PCB های فرکانس بالا برای برنامه های RF: راهنمای نهایی برای تولید و طراحی (2024)

در عصر 5G، اینترنت اشیا و سیستم های رادار، PCB های فرکانس بالا قهرمانان ناشناخته ارتباطات بی سیم سریع و قابل اعتماد هستند.این صفحه های تخصصی سیگنال های RF را (300 مگاهرتز) با کمترین از دست دادن منتقل می کنند، اما تنها اگر آنها به درستی طراحی و ساخته شوند.یک اشتباه ساده (به عنوان مثال، مواد نادرست، سازگاری نامناسب با مقاومت) می تواند سیگنال یک ایستگاه پایه 5G را به شکل غلط تبدیل کند یا یک سیستم رادار را بی فایده کند.

خطر بالاست، اما پاداش ها هم بالاست: PCB های فرکانس بالا که به خوبی طراحی شده اند، ۳ برابر کمتر از دست دادن سیگنال، ۵۰ درصد کم تر EMI و ۲ برابر طول عمر بیشتر از PCB های استاندارد را ارائه می دهند.این راهنما همه چیزهایی را که باید بدانید را از انتخاب مواد کم تلفات (مانند Rogers RO4003C) تا تسلط بر سازگاری و محافظت از مقاومت تجزیه می کنداین که آیا شما در حال ساخت یک ماژول 5G یا یک سیستم RF ماهواره ای هستید، این نقشه راه شما برای موفقیت است.

نکات کلیدی
1.ماده ای است که باعث ایجاد یا شکستن می شود: زیربناهای دارای ثابت دی الکتریک پایین (Dk: 2.2 ¢ 3.6) و لمسی از دست دادن (Df < 0.005) را برای به حداقل رساندن از دست دادن سیگنال انتخاب کنید38، Df=0.0027) استاندارد طلا برای RF است.
2تطبیق امپدانس قابل مذاکره نیست: ردپای امپدانس کنترل شده 50Ω بازتاب سیگنال را از بین می برد و VSWR <1.5 (برای 5G / mmWave) را حفظ می کند.
3مسائل دقیق تولید: حفاری لیزر (برای میکروویا) و اتصال SAB (قوه پوست: 800 ≈ 900 گرم / سانتی متر) اتصال قابل اعتماد و کم ضرر را تضمین می کند.
4محافظت از تداخل را متوقف می کند: هواپیماهای زمینی جامد + قوطی های محافظ فلزی EMI را 40٪ و crosstalk را 60٪ در طرح های RF شلوغ کاهش می دهند.
5لبه.LT CIRCUIT: فرآیند گواهینامه IPC کلاس 3 آنها و مواد Rogers / Megtron PCB ها را با از دست دادن سیگنال <0.7 dB / in در 10 گیگاهرتز ارائه می دهند.

بخش 1: ظرفیت تولید PCB فرکانس بالا
PCB های فرکانس بالا فقط PCB های استاندارد سریع نیستند، آنها به فرآیندهای تخصصی، مواد و کنترل کیفیت برای مدیریت سیگنال های RF نیاز دارند.در زیر نشان می دهد که چگونه تولید کنندگان مانند LT CIRCUIT ارائه قابل اعتماد، تخته های کم ضرر.

1.1 تجهیزات و فرآیندهای تخصصی
PCB های RF نیاز به دقت فراتر از آنچه که دستگاه های PCB استاندارد می توانند ارائه دهند دارند. در اینجا تجهیزات و تکنیک هایی که تفاوت را ایجاد می کنند:

مثال: LT CIRCUIT از دریل های لیزری برای ایجاد میکروویا های 6 میلی برای PCB های 5G استفاده می کند. این به آنها اجازه می دهد تا رد های RF 2 برابر بیشتری را در همان فضا قرار دهند ، در حالی که SPC مانع را در بیش از 10،000 صفحه ثابت نگه می دارد.

