PCB های فرکانس بالا: تولید، طراحی و بهینه سازی عملکرد RF

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

PCBهای فرکانس بالا که به عنوان صفحه های پردازش سیگنال های بالاتر از 1GHz تعریف می شوند، ستون فقرات فناوری بی سیم مدرن هستند.امکان هر چیزی از شبکه های 5G و ارتباطات ماهواره ای تا سیستم های رادار و دستگاه های IoTبرخلاف PCB های استاندارد، که اولویت هزینه و عملکرد اساسی را دارند، طرح های فرکانس بالا نیاز به کنترل دقیق بر یکپارچگی سیگنال، تطبیق مقاومت و به حداقل رساندن زیان دارند.حتی نقص های کوچک طراحی یا اشتباهات ساخت می تواند باعث تضعیف سیگنال شوداین راهنما اصول طراحی حیاتی، تکنیک های تولید، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز، روش های ساخت و ساز و ساز و ساز، و ساز و ساز و ساز و ساز و ساز و ساز و ساز و ساز و سازو انتخاب مواد که تضمین می کند PCB های فرکانس بالا عملکرد RF (فرکانس رادیویی) قابل اطمینان را ارائه دهند، همراه با کاربردهای دنیای واقعی و تجزیه و تحلیل های مقایسه ای برای هدایت مهندسان و تولید کنندگان.

چه چیزی PCB های فرکانس بالا را منحصر به فرد می کند؟
سیگنال های فرکانس بالا (1GHz+) رفتار متفاوتی نسبت به همتایان فرکانس پایین خود دارند و چالش های منحصر به فردی را که طراحی و تولید PCB را شکل می دهند، معرفی می کنند:
1اثر پوست: در فرکانس های بالا، الکترون ها عمدتاً در امتداد سطح آثار مس (در محدوده 1μ5μm از سطح) جریان دارند و مقاومت موثر را افزایش می دهند.این نیاز به سطوح مس صاف برای به حداقل رساندن از دست دادن.
2کاهش سیگنال: سیگنال های فرکانس بالا در طول سفر قدرت خود را از دست می دهند و با افزایش فرکانس به صورت نمایی افزایش می یابند.یک سیگنال 60GHz ~50٪ از قدرت خود را بیش از 10 اینچ در استاندارد FR-4 از دست می دهد، در مقایسه با 10٪ در 1GHz.
3حساسیت امپدانس: حفظ امپدانس مشخصه ثابت (معمولاً 50Ω برای RF) برای جلوگیری از بازتاب سیگنال بسیار مهم است.یک عدم تطابق مقاومت 10٪ می تواند باعث انعکاس 1٪ شود.
4.Crosstalk و EMI: سیگنال های فرکانس بالا انرژی الکترومغناطیسی را تشعشع می دهند و با ردیف های مجاور (crosstalk) و سایر اجزای (EMI) تداخل می کنند.
این چالش ها نیازمند مواد تخصصی، تحملات سخت تر و تکنیک های طراحی پیشرفته ای هستند که برای PCB های فرکانس پایین مورد نیاز نیستند.

اصول طراحی کلیدی برای PCB های فرکانس بالا
طراحی PCB با فرکانس بالا نیاز به تمرکز بر حداقل کردن زیان، کنترل مانع و کاهش تداخل دارد. اصول زیر اساسی هستند:
1کنترل مقاومت
مقاومت (Z0) با عرض ردیابی، ضخامت بستر و ثابت دی الکتریک (Dk) تعیین می شود. برای برنامه های RF:
a.انبساط مشخص: هدف 50Ω برای اکثر مدارهای RF (75Ω برای ویدیو، 100Ω برای جفت های دیفرانسیل).
ب. تحمل: مقاومت را در حدود ± 5٪ از هدف حفظ کنید تا بازتاب را به حداقل برسانید. این امر نیاز به کنترل دقیق ابعاد ردی (± 0.05mm) و Dk (± 0.1) دارد.
c. ابزارها: از حل کننده های میدان سه بعدی (به عنوان مثال Ansys HFSS) برای شبیه سازی مقاومت استفاده کنید، حسابداری برای هندسه ردیابی و خواص بستر.

