PCB tần số cao: Sản xuất, thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất RF

Hình ảnh nhân bản của khách hàng

Các PCB tần số cao được định nghĩa là các bảng xử lý tín hiệu trên 1GHz là xương sống của công nghệ không dây hiện đại.cho phép mọi thứ từ mạng 5G và truyền thông vệ tinh đến hệ thống radar và thiết bị IoTKhông giống như PCB tiêu chuẩn, ưu tiên chi phí và chức năng cơ bản, thiết kế tần số cao đòi hỏi kiểm soát chính xác về tính toàn vẹn tín hiệu, khớp trở ngại và giảm thiểu mất mát.Ngay cả những khiếm khuyết thiết kế nhỏ hoặc lỗi sản xuất cũng có thể gây ra sự suy yếu tín hiệuHướng dẫn này khám phá các nguyên tắc thiết kế quan trọng, kỹ thuật sản xuất,và lựa chọn vật liệu đảm bảo PCB tần số cao cung cấp hiệu suất RF (tần số vô tuyến) đáng tin cậy, cùng với các ứng dụng thực tế và phân tích so sánh để hướng dẫn các kỹ sư và nhà sản xuất.

Điều gì làm cho PCB tần số cao độc đáo?
Các tín hiệu tần số cao (1GHz +) cư xử khác so với các đối tác tần số thấp của chúng, đưa ra những thách thức độc đáo định hình thiết kế và sản xuất PCB:
1Hiệu ứng da: Ở tần số cao, các electron chảy chủ yếu dọc theo bề mặt của các dấu vết đồng (trong phạm vi 1 ¢ 5μm bề mặt), làm tăng kháng hiệu quả.Điều này đòi hỏi bề mặt đồng mịn để giảm thiểu mất mát.
2.Thiếu tín hiệu: Các tín hiệu tần số cao mất sức mạnh khi di chuyển, với sự mất mát tăng theo cấp số nhân theo tần số. Ví dụ:một tín hiệu 60GHz mất ~ 50% công suất của nó trên 10 inch trong tiêu chuẩn FR-4, so với 10% ở 1GHz.
3Độ nhạy của xung: Duy trì xung đặc trưng nhất quán (thường là 50Ω cho RF) là rất quan trọng để ngăn chặn phản xạ tín hiệu.Một sự không phù hợp trở kháng 10% có thể gây ra phản xạ 1% một vấn đề quan trọng trong các hệ thống tốc độ dữ liệu cao.
4.Crosstalk và EMI: Các tín hiệu tần số cao phát ra năng lượng điện từ, can thiệp vào các dấu vết lân cận (crosstalk) và các thành phần khác (EMI).
Những thách thức này đòi hỏi các vật liệu chuyên biệt, dung nạp chặt chẽ hơn và các kỹ thuật thiết kế tiên tiến không cần thiết cho PCB tần số thấp.

Các nguyên tắc thiết kế chính cho PCB tần số cao
Thiết kế PCB tần số cao đòi hỏi phải tập trung vào việc giảm thiểu tổn thất, kiểm soát trở ngại và giảm nhiễu.
1. Kiểm soát trở ngại
Kháng (Z0) được xác định bởi chiều rộng dấu vết, độ dày chất nền và hằng số dielektrik (Dk).
a. Khả năng trở ngại: Mục tiêu 50Ω cho hầu hết các mạch RF (75Ω cho video, 100Ω cho các cặp chênh lệch).
b. Độ khoan dung: Giữ trở kháng trong phạm vi ± 5% của mục tiêu để giảm thiểu phản xạ. Điều này đòi hỏi kiểm soát chính xác kích thước dấu vết (± 0,05mm) và Dk (± 0,1).
c. Các công cụ: Sử dụng các giải quyết trường 3D (ví dụ: Ansys HFSS) để mô phỏng trở ngại, tính toán hình học dấu vết và tính chất chất nền.

