5G iletişimi, uydu navigasyonu ve radar sistemleri gibi yüksek-frekanslı elektronik alanlarda, sinyal iletim frekansı genellikle GHz seviyesine veya daha yükseğe ulaşır. Bu noktada sıradan PCB kartları artık sinyal bütünlüğü gereksinimlerini karşılayamıyor ve yüksek-frekanslı PCB kartları, benzersiz malzeme özellikleri ve süreç tasarımı nedeniyle kaçınılmaz bir seçim haline geldi. Aradaki temel farkyüksek-frekanslı PCB kartıve sıradan tahta:
1, Temel fark: Malzeme ve performansta çığır açan atılım
(1) Substrat özelliklerindeki temel fark
Sıradan PCB kartı: FR-4'ü örnek olarak alıyoruz
Malzeme bileşimi: Alt tabaka olarak epoksi reçine emdirilmiş cam elyaf kumaş kullanıldığında, maliyet düşüktür ve süreç olgundur, ancak dielektrik sabiti yüksektir (genellikle Dk=4.2-4.8) ve dielektrik kaybı büyüktür (Df=0.02-0.03).
Yüksek frekans sınırlamaları: Sinyal frekansı 1 GHz'i aştığında dielektrik kaybı önemli ölçüde artar, sinyal zayıflaması ciddi olur ve dielektrik sabiti frekansla birlikte önemli ölçüde dalgalanır ve empedans kontrolünü zorlaştırır.
Yüksek frekanslı PCB kartı: PTFE ve seramik dolgulu kompozit malzemeleri örnek olarak almak
Malzeme Yeniliği:
PTFE bazlı levha: Rogers RT/duroid serisi gibi, Dk'si 2,2-3,5 kadar düşük, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
IsolaFR408HR gibi seramik dolgulu kompozit malzemeler Dk'yi (Dk=3.0-3.8) azaltır ve seramik tozu dolgusu yoluyla termal iletkenliği iyileştirerek yüksek-frekans performansını ve işleme maliyetlerini dengeler.
Temel avantajlar: Düşük dielektrik sabiti, sinyal iletim gecikmesini azaltır, düşük kayıp, enerji zayıflamasını azaltır ve Dk/Df, frekansla birlikte %5'ten daha az değişir ve yüksek-frekanslı sinyallerin faz tutarlılığını sağlar.
(2) Yapısal yerleşim planına ilişkin özel gereksinimler
Sıradan pcb yığılmış düzen
Sinyal katmanı, güç katmanı/jeolojik katman ile basitçe ayrılır ve katmanlar arası dielektrik kalınlık toleransının ± %10 olmasına izin verilir. Empedans kontrol doğruluğu genellikle ± %10'dur.
Yüksek frekanslı pcb yığılmış düzen
Sıkı empedans kontrolü: Mikroşerit hatlar, şerit hatlar, eş düzlemli dalga kılavuzları vb. gibi özel iletim hattı yapıları kullanıldığında, dielektrik kalınlık toleransının ± %5 dahilinde kontrol edilmesi gerekir ve empedans doğruluğu gereksinimi ± %5 veya hatta ± %3'tür. Örneğin, 50 Ω'luk bir mikroşerit hattının hat genişliği hesaplamasının, bakır folyo pürüzlülüğünün empedans üzerindeki etkisi dikkate alınırken μm seviyesine kadar doğru olması gerekir (pürüzlülük Ra 0,5 μm'den küçük veya ona eşit olduğunda, empedans sapması %2 - %3 oranında azaltılabilir).
Elektromanyetik koruma optimizasyonu: Yüksek frekanslı sinyaller elektromanyetik girişime karşı hassastır ve tam ekran koruyucu katman düzenleri veya gömülü kapasitör/endüktör yapıları sıklıkla kullanılır. Karışmayı azaltmak için katmanlar arasına diziler yoluyla topraklama (1 mm'den az veya eşit aralık) eklenir.