1.2 انتخاب مواد: از دست دادن کم = سیگنال های RF قوی
بستر (مواد پایه) PCB فرکانس بالا به طور مستقیم بر از دست دادن سیگنال تأثیر می گذارد. طرح های RF به مواد با:
a. ثابت دی الکتریک پایین (Dk): 2.2 ∼3.6 (توسع سیگنال آهسته تر = از دست دادن کمتر).
b.دستگیر از دست دادن کم (Df): <0.005 (طاقت کمتری به عنوان گرما هدر می رود).
c. انتقال شیشه ای بالا (Tg): >180°C (ثبات در سیستم های RF با دمای بالا مانند ایستگاه های پایه).

در زیر نشان داده شده که چگونه مواد RF بالا جمع می شوند:

هشدار مهم: ادعاهای فروشنده Df اغلب با عملکرد دنیای واقعی مطابقت ندارد.آزمایشات نشان می دهد Df اندازه گیری شده می تواند 33~200٪ بالاتر از تبلیغ شده باشد. همیشه داده های آزمایش شخص ثالث را درخواست کنید (LT CIRCUIT این را برای تمام مواد فراهم می کند).

1.3 اتصال پیشرفته و لایه بندی
اتصال ضعیف باعث جدا شدن لایه ها و از دست دادن سیگنال در PCB های RF می شود. روش های مدرن مانند SAB (Surface Activated Bonding) این مشکل را حل می کنند:
a.چگونه کار می کند: پلاسما LCP (پلیمر کریستال مایع) و سطوح مس را درمان می کند و بدون چسب پیوند شیمیایی ایجاد می کند.
ب.نتایج: مقاومت پوست 800-900 g/cm (در مقابل 300-400 g/cm برای اتصال سنتی) و خشکی سطح <100 nm (از دست دادن رسانایی را 3 برابر کاهش می دهد).
c. تجزیه و تحلیل XPS: تایید شکستگی بزرگ در لایه (نه در خط پیوند) اثبات قابلیت اطمینان طولانی مدت.

لايه بندي هم نياز به دقت داره:
a. فشار/درجه حرارت: 200×400 PSI در 170×190°C برای مواد Rogers برای جلوگیری از جیب های هوا (که باعث بازتاب سیگنال می شوند).
b.یکسانی دی الکتریکی: تغییرات ضخامت <۵٪ برای حفظ انسداد ثابت ◄ برای 50Ω RF traces.

1.4 کنترل کیفیت: آزمایش درجه RF
تست های استاندارد PCB برای RF کافی نیستند شما به چک های تخصصی برای اطمینان از یکپارچگی سیگنال نیاز دارید:

LT CIRCUIT تمام اين آزمايش ها را براي هر دسته از PCB هاي RF انجام ميده

بخش ۲: ملاحظات طراحی برای PCB های فرکانس بالا RF
حتی بهترین تولید نمی تواند یک طراحی بد را اصلاح کند. PCB های RF نیاز به طرح بندی، زمین گذاری و استراتژی های مسیریابی متناسب با فرکانس های بالا دارند.

2.1 تطبیق مقاومت: از بین بردن بازتاب سیگنال
عدم تطابق موانع علت شماره یک از دست دادن سیگنال RF است. برای اکثر سیستم های RF (5G ، Wi-Fi ، رادار) ، هدف 50Ω موانع کنترل شده است که با منبع (به عنوان مثال تراشه RF) و بار (به عنوان مثال آنتن) مطابقت دارد.