2- Chọn đường dẫn.
a. Đường đi ngắn, trực tiếp: Giảm đến mức tối thiểu chiều dài dấu vết để giảm suy giảm. Một dấu vết 1 inch ở 28GHz mất ~ 0.5dB trong các chất nền mất mát thấp
b.Hình học nhất quán: Tránh uốn cong đột ngột, đường viền hoặc thay đổi chiều rộng, gây ra sự gián đoạn trở ngại. Sử dụng góc 45 ° thay vì 90 ° để giảm phản xạ.
c. Bề mặt đất: Đặt một mặt đất liên tục ngay dưới các dấu vết RF để cung cấp một đường trở lại cản thấp và bảo vệ chống nhiễu.
Thực tiễn tốt nhất: Chọn các dấu vết tần số cao trên lớp trên cùng với một mặt phẳng đất dành riêng ngay bên dưới, được tách ra bởi một điện áp mỏng (0,2 ∼ 0,5 mm) để ghép chặt.

3. Thông qua thiết kế
Các đường (đặc biệt là đường xuyên lỗ) phá vỡ trở ngại và gây phản xạ tín hiệu ở tần số cao.
a. Microvias: Sử dụng microvias mù / chôn vùi (~ 0,15mm đường kính) để giảm thiểu chiều dài stub (phần không sử dụng của đường dẫn).
b. Via Shielding: Vòng quanh đường ống với đường ống đất (vòng ống khâu) để chứa bức xạ và giảm tiếng vang.
c. Tối ưu hóa chống đệm: Kích thước chống đệm (sự giải phóng xung quanh đường ống ở mặt đất) để duy trì tính liên tục trở ngại.

4. Đặt thành phần
a. Các thành phần RF nhóm: Cluster amplifier, mixer và ăng-ten để giảm thiểu độ dài dấu vết giữa chúng.
b. Loại bỏ các phần analog và kỹ thuật số: Loại bỏ các mạch RF tần số cao khỏi logic kỹ thuật số để ngăn ngừa EMI. Sử dụng một mặt phẳng đất tách với một cầu kết nối ở một điểm duy nhất.
c. Tránh các nguồn tiếng ồn: Giữ các nguồn cung cấp điện, dao động và các dấu vết dòng điện cao ra khỏi các đường RF để giảm nhiễu.

Vật liệu quan trọng cho PCB tần số cao
Lựa chọn vật liệu là yếu tố quan trọng nhất trong hiệu suất PCB tần số cao, vì các tính chất dielectric trực tiếp ảnh hưởng đến mất mát và tính toàn vẹn tín hiệu.
1. Vật liệu nền

Các chỉ số chính:
Dk ổn định: Dk thấp (3.0 ∼3.5) làm giảm thiểu sự chậm trễ tín hiệu; Dk ổn định qua nhiệt độ (± 0.05) đảm bảo trở kháng nhất quán.
Df (Đối tượng phân tán): Df thấp hơn làm giảm tổn thất dielektrik. Ở 28GHz, Df 0,002 (RO4350B) dẫn đến 50% ít tổn thất hơn Df 0,004 (Megtron 6).

2. Bảng đồng
a.Sự thô dẻo bề mặt: Đồng mịn (Rz < 1μm) làm giảm tổn thất hiệu ứng da. Đồng rất thấp (VLP) (Rz 0,3 ∼ 0,8 μm) là lý tưởng cho > 28GHz.
b. Độ dày: 0,5 ‰ 1 oz (17 ‰ 35 μm) cân bằng độ dẫn điện và hiệu ứng da. Đồng dày hơn không mang lại lợi ích ở tần số cao do hiệu ứng da.
c. Annealing: Vàng năn lăn cải thiện tính linh hoạt cho các thiết kế cong (ví dụ, ăng-ten) mà không làm tăng mất mát.

3. Soldermask và Coverlay
a. Mặt nạ hàn: Sử dụng mặt nạ hàn mỏng (1020μm), Dk thấp (ví dụ, chất lỏng có thể chụp ảnh) để tránh tăng hiệu quả Dk.
b. Coverlay (PCB linh hoạt): Polyimide coverlay với Dk <3.0 bảo vệ tính toàn vẹn của tín hiệu trong các thiết kế tần số cao linh hoạt.