(3) İşleme teknolojisinin hassasiyeti hızla arttı
Sıradan pcb işleme teknolojisi
Delme doğruluğu ± 50 μ m, aşındırma çizgi genişliği toleransı ± %10, esas olarak HASL kullanılarak yüzey işleme, pürüzlülük Ra=1-3 μ m.
Yüksek frekanslı pcb işleme teknolojisi
Delme: Lazer delme (açıklık 0,1 mm'den az veya eşit) veya CNC delme makinesi (doğruluk ± 10 μ m) mekanik delmenin neden olduğu alt tabaka katmanlarının ayrılmasını önlemek için kullanılır.
Aşındırma: Darbeli elektrokaplama ve kimyasal aşındırma işlemlerinin bir kombinasyonu kullanılarak, hat genişliği toleransı ± %5 dahilinde kontrol edilir ve sinyal saçılımını azaltmak için tel kenarı pürüzlülüğü Ra 0,4 μm'den az veya ona eşittir.
Yüzey işleme: Temas direncini ve cilt etkisi kayıplarını azaltmak için, Ra düzlüğü 0,2 μm'den az veya ona eşit olan ENIG (altın katman kalınlığı 0,05-0,1 μm) veya kimyasal gümüş kaplama tercih edilir.
2, Yüksek-frekanslı PCB kartı üretimi için temel hususlar
(1) Malzeme seçimi: "kullanılabilir"den "hassas adaptasyona" kadar
Frekans aralığı eşleştirme
1-10GHz senaryosu: İsteğe bağlı seramik dolgulu FR-4 (Nelco 4000-13SI gibi) veya değiştirilmiş epoksi reçine levha (Dk=3.5-4.0, Df)<0.01).
10GHz senaryosu: PTFE bazlı veya seramik bazlı kompozit malzemeler (Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009 gibi) kullanılmalıdır.
Termal yönetim hususları
Yüksek frekanslı cihazlar büyük miktarda ısı üretir, bu nedenle termal iletkenliği 0,5W/(m · K)'den büyük veya eşit olan bir kart seçmek (örneğin, 0,7W/(m · K) termal iletkenliğe sahip Rogers 4350B) ve gömülü bir ısı emici yapısı tasarlamak gerekir.
(2) Proses kontrolü: mikrometre düzeyinde hassasiyetin daha yüksek takibi
Laminasyon işlemi
Vakumlu laminasyon makinesi kullanıldığında, orta katmanın eşit olmayan kalınlığının neden olduğu empedans sapmasını önlemek için basınç homojenliği ± %2'den az veya eşittir ve sıcaklık dalgalanması ± 1 dereceden az veya eşittir. Örneğin, 0,1 mm kalınlığındaki bir dielektrik katmanın kalınlık toleransı ± 5 μm'yi aşarsa empedans hatası ± %4'ü aşacaktır.
Desen Transferi
Geleneksel optik çizim yerine lazer doğrudan yazma teknolojisi kullanılarak, çizgi genişliği doğruluğu ± 3 μm'ye ulaşabilir, bu da 50 μm'nin altındaki ultra ince çizgilerin üretimi için uygundur. Maruz kalma sırasında aşırı veya yetersiz gelişimi önlemek için ışık kaynağının dalga boyunun (365nm ultraviyole ışık) ve enerji yoğunluğunun (120-150mJ/cm²) kontrol edilmesi gerekir.
Gerçek zamanlı empedans izleme
Devre üretiminin her katmanını tamamladıktan sonra, empedansı çevrimiçi ölçmek ve tasarım değerlerini karşılaştırarak sonraki işlem parametrelerini ayarlamak için TDR'yi kullanın. Örneğin, ölçülen empedans hedef değerden %8 daha yüksekse, aşındırmadan veya çizgi genişliğinin-ince ayarlanmasından önce bakır folyonun kalınlığı artırılarak telafi yapılabilir.