2مسیر ردیابی
a. مسیرهای کوتاه و مستقیم: به حداقل رساندن طول ردیابی برای کاهش ضایعات. یک ردیابی 1 اینچی در 28GHz ~ 0.5dB را در زیربناهای کم ضایعات از دست می دهد و به سرعت در طرح های پیچیده اضافه می شود.
ب.ژئومتری ثابت: از پیچیدگی های ناگهانی، پیچ ها یا تغییرات عرض که باعث قطعیت مقاومت می شوند، اجتناب کنید. زاویه های 45 درجه به جای 90 درجه را برای کاهش بازتاب استفاده کنید.
ج.طرح های زمین: یک سطح زمین مستمر را مستقیماً زیر ردیف های RF قرار دهید تا مسیر بازگشت با مقاومت پایین و محافظت در برابر تداخل را فراهم کند.
بهترین شیوه: مسیرهای فرکانس بالا در لایه بالا با یک سطح زمین اختصاصی بلافاصله در زیر، جدا شده توسط یک دی الکتریک نازک (0.2 ∼ 0.5 میلی متر) برای اتصال محکم.

3از طریق طراحی
ویاس ها (به ویژه ویاس های سوراخ) مانع و باعث بازتاب سیگنال در فرکانس های بالا می شوند. استراتژی های کاهش شامل:
a.میکروویا: از میکروویا های کور / دفن شده (قطر ≤0.15 میلی متر) برای به حداقل رساندن طول استوب (بخش استفاده نشده از مسیر) استفاده کنید. یک استوب <0.5 میلی متر در مقایسه با یک استوب 2 میلی متر، از دست دادن 60GHz را 30٪ کاهش می دهد.
ب. محافظ از طریق: برای جلوگیری از تشعشع و کاهش صدای متقاطع، لوله ها را با لوله های زمینی (لوله های بخیه دار) احاطه کنید.
c. بهینه سازی ضد باد: اندازه ضد باد (دسترسی در اطراف ویاس ها در سطوح زمین) برای حفظ تداوم مقاومت.

4. قرار دادن قطعات
a.گروه اجزای RF: تقویت کننده های خوشه ای، مخلوط کننده ها و آنتن ها برای به حداقل رساندن طول ردیابی بین آنها.
ب.قطعات آنالوگ و دیجیتال را جدا کنید: مدار های RF فرکانس بالا را از منطق دیجیتال جدا کنید تا از EMI جلوگیری شود. از یک سطح زمین تقسیم شده با یک پل اتصال در یک نقطه استفاده کنید.
ج.از منابع سر و صدا اجتناب کنید: منابع برق، نوسانگرها و مسیرهای جریان بالا را از مسیرهای RF دور نگه دارید تا تداخل را کاهش دهید.

مواد حیاتی برای PCB های فرکانس بالا
انتخاب مواد مهم ترین عامل عملکرد PCB فرکانس بالا است، زیرا خواص دی الکتریک به طور مستقیم بر از دست دادن و یکپارچگی سیگنال تاثیر می گذارد.
1مواد زیربنایی

معیارهای کلیدی:
ثبات Dk: Dk پایین (3.0 ∼3.5) تاخیر سیگنال را به حداقل می رساند؛ Dk پایدار در سراسر دمای (± 0.05) مانع ثابت را تضمین می کند.
Df (فاکتور پراکندگی): Df پایین تر از دست دادن دی الکتریک را کاهش می دهد. در 28GHz، Df 0.002 (RO4350B) منجر به 50٪ کمتر از دست دادن Df 0.004 (Megtron 6) می شود.

2ورق مس
a.سطح خشکی: مس صاف (Rz <1μm) باعث کاهش اثر پوست می شود. مس بسیار کم (VLP) (Rz 0.3 ∼ 0.8μm) برای > 28GHz ایده آل است.
b. ضخامت: 0.5 ′′ 1 اونس (17 ′′ 35μm) ، رسانایی و اثر پوست را متعادل می کند. مس ضخیم تر به دلیل اثر پوست، در فرکانس های بالا هیچ فایده ای ندارد.
c. آنالیز: مس آنالیز شده رول شده انعطاف پذیری برای طرح های منحنی (به عنوان مثال آنتن ها) را بدون افزایش زیان افزایش می دهد.

3. نقاب و پوشش
a.پوشنده: برای جلوگیری از افزایش Dk موثر، از یک ماسک پختنده نازک (1020μm) و کم Dk (به عنوان مثال مایع قابل تصویربرداری) استفاده کنید.
b. پوشش (PCB های انعطاف پذیر): پوشش های پلی آمید با Dk <3.0 یکپارچگی سیگنال را در طرح های فرکانس بالا انعطاف پذیر حفظ می کنند.

