PCB های با سرعت بالا چیست؟

PCB های با سرعت بالا به ستون فقرات دنیای ما تبدیل شده اند، که انتقال سریع داده را که شبکه های 5G، سرورهای هوش مصنوعی و وسایل نقلیه مستقل را تقویت می کند، امکان پذیر می کند.که سیگنال های فرکانس پایین (≤100MHz) را مدیریت می کنند، PCB های با سرعت بالا برای مدیریت سیگنال ها در 1Gbps و بالاتر یا فرکانس های بیش از 1GHz بدون تخریب طراحی شده اند. اما دقیقا چه چیزی یک PCB با سرعت بالا را تعریف می کند،چه تفاوتی با تخته های سنتی دارند؟، و چه چیزی باعث می شود طراحی و تولید آنها بسیار پیچیده باشد؟ این راهنما ضروریات را از ویژگی های کلیدی تا کاربردهای دنیای واقعی تجزیه می کند.به شما کمک می کند تا بفهمید چرا PCB های با سرعت بالا برای نسل بعدی فناوری حیاتی هستند.

نکات کلیدی
1PCB های با سرعت بالا با سرعت سیگنال ≥1Gbps یا فرکانس ≥1GHz تعریف می شوند و نیاز به طراحی تخصصی برای کاهش مشکلات یکپارچگی سیگنال مانند انعکاس، crosstalk و کاهش دارند.
2انتخاب مواد بسیار مهم است: زیربناهای کم تلفات (به عنوان مثال، Rogers RO4350) از دست دادن سیگنال را 40٪ در مقایسه با FR4 استاندارد در 28GHz کاهش می دهد.
3کنترل مقاومت (طرح تحمل ± 5٪) و مسیر دقیق (به عنوان مثال، جفت های تفاضلی، سطوح زمین) برای حفظ یکپارچگی سیگنال قابل مذاکره نیستند.
4PCB های با سرعت بالا شبکه های 5G (2860GHz) ، مراکز داده (100Gbps+) و وسایل نقلیه مستقل را با نرخ شکست 10 برابر کمتر از PCB های استاندارد در صورت طراحی مناسب امکان پذیر می کنند.

یک PCB با سرعت بالا چیست؟
یک PCB با سرعت بالا فقط "سریع" نیست بلکه یک صفحه تخصصی است که برای حفظ یکپارچگی سیگنال در سرعت های شدید طراحی شده است. آستانه برای "سرعت بالا" بستگی به زمینه دارد:

1سرعت داده: سیگنال های ≥1Gbps (به عنوان مثال USB 3.2، PCIe 4.0) واجد شرایط هستند، زیرا آنها نشان می دهند اثرات خط انتقال (رفتار سیگنال مانند امواج رادیویی).
2فرکانس: سیگنال های ≥1GHz (به عنوان مثال، 5G mmWave در 28GHz) نیاز به طراحی با سرعت بالا دارند، زیرا فرکانس های بالاتر باعث تقویت از دست دادن و تداخل می شوند.

در این سرعت ها، سیگنال ها دیگر مانند جریان های الکتریکی ساده رفتار نمی کنند. در عوض آنها به عنوان امواج الکترومغناطیسی عمل می کنند، با مواد PCBs، آثار،و اجزای به گونه ای که می تواند داده ها را تحریف یا نابود کند.

ویژگی های اصلی PCB های با سرعت بالا
a.کمک کنترل شده: ردیابی ها به اندازه دقیق برای حفظ 50Ω (یک طرفه) یا 100Ω (متفاوت) کمک هستند، که منع بازتاب سیگنال می کند.
b. مواد کم ضایعات: زیربناهای دارای ثابت دی الکتریک پایین (Dk) و فاکتور تبعید (Df) کاهش سیگنال را به حداقل می رسانند.
c.کمترین طول ردیابی: مسیرهای کوتاه و مستقیم تاخیر و از دست دادن را کاهش می دهند که برای سیگنال های 100Gbps+ که 50٪ قدرت خود را در طول 10 سانتی متر در FR4 استاندارد از دست می دهند، حیاتی است.
d. کاهش صدای عبور: ردیف ها برای محدود کردن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بین سیگنال های مجاور فاصله دارند.