(3) Kusur Önleme ve Kontrol: Yüksek Frekans Senaryolarında 'Ölümcül Yaralanmalar'
Orta katman kabarcıkları
Laminasyondan önce, yüksek sıcaklıkta presleme sırasında kabarcık oluşumundan kaynaklanan sinyal sızıntısını önlemek için alt tabakayı ve yarı kürlenmiş tabakayı (120 derece /2 saat) nem içeriği %0,1'in altında kontrol edilecek şekilde vakumla kurutun.
Bakır folyo pürüzlülüğü
Yüksek frekanslı devreler, Ra pürüzlülüğü 0,3 µm'den az veya ona eşit olan RTF veya HVLP kullanmalıdır. Sıradan elektrolitik bakır folyo (Ra=1.0-1.5 μm), 10GHz sinyal kaybını %30'dan fazla artıracaktır.
Deliklerden geçen parazitik parametreler
Yüksek frekanslı geçiş delikleri, "Sapın" (artık kazık uzunluğu 0,5 mm'den az veya ona eşit) çıkarılması ve iletim hattının empedansına uyacak şekilde geçiş deliğinin empedansının kontrol edilmesi (%5'ten az veya eşit sapma) için arka delme teknolojisinin kullanılmasını gerektirir. Açık delikler açılmadan 10GHz'de yaklaşık -20dB'lik bir geri dönüş kaybı oluşturacaktır.
(4) Tespit ve doğrulama: çok-boyutlu performans penetrasyonu
Sinyal bütünlüğü testi
S parametrelerini ölçmek için bir vektör ağ analizörü kullanın (S11 -20dB'den küçük veya eşit, S21 -3dB'den büyük veya eşit @ hedef frekans) ve geri dönüş kaybını ve ekleme kaybını değerlendirmek.
Termal güvenilirlik testi
Kartta delaminasyon olup olmadığını gözlemlemek için (bir dilim mikroskobu aracılığıyla katmanlar arası bağlanma yüzeyini tespit ederek) 260 derece/10 saniyede bir yeniden akış lehimleme testi gerçekleştirin ve yüksek sıcaklıkta dielektrik sabitindeki değişikliği test edin (Δ Dk %3'ten az veya eşit).
Uzun vadeli yaşlanma doğrulaması
Yalıtım direncini (10 ^ 9 Ω'dan büyük veya eşit) ve dielektrik kaybındaki değişiklikleri (Δ Df %5'ten az veya eşit) test etmek için numuneyi 500 saat boyunca 85 derece /%85 bağıl nem içeren bir ortama yerleştirin; böylece yüksek-yüksek frekans performansının uzun vadeli stabilitesini- sağlayın.
3, Tipik durum: 5G baz istasyonu RF kartının yüksek frekanslı tasarım uygulaması
5G baz istasyonu AAU (aktif anten ünitesi) RF kart tasarımında, mikroşerit anten dizisi oluşturmak için Rogers6010LM kartı (Dk=10.2, Df{=0.0023) kullanılmıştır. Aşağıdaki önlemleri alarak yüksek-frekans performansında ilerlemeler elde edin:
Yığılmış tasarım: 3 katmanlı yapı (sinyal katmanı/zemin katmanı/sinyal katmanı), dielektrik kalınlığı 0,254 mm, empedans kontrolü 50 Ω± %3.
Süreç yeniliği: CO₂ lazer delme (0,15 mm açıklık) ve kimyasal gümüş kaplama yüzey işlemi (pürüzlülük Ra=0.15 μ m) kullanılarak 18 GHz frekans bandındaki ekleme kaybı 0,8 dB/inç'e düşürülür.
Test doğrulaması: VNA tarafından ölçülen 18-22GHz frekans bandındaki geri dönüş kaybı -25dB'den azdır ve RF bağlantıları için 5GNR standardının katı gereksinimlerini karşılar.