چگونه 50Ω مقاومت را به دست آورید
1از محاسبات مقاومت استفاده کنید: ابزارهایی مانند Polar SI9000، عرض/فاصله ردیابی را بر اساس:
a. سبسترات Dk (به عنوان مثال، 3.38 برای Rogers RO4003C).
b. ضخامت ردیابی (1 اونس = 35μm).
c. ضخامت دی الکتریک (0.2mm برای 4 لایه PCB).
2.ژئومتري پيچ را انتخاب کنيد:
a.Microstrip: ردیابی در لایه بالا، سطح زمین در زیر (ساده برای ساخت، خوب برای 1 ′′10 GHz).
ب. خط خط: ردیابی بین دو سطح زمین (حراست بهتر، ایده آل برای >10 GHz/mmWave).
3.از قطعات امپدانس اجتناب کنید:
a.بدون پیچیدگی های تیز (از زاویه های 45° یا منحنی استفاده کنید) ◄ پیچیدگی های 90° باعث از دست دادن 0.5 ◄ 1 دی سی بی در 28 گیگاهرتز می شوند.
b. طول ردیابی را برای جفت های دیفرانسیل (به عنوان مثال 5G mmWave) برای جلوگیری از تغییر فاز مطابقت دهید.

مثال: یک مایکروستریپ 50Ω در Rogers RO4003C (0.2mm dielectric) نیاز به عرض 1.2mm دارد. هر گونه تغییر (>±0.1mm) باعث می شود که مانع حرکت کند و از دست دادن بازگشت را افزایش دهد.

2.2 زمین گیری و محافظت: توقف EMI و Crosstalk
سیگنال های RF نسبت به تداخل حساس هستند. زمین گیری و محافظت خوب EMI را 40٪ و crosstalk را 60٪ کاهش می دهد.

پایه گذاری بهترین روش ها
a.طرح های زمینی جامد: بیش از 70٪ از فضای استفاده نشده را با مس پوشش دهید. این باعث می شود که سیگنال های RF مسیر بازگشت با مقاومت پایین داشته باشند (برای 5G حیاتی است).
ب. زمین گیری تک نقطه ای: زمین های آنالوگ و دیجیتال را فقط در یک نقطه متصل کنید (از حلقه های زمین که باعث ایجاد سر و صدا می شوند اجتناب می کند).
c. راه های خیاط زمین: هر 5 میلی متر در امتداد لبه های سطح زمین قرار دهید. این یک قفس فارادای ایجاد می کند که EMI خارجی را مسدود می کند.

استراتژی های محافظت

نکته حرفه ای: برای PCB های 5G، قبل از هدایت ردارهای دیجیتال، قوطی های محافظ را بر روی گیرنده های RF قرار دهید. این کار از عبور مسیرهای حساس RF با سیگنال های دیجیتال سر و صدا جلوگیری می کند.

2.3 بهینه سازی طرح: به حداقل رساندن از دست دادن سیگنال
از دست دادن سیگنال RF با طول مسیر افزایش می یابد

قوانین کلیدی طرح بندی
1مسیر RF اول: اولویت ردیابی های RF (آن ها را <50mm برای 28 GHz نگه دارید) قبل از ردیابی های دیجیتال / قدرت.

2دامنه های سیگنال جداگانه:
ردیف های RF را 3 برابر عرض خود از ردیف های دیجیتال دور نگه دارید (به عنوان مثال، ردیف های RF 1.2mm نیاز به فاصله 3.6mm دارند).
قرار دادن قطعات قدرت (کنترلگرها) دور از قطعات RF ٫ سر و صدا تغییر از تنظیم کننده ها سیگنال های RF را مختل می کند.

3.پرده بندی لایه برای RF:
4-سطح: بالا (آثار RF) → لایه 2 (زمین) → لایه 3 (قدرت) → پایین (دیجیتال).
8 لایه: اضافه کردن لایه های RF داخلی برای طرح های متراکم (به عنوان مثال، فرستنده های ماهواره ای) با سطوح زمینی در میان.

قرار دادن قطعات
a.گروه اجزای RF: آنتن ها، فیلترها و گیرنده ها را نزدیک یکدیگر قرار دهید تا طول ردیابی به حداقل برسد.
ب.از راه های رادیویی اجتناب کنید: هر راه 0.1 ∼ 0.3 دی سی بی از دست دادن در 10 گیگاهرتز را اضافه می کند. در صورت لزوم از راه های کور / دفن استفاده کنید.
c. اجزای جهت گیری برای مسیرهای کوتاه: تراشه های RF را به گونه ای هماهنگ کنید که پین های آنها به سمت آنتن باشد و طول مسیر را 20 درصد کاهش دهد.