چگونه PCB های با سرعت بالا از PCB های استاندارد متفاوت هستند
تفاوت های بین PCB های با سرعت بالا و استاندارد فراتر از سرعت است. آنها بر هر جنبه ای از طراحی و تولید تاثیر می گذارند:

ملاحظات طراحی انتقادی برای PCB های با سرعت بالا
طراحی PCB های پرسرعت نیاز به توجه دقیق به جزئیات دارد، زیرا حتی اشتباهات کوچک می توانند سیگنال ها را غیرقابل خواندن کنند.
1کنترل مقاومت
موانع (مقاومت از سیگنال های AC) باید در طول کل مسیر ثابت باشد تا از انعکاس سیگنال جلوگیری شود. پدیده ای که سیگنال ها از موانع نامناسب بازتاب می گیرند و باعث ایجاد خطاهای داده می شوند.

a.چگونه محاسبه می شود: مقاومت بستگی به عرض ردیف، ضخامت، ضخامت دی الکتریک و بستر Dk دارد. به عنوان مثال:
یک ردیاب 50Ω در Rogers RO4350 (Dk 3.48) با ضخامت دی الکتریک 0.2mm نیاز به عرض 0.15mm دارد.
b. ابزارها: نرم افزارهایی مانند Polar Si8000 یا Altium ابعاد ردیابی را برای ضربه به مانع هدف محاسبه می کند.
c. تحمل: ± 5٪ برای طرح های با سرعت بالا استاندارد است (به عنوان مثال، 50Ω ± 2.5Ω) ؛ تجاوز از این افزایش بازتاب است.

2انتخاب مواد
بستر PCB (مواد هسته ای) به طور مستقیم بر از دست دادن سیگنال تاثیر می گذارد، به ویژه در فرکانس های بالا:

چرا اهمیت دارد: در 28GHz، یک رد 10 سانتی متر در FR4 استاندارد 50٪ از قدرت سیگنال را از دست می دهد، در حالی که Rogers RO4350 تنها 20٪ از دست می دهد که برای ایستگاه های پایه 5G حیاتی است.

3راهبردهای مسیر
مسیر ردیابی برای یکپارچگی سیگنال ضروری است:

جفت های تفاوتی: برای سیگنال های با سرعت بالا (به عنوان مثال USB، Ethernet) استفاده می شود، این ردیاب های جفت شده سیگنال های برابر اما مخالف را حمل می کنند، EMI را لغو می کنند. آنها نیاز به:
فاصله تنگ (0.1 ∼ 0.3 mm) برای حفظ اتصال.
طول مساوی (± 0.5mm) برای جلوگیری از انحراف زمان
هیچ گونه پیچ و خم و چرخش تیز (از زاویه 45 درجه استفاده کنید).

ب.طرح های زمین: یک سطح زمین محکم و پیوسته که مستقیماً زیر رد های سیگنال قرار دارد:
به عنوان یک سپر برای کاهش EMI عمل می کند.
مسیر بازگشت کم مقاومت برای سیگنال ها را فراهم می کند.
باعث بهبود تبعید گرما می شه

c. Vias را به حداقل برسانید: Vias (شکاف هایی که لایه ها را به هم متصل می کنند) ایجاد عدم تطابق مقاومت و stubs را ایجاد می کنند که سیگنال های با سرعت بالا را منعکس می کنند. استفاده از:
لوله های کور/پنهان شده (از لوله های سوراخ شده اجتناب کنید).
ویاس ها با پاد های ضد (ترازه دور ویاس) برای کاهش ظرفیت.

4. کاهش EMI و Crosstalk
تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و مداخله بین ردیف ها خطرات عمده ای در سرعت های بالا هستند:

a.کم کردن صدای عبور:
ردیف های فضایی ≥3 برابر عرض آنها (به عنوان مثال، فاصله 0.3 میلی متر برای ردیف های 0.1 میلی متر).
از راه رفتن موازی طولانی تر از 5 میلی متر اجتناب کنید.
استفاده از هواپیماهای زمینی برای جدا کردن سیگنال های حساس (به عنوان مثال، 5G mmWave) از سیگنال های سر و صدا (به عنوان مثال، رد پاور).

b. EMI Shielding:
اجزای فرکانس بالا (به عنوان مثال تقویت کننده ها) را در محافظهای فلزی قرار دهید.
از گيسکت هاي رسانا براي وصل كننده ها براي مسدود كردن EMI بيروني استفاده كنيد.