Kỹ thuật sản xuất PCB tần số cao
PCB tần số cao đòi hỏi độ khoan dung chặt chẽ hơn và các quy trình chuyên biệt để duy trì hiệu suất:
1. Đào khắc chính xác
a. Khả năng chấp nhận khắc: đạt được kiểm soát chiều rộng dấu vết ± 0,01mm để duy trì trở ngại. Điều này đòi hỏi các máy khắc tiên tiến với kiểm soát áp suất phun.
b. Giảm thiểu cắt giảm: Sử dụng hóa học yếu tố khắc thấp để giảm cắt giảm (sự khác biệt giữa chiều rộng dấu vết trên và dưới), đảm bảo trở ngại nhất quán.

2. khoan
a. Khoan vi khuẩn: Khoan laser (UV hoặc laser CO2) tạo ra các vi khuẩn 0,05 ∼ 0,15 mm với độ chính xác vị trí ± 2μm, rất quan trọng đối với các thiết kế RF mật độ cao.
b. Đi qua lỗ khoan: Sử dụng khoan carbide với góc điểm 118 ° để giảm thiểu mờ nhựa, có thể làm tăng tổn thất nếu không loại bỏ.

3. Lamination
a. Kiểm soát nhiệt độ và áp suất: Laminates phải được dán với áp suất chính xác (20 ∼30 kgf / cm2) và nhiệt độ (180 ∼ 220 °C) để đảm bảo độ dày dielectric đồng nhất (± 5 μm).
b. Ngăn ngừa trống: Lamination chân không loại bỏ bong bóng không khí, gây ra biến đổi Dk và mất tín hiệu.

4Kiểm tra và kiểm tra
a. Time-Domain Reflectometry (TDR): đo sự gián đoạn trở ngại trên PCB, xác định các vấn đề như biến đổi chiều rộng theo dõi hoặc thông qua các stubs.
b. Kiểm tra phân tích mạng: Mô tả mất tích chèn (S21) và mất mát trở lại (S11) lên đến 100GHz để xác minh hiệu suất.
c. Kiểm tra tia X: Kiểm tra chất lượng của các thành phần BGA / RFIC thông qua đường thẳng và khớp hàn.

Ứng dụng: PCB tần số cao hoạt động
PCB tần số cao cho phép một loạt các công nghệ tiên tiến, mỗi công nghệ có yêu cầu riêng biệt:
1Cơ sở hạ tầng 5G
a. Trạm cơ sở: Mảng sóng mm 28GHz và 39GHz sử dụng nền RO4350B với độ dày dielektr 0,5mm để giảm thiểu tổn thất.
b. Các tế bào nhỏ: Các tế bào nhỏ 5G nhỏ dựa trên FR-4 (Megtron 6) Tg cao để hiệu quả chi phí trong băng tần dưới 6GHz.
c. Yêu cầu: mất tích chèn <0,3dB mỗi inch ở 28GHz; dung sai kháng cự ± 3%.

2Không gian và Quốc phòng
a. Hệ thống radar: radar ô tô 77GHz và radar quân sự 100GHz sử dụng chất nền PTFE (RT/duroid 5880) để giảm thiểu tổn thất.
b. Truyền thông vệ tinh: Máy thu băng tần Ka (26,5 √ 40GHz) yêu cầu vật liệu cứng bức xạ với độ ổn định Dk trên -55 °C đến 125 °C.

3Điện tử tiêu dùng
a. Điện thoại thông minh: Điện thoại thông minh 5G tích hợp các PCB FR-4 và LCP (liquid crystal polymer) cho các ăng-ten dưới 6GHz và mmWave, cân bằng chi phí và hiệu suất.
b.Wi-Fi 6E: Các bộ định tuyến Wi-Fi 6GHz sử dụng FR-4 Tg cao với microvias để hỗ trợ các thiết kế MIMO đa ăng-ten.