2.4 ردیابی مسیر: اجتناب از اشتباهات رایج RF
حتی اشتباهات کوچک در مسیریابی می تواند عملکرد RF را خراب کند.
a. ردیاب های موازی: اجرای ردیاب های رادیویی و دیجیتال موازی باعث می شود که اگر آنها باید متقاطع شوند، در 90 درجه عبور کنند.
ب. ردپای همپوشانی: ردپای در لایه های مجاور که همپوشانی دارند مانند خازن ها عمل می کنند و باعث اتصال سیگنال می شوند.
c.Via stubs: استفاده نشده از طول (stubs) باعث بازتاب سیگنال می شود.

بخش سوم: حل مشکلات رایج PCB با فرکانس بالا
PCB های RF با چالش های منحصر به فرد روبرو هستند - در اینجا نحوه رفع آنها قبل از اینکه بر عملکرد تأثیر بگذارند.

3.1 از دست دادن سیگنال: تشخیص و اصلاح
از دست دادن سیگنال بالا (IL >1 dB/in در 10 گیگاهرتز) معمولاً به علت:
ماده اشتباه: Megtron6 (0.95 dB/in) را با Rogers RO4003C (0.72 dB/in) تعویض کنید تا از دست دادن 24٪ کاهش یابد.
ب.ژئومتری ردیابی ضعیف: ردیاب های باریک (0.8 میلی متر به جای 1.2 میلی متر) مقاومت را افزایش می دهد
c. آلودگی: ماسک جوش یا باقیمانده جریان بر روی ردیف های RF باعث افزایش تلفات استفاده از تولید اتاق تمیز می شود (LT CIRCUIT از اتاق های تمیز کلاس 1000 استفاده می کند).

3.2 تداخلات EMI
اگر PCB RF شما صدا را دریافت می کند:
a.بررسی زمینگیری: از یک مولتی متر برای آزمایش تداوم سطح زمین استفاده کنید. وقفه باعث مقاومت بالا و EMI می شود.
ب.گرده های فرایت اضافه کنید: گرده ها را روی خطوط برق قرار دهید تا صدای فرکانس بالا را از تنظیم کننده ها مسدود کنید.
c. طراحی مجدد محافظ: قوطی های محافظ را برای پوشاندن شکاف های خیاطی زمین گسترش دهید تا EMI نفوذ کند.

3.3 مدیریت حرارتی
اجزای RF (به عنوان مثال تقویت کننده های قدرت 5G) باعث تولید گرما می شوند.
الف.فایوس های حرارتی: برای انتقال گرما به مسطح زمین، 4-6 فایوس را زیر اجزای داغ اضافه کنید.
ب. حرارتی: از حرارتی آلومینیومی برای اجزای دارای توان بیش از 1 وات استفاده کنید.
c. انتخاب مواد: Rogers RO4003C (رسانش حرارتی: 0.71 W/m·K) گرمای 2 برابر بهتر از FR4 استاندارد را از بین می برد.

بخش 4: چرا برای PCB های RF فرکانس بالا مدار LT را انتخاب کنید
LT CIRCUIT فقط یک سازنده PCB نیست، آنها متخصصان RF با سابقه ای در ارائه تخته برای سیستم های 5G، هوافضا و رادار هستند.

4.1 مواد و گواهینامه های درجه RF
a. شرکای مجاز راجرز/مگترون: آنها از مواد اصلی راجرز RO4003C/RO4350B و مگترون6 استفاده می کنند. مواد تقلبی که باعث از دست دادن سیگنال می شوند.
b.IPC کلاس 3 گواهی: بالاترین استاندارد کیفیت PCB، اطمینان از PCB های RF با الزامات قابلیت اطمینان هوافضا / مخابرات.