تکنیک های تولید برای PCB های فرکانس بالا
PCB های فرکانس بالا نیاز به تحملات سخت تر و فرآیندهای تخصصی برای حفظ عملکرد دارند:
1. حکاکی دقیق
a. تحمل حکاکی: دستیابی به کنترل عرض ردیابی ± 0.01mm برای حفظ مقاومت. این نیاز به ماشین های حکاکی پیشرفته با کنترل فشار اسپری دارد.
b.کم کردن زیرقطعه: از شیمی با عامل کندهای پایین برای کاهش زیرقطعه (تفاوت بین عرض ردیف بالا و پایین) استفاده کنید و مانع ثابت را تضمین کنید.

2حفاری
حفاری میکروویا: حفاری لیزری (لیزر UV یا CO2) باعث ایجاد میکروویا 0.05 × 0.15 میلی متری با دقت موقعیت ± 2μm می شود که برای طرح های RF با چگالی بالا حیاتی است.
ب. حفاری از طریق سوراخ: از حفاری های کربید با زاویه های نقطه ای 118 ° برای به حداقل رساندن روغن رزین استفاده کنید ، که اگر حذف نشود می تواند از دست دادن را افزایش دهد.

3. لامیناسیون
a.کنترول دمای و فشار: لامینات باید با فشار دقیق (20-30 kgf / cm2) و دمای (180-220 °C) برای اطمینان از ضخامت دی الکتریک یکنواخت (± 5μm) پیوند داده شود.
b. پیشگیری از خلا: لایه بندی خلاء حباب های هوا را از بین می برد که باعث تغییرات Dk و از دست دادن سیگنال می شود.

4آزمایش و بازرسی
a. Time-Domain Reflectometry (TDR): عدم تداوم مقاومت را در سراسر PCB اندازه گیری می کند و مسائل مانند تغییرات عرض ردیابی یا از طریق stubs را شناسایی می کند.
b.بررسی تحلیلگر شبکه: برای مشخص کردن از دست دادن ورودی (S21) و از دست دادن بازگشت (S11) تا 100GHz برای تأیید عملکرد.
ج.بررسی اشعه ایکس: بررسی کیفیت از طریق تراز و جفت جوش در قطعات BGA/RFIC.

کاربردها: PCB های فرکانس بالا در عمل
PCB های فرکانس بالا طیف وسیعی از فن آوری های پیشرفته را امکان پذیر می کنند، هر کدام با الزامات منحصر به فرد:
1زیرساخت های 5G
a. ایستگاه های پایه: آرایه های 28GHz و 39GHz mmWave از زیربنای RO4350B با ضخامت دی الکتریک 0.5mm برای به حداقل رساندن از دست دادن استفاده می کنند.
ب.سلول های کوچک: سلول های کوچک کامپکت 5G به FR-4 (Megtron 6) با Tg بالا برای بهره وری از هزینه در باند های زیر 6GHz تکیه می کنند.
c.تقاضیات: <0.3dB از دست دادن ورودی در هر اینچ در 28GHz؛ ±3٪ تحمل مقاومت.

2هوافضا و دفاع
a. سیستم های رادار: رادار خودرو 77GHz و رادار نظامی 100GHz از زیربنای PTFE (RT / Duroid 5880) برای حداقل از دست دادن استفاده می کنند.
ب. ارتباطات ماهواره ای: گیرنده های باند Ka (26.5 ٫40GHz) به مواد مقاوم در برابر تشعشعات با Dk پایدار بیش از -55 °C تا 125 °C نیاز دارند.

3الکترونیک مصرفی
a.اسمارت فون ها: اسمارت فون های 5G PCB های FR-4 و LCP (پلیمر کریستال مایع) را برای آنتن های زیر 6GHz و mmWave یکپارچه می کنند، هزینه و عملکرد را متعادل می کنند.
b.Wi-Fi 6E: روترهای Wi-Fi 6GHz از FR-4 با Tg بالا با میکروویا برای پشتیبانی از طرح های MIMO چند آنتن استفاده می کنند.

4دستگاه های پزشکی
کویل های ام آر آی: کویل های ام آر آی با فرکانس بالا (۶۴MHz ۰۳T) از زیربناهای کم Dk برای به حداقل رساندن تداخل سیگنال و بهبود کیفیت تصویر استفاده می کنند.
ب. سنسورهای بی سیم: مانیتورهای بهداشتی پوشیدنی از PCB های انعطاف پذیر LCP برای اتصال بلوتوث 2.4GHz استفاده می کنند که سازگاری را با از دست دادن کم ترکیب می کنند.