4Các thiết bị y tế
a. Cuộn dây MRI: Cuộn dây MRI tần số cao (64MHz3T) sử dụng chất nền Dk thấp để giảm thiểu nhiễu tín hiệu và cải thiện chất lượng hình ảnh.
b. Các cảm biến không dây: Các máy giám sát sức khỏe đeo được sử dụng PCB LCP linh hoạt cho kết nối Bluetooth 2,4 GHz, kết hợp khả năng phù hợp với mất mát thấp.

Phân tích so sánh: PCB tần số cao so với PCB tiêu chuẩn

Xu hướng trong tương lai trong công nghệ PCB tần số cao
Tiến bộ về vật liệu và thiết kế đang thúc đẩy hiệu suất PCB tần số cao hơn nữa:
1. Graphene-Enhanced Substrate: Graphene-infused dielectrics với Dk <2.0 và Df <0.001 đang được phát triển, nhắm vào các ứng dụng 100+ GHz.
2.Sản xuất phụ gia: Các cấu trúc RF in 3D (ví dụ: ăng-ten, dẫn sóng) tích hợp với PCB làm giảm tổn thất và cải thiện sự tích hợp.
3Thiết kế dựa trên AI: Các công cụ học máy tối ưu hóa định tuyến theo dõi và lựa chọn vật liệu, giảm thời gian thiết kế 40% trong khi cải thiện hiệu suất.

Câu hỏi thường gặp
Q: Tần số tối đa mà PCB có thể xử lý là bao nhiêu?
A: PCB tần số cao hiện tại hỗ trợ đáng tin cậy lên đến 100GHz bằng chất nền PTFE. Nghiên cứu đang được tiến hành để mở rộng điều này đến terahertz tần số với các vật liệu mới.

Q: Tiêu chuẩn FR-4 có thể được sử dụng cho các thiết kế tần số cao?
A: Tiêu chuẩn FR-4 được giới hạn ở <1GHz do biến thể Df và Dk cao. FR-4 cao Tg tiên tiến (ví dụ, Megtron 6) hoạt động lên đến 10GHz cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí.

Q: Nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất PCB tần số cao như thế nào?
A: Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chất nền Dk (thường là +0,02 trên 10 °C), ảnh hưởng đến trở kháng.

Q: Sự khác biệt về chi phí giữa PCB tần số cao và PCB tiêu chuẩn là gì?
A: PCB tần số cao có giá cao hơn 2×5 lần do các vật liệu chuyên dụng (ví dụ: PTFE), dung nạp chặt chẽ hơn và thử nghiệm tiên tiến.

Q: PCB linh hoạt có phù hợp với tần số cao không?
Đáp: Vâng, PCB linh hoạt LCP (chất lỏng tinh vi) hỗ trợ lên đến 60GHz với mức mất mát thấp, làm cho chúng lý tưởng cho ăng-ten cong và thiết bị đeo.

Kết luận
PCB tần số cao là những yếu tố quan trọng trong công nghệ không dây thế hệ tiếp theo, đòi hỏi sự pha trộn tỉ mỉ của độ chính xác thiết kế, khoa học vật liệu và chuyên môn sản xuất.Bằng cách ưu tiên kiểm soát trở ngại, giảm thiểu tổn thất thông qua các vật liệu Dk / Df thấp, và sử dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến, các kỹ sư có thể tạo ra PCB cung cấp hiệu suất đáng tin cậy ở 1GHz và xa hơn.
Cho dù cho các trạm cơ sở 5G, hệ thống radar hoặc thiết bị y tế, chìa khóa là phù hợp với lựa chọn vật liệu và thiết kế với tần số, chi phí và yêu cầu môi trường của ứng dụng.Khi các công nghệ không dây tiếp tục thúc đẩy các tần số cao hơn (6G, terahertz), đổi mới PCB tần số cao sẽ vẫn là nền tảng của tiến bộ.

Điểm quan trọng: PCB tần số cao không chỉ là phiên bản nhanh hơn của PCB tiêu chuẩn, chúng là các hệ thống chuyên dụng mà mọi vật liệu, dấu vết,và via được thiết kế để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu trong khi đối mặt với những thách thức tần số cao độc đáo.