4.2 تخصص فنی
a. پشتیبانی از طراحی RF: مهندسان آنها به بهینه سازی سازگاری و محافظت از مقاومت کمک می کنند و به شما 4-6 هفته از طراحی مجدد صرفه جویی می کنند.
آزمایش پیشرفته: آزمایش های TDR، IL/RL و چرخه حرارتی داخلی عملکرد RF را قبل از حمل تایید می کنند.

4.3 نتایج اثبات شده
a.5G base stations: PCBs با از دست دادن <0.7 dB/in در 10 GHz که توسط شرکت های مخابراتی برتر استفاده می شود.
b.RF ماهواره ای: PCB هایی که بیش از 1000 چرخه حرارتی (-40°C تا 125°C) را بدون کاهش عملکرد زنده نگه می دارند.

سوالات عمومی
1تفاوت بین PCB های فرکانس بالا و PCB های سرعت بالا چیست؟
PCB های با فرکانس بالا سیگنال های RF (300 MHz~300 GHz) را پردازش می کنند و بر کاهش کم/Df تمرکز می کنند. PCB های با سرعت بالا سیگنال های دیجیتال (به عنوان مثال PCIe 6.0) را پردازش می کنند و بر یکپارچگی سیگنال تمرکز می کنند.

2میتونم از FR4 استاندارد برای برنامه های RF استفاده کنم؟
NO √ FR4 دارای Df بالا (0.01 √ 0.02) و از دست دادن سیگنال (> 1.5 dB / in در 10 گیگاهرتز) است ، که آن را برای RF مناسب نمی کند. به جای آن از مواد راجرز یا مگترون استفاده کنید.

3يه سي پي آي اف با فرکانس بالا چقدر هزینه داره؟
PCB های مبتنی بر راجرز 2 × 3 برابر بیشتر از FR4 هزینه دارند ، اما سرمایه گذاری سود می دهد: از دست دادن سیگنال کمتر باعث کاهش 70 درصد شکست میدان می شود. برای یک صفحه 4 لایه 100 میلی متر × 100 میلی متر ، انتظار 50 $ 80 در مقابل 20 $ 30 برای FR4 است.

4حداکثر فرکانسی که یک PCB با فرکانس بالا می تواند تحمل کند چیست؟
با استفاده از زیرپوش های تفلون و هندسه ی خطوط، PCB ها می توانند تا ۳۰۰ گیگاهرتز (mmWave) را که در ارتباطات ماهواره ای و 6G R&D استفاده می شود، مدیریت کنند.

5چقدر طول ميکشه که PCB هاي فرکانس بالا رو درست کنيم؟
LT CIRCUIT نمونه های اولیه را در ۵/۷ روز و تولید انبوه را در ۲/۳ هفته سریعتر از میانگین صنعت (۱۰/۱۴ روز برای نمونه های اولیه) تحویل می دهد.

نتیجه گیری: PCB های فرکانس بالا آینده RF هستند
با گسترش شبکه 5G، رشد اینترنت اشیا و پیشرفته تر شدن سیستم های رادار، PCB های فرکانس بالا فقط اهمیت بیشتری خواهند داشت. کلید موفقیت ساده است: اولویت بندی مواد (کم Dk / Df) ،تطبیق مقاومت اصلی، و در تولید دقیق سرمایه گذاری کنید.

استفاده از FR4 به جای Rogers، عبور از محافظ یا نادیده گرفتن مقاومت منجر به از دست دادن سیگنال، EMI و خرابی های گران قیمت می شود.اما با رویکرد درست (و شرکای مثل LT CIRCUIT)، شما می توانید PCB های RF را بسازید که سیگنال های سریع و قابل اعتماد را حتی برای سخت ترین برنامه ها ارائه می دهند.

آینده ارتباطات بی سیم به PCB های فرکانس بالا بستگی دارد.شما جلوتر از منحنی خواهید بود محصولات ارائه شده که نسل بعدی فن آوری RF را تقویت می کند.