چالش های تولید PCB های با سرعت بالا
تولید PCB های با سرعت بالا بسیار پیچیده تر از تخته های استاندارد است و نیاز به تجهیزات و فرآیندهای تخصصی دارد:
1. حکاکی دقیق
ردیاب های با سرعت بالا (عرض 30 ‰ 100μm) نیاز به تحملات سخت حکاکی (± 5μm) برای حفظ مقاومت دارند. فرآیندهای حکاکی استاندارد (± 10μm) بیش از حد نادرست هستند و منجر به:

تغییرات مقاومت که باعث انعکاس می شود.
کم شدن اثر در قسمت های باریک باعث افزایش خسارت می شود.

راه حل: حکاکی پیشرفته با تراز لیزر و نظارت عرض در زمان واقعی.

2. سازگاری مواد
سبسترات های کم ضرر (به عنوان مثال، راجرز) نسبت به تغییرات تولید حساس تر هستند:

یکسانی Dk: حتی یک تغییر 0.1 در Dk می تواند مانع را 5٪ تغییر دهد.
کنترل ضخامت: ضخامت دی الکتریک باید ±2μm باشد تا مانع را حفظ کند.

راه حل: بازرسی سختگیرانه مواد ورودی و آزمایش دسته.

3از طریق کیفیت
پیچ های PCB های با سرعت بالا باید:

به طور یکنواخت پوشش داده شده (بدون حفره) برای جلوگیری از اوج مقاومت.
دیوارهای صاف (لازر سوراخ شده) برای کاهش بازتاب سیگنال.

راه حل: بازرسی اشعه ایکس از طریق پوشش و حفاری لیزر کنترل شده (حراستی ± 5μm).

آزمایش PCB های با سرعت بالا: اطمینان از یکپارچگی سیگنال
PCB های با سرعت بالا نیاز به آزمایش های تخصصی فراتر از چک مداوم استاندارد دارند:
1بازتاب سنجی دامنه زمان (TDR)
اندازه گیری تغییرات مقاومت در امتداد مسیرها با ارسال یک پالس سریع و تجزیه و تحلیل بازتاب ها:

عدم تطابق مقاومت (به عنوان مثال، از ردیف های باریک یا vias).
طول استوب (در حالت ایده آل <1mm برای سیگنال های 100Gbps).

2. تجزیه و تحلیل نمودار چشم
تست مبتنی بر اسیلوسکوپ که کیفیت سیگنال را در طول زمان تجسم می کند. یک نمودار چشم پاک (باز، خوب تعریف شده) نشان دهنده یکپارچگی خوبی در سیگنال است.در حالی که یک چشم بسته سیگنال های تحریف از سر و صدا یا crosstalk.

3تحلیل شبکه
از یک تحلیلگر شبکه بردار (VNA) برای اندازه گیری استفاده می کند:

از دست دادن ورودی: تضعیف سیگنال بیش از فرکانس (برای طرح های 28GHz + حیاتی است).
از دست دادن بازگشت: انعکاس (به طور ایده آل <-15dB برای 50Ω آثار).
Crosstalk: اتصال بین ردیف ها (هدف <-30dB در 28GHz).

4آزمایش حرارتی
اجزای با سرعت بالا (به عنوان مثال، فرستنده های 100Gbps) گرما قابل توجهی تولید می کنند که یکپارچگی سیگنال را کاهش می دهد.تصویربرداری حرارتی و چرخه حرارتی (-40 °C تا 85 °C) اطمینان از عملکرد PCB در فشار دمایی.

کاربردهای PCB های با سرعت بالا
PCB های با سرعت بالا تکنولوژی هایی را که آینده ما را تعریف می کنند، امکان پذیر می کنند:
1شبکه های 5G
5G به PCB های با سرعت بالا برای پردازش سیگنال های mmWave (28 ′′ 60GHz) و سیستم های عظیم MIMO (متعدد ورودی، چندین خروجی) متکی است:

ایستگاه های پایه: از PCB های مبتنی بر راجرز برای به حداقل رساندن تلفات در آنتن های 28 گیگاهرتز استفاده کنید.
تجهیزات کاربر: تلفن های هوشمند با مودم های 5G برای انتقال داده ها نیاز به ردیاب های PCB 10Gbps + دارند.

2. مراکز داده
مراکز داده های مدرن نیاز به ارتباطات 100Gbps + بین سرورها و سوئیچ ها دارند:

PCB های Backplane: 20+ صفحه لایه با سرعت بالا با جفت های تفاوتی 50Ω.
گیرنده های نوری: PCB های با سرعت بالا فیبر نوری را به سرورها متصل می کنند، با استفاده از زیرپوش های Teflon برای سیگنال های 400Gbps +.