تجزیه و تحلیل مقایسه ای: فرکانس بالا در مقابل PCB استاندارد

روند آینده در تکنولوژی PCB فرکانس بالا
پیشرفت در مواد و طراحی عملکرد PCB فرکانس بالا را بیشتر می کند:
1. سبسترات های تقویت شده با گرافین: دی الکتریک های گرافین با Dk <2.0 و Df <0.001 در حال توسعه هستند، که برنامه های کاربردی 100 + GHz را هدف قرار می دهند.
2تولید افزودنی: ساختارهای RF چاپ شده 3D (به عنوان مثال آنتن ها، موج های هدایت شده) که با PCB ها ادغام شده اند، از دست رفتن را کاهش می دهند و ادغام را بهبود می بخشند.
3طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: ابزارهای یادگیری ماشین مسیرهای ردیابی و انتخاب مواد را بهینه می کنند و زمان طراحی را 40٪ کاهش می دهند در حالی که عملکرد را بهبود می بخشند.

سوالات عمومی
س: حداکثر فرکانسی که یک PCB می تواند تحمل کند چیست؟
A: PCB های فرکانس بالا فعلی با استفاده از زیربناهای PTFE تا 100GHz را به طور قابل اعتماد پشتیبانی می کنند. تحقیقات در حال انجام است تا این فرکانس را با مواد جدید به فرکانس های تراهرتز گسترش دهد.

س: آیا می توان از استاندارد FR-4 برای طرح های فرکانس بالا استفاده کرد؟
A: FR-4 استاندارد به دلیل تغییرات Df و Dk بالا به <1GHz محدود می شود. FR-4 پیشرفته Tg بالا (به عنوان مثال، Megtron 6) تا 10GHz برای برنامه های کاربردی حساس به هزینه کار می کند.

س: درجه حرارت چگونه بر عملکرد PCB فرکانس بالا تاثیر می گذارد؟
A: تغییرات دمایی سبسترات Dk را تغییر می دهند (معمولا +0.02 در هر 10 ° C) ، که بر مقاومت تأثیر می گذارد. برای محدوده های عملیاتی گسترده از سبسترات های پایدار دمایی (به عنوان مثال RO4350B) استفاده کنید.

سوال: تفاوت هزینه بین PCB های فرکانس بالا و استاندارد چیست؟
A: PCB های فرکانس بالا به دلیل مواد تخصصی (به عنوان مثال PTFE) ، تحملات سخت تر و آزمایشات پیشرفته 2 × 5 برابر بیشتر هزینه می کنند.

س: آیا PCB های انعطاف پذیر برای فرکانس های بالا مناسب هستند؟
A: بله، PCB های انعطاف پذیر LCP (پلیمر کریستال مایع) تا 60GHz را با از دست دادن کم پشتیبانی می کنند، که آنها را برای آنتن های منحنی و دستگاه های پوشیدنی ایده آل می کند.

نتیجه گیری
PCB های فرکانس بالا فعال کننده های حیاتی نسل بعدی فناوری بی سیم هستند، که نیاز به ترکیبی دقیق از دقت طراحی، علم مواد و تخصص تولید دارند.با اولویت بندی کنترل مقاومت، به حداقل رساندن زیان از طریق مواد کم Dk / Df و با استفاده از تکنیک های تولید پیشرفته، مهندسان می توانند PCB هایی را ایجاد کنند که عملکرد قابل اعتماد را در 1GHz و فراتر از آن ارائه می دهند.
این که آیا برای ایستگاه های پایه 5G، سیستم های رادار یا دستگاه های پزشکی، کلید مطابقت مواد و انتخاب طراحی با فرکانس، هزینه و الزامات زیست محیطی برنامه است.به عنوان تکنولوژی های بی سیم به سمت فرکانس های بالاتر (6G) ادامه می دهند، ترا هرز) ، نوآوری PCB با فرکانس بالا همچنان یک سنگ بنای پیشرفت خواهد بود.

نکته کلیدی: PCB های فرکانس بالا فقط نسخه های سریعتر از PCB های استاندارد نیستند آنها سیستم های تخصصی هستند که در آن هر ماده، اثر،و از طریق طراحی شده برای حفظ یکپارچگی سیگنال در مواجهه با چالش های فرکانس بالا منحصر به فرد.