื้นผิว คำแนะนำสำหรับประสิทธิภาพ RF
• การออกแบบร่วมของ Stackup: การพัฒนารูปแบบการจัดเรียงชิ้นส่วนร่วมกันโดยใช้โปรแกรมแก้ปัญหาภาคสนาม พร้อมข้อมูลป้อนเข้าที่ผ่านการตรวจสอบความถูกต้องในการผลิต ซึ่งพร้อมใช้งานก่อนเริ่มการจัดวาง
• การสร้างต้นแบบแบบบูรณาการ: การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว พร้อมรายงานค่าอิมพีแดนซ์และการสูญเสียการแทรกอย่างครบถ้วน เพื่อตรวจสอบความสอดคล้องระหว่างการจำลองและการผลิต
• การประสานงานการประกอบ: ในสถานที่เดียวกัน การประกอบ SMT ด้วยโปรไฟล์การหลอมละลายเฉพาะสำหรับพื้นผิว HF ช่วยขจัดปัญหาการเคลื่อนย้ายร่องรอย RF ที่เปิดโล่งระหว่างสถานที่ต่างๆ

เริ่มการตรวจสอบการออกแบบ HF ของคุณ