3. وسایل نقلیه خودران
اتومبیل های خودران داده های LiDAR، رادار و دوربین ها را با سرعت 10-100 گیگابایت در ثانیه پردازش می کنند:

کنترل کننده های ADAS: PCB های با سرعت بالا با تاخیر کم (≤1ms) تصمیم گیری در زمان واقعی را تضمین می کنند.
ارتباطات V2X: امکان ارتباط وسیله نقلیه با همه چیز (5.9GHz) با طرح های مقاوم EMI را فراهم می کند.

4هوافضا و دفاع
رادار، ارتباطات ماهواره ای و سیستم های نظامی نیاز به PCB های با سرعت بالا دارند که در شرایط شدید مقاومت می کنند:

سیستم های رادار: PCB های 60GHz + با زیربنای Teflon برای تشخیص دور.
پیوندهای ماهواره ای: PCB های پرسرعت مقاوم در برابر تشعشعات برای پیوندهای پایین داده 10Gbps +.

روند آینده در طراحی PCB با سرعت بالا
با افزایش تقاضا برای داده های سریعتر، تکنولوژی PCB با سرعت بالا در حال تکامل است:

a. سرعت ترابیت: PCB های نسل بعدی سیگنال های 1Tbps + را با استفاده از مواد پیشرفته مانند پلیمرهای کریستال مایع (LCP) با Dk <2 پردازش می کنند.5.
ب.فوتونیک یکپارچه: ادغام اجزای نوری و الکتریکی بر روی PCB برای کاهش از دست دادن در 100GHz +.
c.طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: ابزارهای یادگیری ماشین (به عنوان مثال، Ansys RedHawk-SC) مسیرها و انتخاب مواد را بهینه می کنند و چرخه های طراحی را تا 50٪ کاهش می دهند.

سوالات عمومی
س: حداکثر سرعتی که یک PCB با سرعت بالا می تواند تحمل کند چیست؟
A: PCB های تجاری فعلی از 400Gbps (مرکز داده) و 60GHz (5G) پشتیبانی می کنند. نمونه های اولیه تحقیقاتی با استفاده از زیربناهای LCP به 1Tbps + در 100GHz رسیده اند.

س: آیا می توان از استاندارد FR4 برای PCB های با سرعت بالا استفاده کرد؟
A: فقط برای طرح های با سرعت پایین و با سرعت بالا (110Gbps). بالاتر از 10Gbps ، از دست دادن زیاد FR4 آن را نامناسب می کند.

س: یک PCB با سرعت بالا در مقایسه با استاندارد چقدر هزینه دارد؟
A: 2 × 5 برابر بیشتر، به دلیل مواد کم ضرر، تولید دقیق و آزمایش. با این حال، قابلیت اطمینان آنها کل هزینه مالکیت را 30٪ در برنامه های کاربردی حیاتی کاهش می دهد.

س: شایع ترین خرابی در PCB های با سرعت بالا چیست؟
A: عدم تطابق مقاومت ناشی از مسیر ضعیف یا تغییرات مواد، باعث بازتاب سیگنال و خطاهای داده می شود.

س: PCB های با سرعت بالا چگونه با یکپارچگی برق برخورد می کنند؟
A: آنها از هواپیماهای قدرت اختصاصی با استحکام پایین (سطح، مس ضخیم) و خازن های جدا کننده برای تثبیت ولتاژ برای IC های با سرعت بالا استفاده می کنند.

نتیجه گیری
PCB های با سرعت بالا قهرمانان ناشناخته عصر دیجیتال ما هستند، که امکان ارتباطات و پردازش داده های سریع برق را فراهم می کنند که 5G، هوش مصنوعی و سیستم های مستقل را تقویت می کنند.طراحي آنها مستلزم ترکیبی نادر از علم مواد است، مهندسی الکترومغناطیسی و تولید دقیق بدون هیچ جایی برای خطا. به عنوان تکنولوژی به سمت سرعت ترابیت و فرکانس های 100GHz فشار می آورد، PCB های با سرعت بالا فقط مهم تر می شوند،ایجاد نوآوری در ارتباط ما، محاسبات و تعامل با جهان.

برای مهندسان و تولید کنندگان، تسلط بر طراحی PCB با سرعت بالا فقط یک مهارت نیست بلکه یک ضرورت برای رقابت در دنیای به طور فزاینده ای متصل است.