Di-bidang elektronik berfrekuensi tinggi seperti komunikasi 5G, navigasi satelit, dan sistem radar, frekuensi transmisi sinyal biasanya mencapai tingkat GHz atau bahkan lebih tinggi. Pada titik ini, papan PCB biasa tidak lagi mampu memenuhi persyaratan integritas sinyal, dan papan PCB frekuensi tinggi telah menjadi pilihan yang tak terelakkan karena karakteristik material dan desain prosesnya yang unik. Perbedaan inti antarapapan PCB frekuensi tinggi-frekuensidan papan biasa:
1, Perbedaan inti: Terobosan yang mengganggu dalam material dan kinerja
(1) Perbedaan penting dalam karakteristik substrat
Papan PCB biasa: mengambil FR-4 sebagai contoh
Komposisi bahan: Menggunakan kain serat kaca yang diresapi resin epoksi sebagai substrat, biayanya rendah dan prosesnya matang, tetapi konstanta dielektriknya tinggi (biasanya Dk=4.2-4.8) dan kerugian dielektriknya besar (Df=0.02-0.03).
Batasan frekuensi tinggi: Ketika frekuensi sinyal melebihi 1GHz, kerugian dielektrik meningkat secara signifikan, redaman sinyal sangat parah, dan konstanta dielektrik berfluktuasi secara signifikan terhadap frekuensi, sehingga menyulitkan kontrol impedansi.
Papan PCB frekuensi tinggi: mengambil material komposit PTFE dan keramik sebagai contoh
Inovasi Material:
Lembar berbasis PTFE: seperti seri Rogers RT/duroid, dengan Dk serendah 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Material komposit berisi keramik, seperti IsolaFR408HR, mengurangi Dk (Dk=3.0-3.8) dan meningkatkan konduktivitas termal melalui pengisian bubuk keramik, menyeimbangkan-kinerja frekuensi tinggi dan biaya pemrosesan.
Keuntungan utama: Konstanta dielektrik rendah mengurangi penundaan transmisi sinyal, kehilangan rendah mengurangi redaman energi, dan perubahan Dk/Df kurang dari 5% terhadap frekuensi, memastikan konsistensi fase sinyal frekuensi tinggi.
(2) Persyaratan khusus untuk tata letak struktur
Tata letak tumpukan PCB biasa
Lapisan sinyal hanya dipisahkan oleh lapisan daya/lapisan geologi, dan toleransi ketebalan dielektrik antarlapis diperbolehkan ± 10%. Akurasi kontrol impedansi biasanya ± 10%.
Tata letak tumpukan PCB frekuensi tinggi
Kontrol impedansi yang ketat: menggunakan struktur saluran transmisi tertentu seperti saluran mikrostrip, garis strip, pandu gelombang koplanar, dll., toleransi ketebalan dielektrik perlu dikontrol dalam ± 5%, dan persyaratan akurasi impedansi adalah ± 5% atau bahkan ± 3%. Misalnya, penghitungan lebar garis pada garis mikrostrip 50 Ω harus akurat hingga tingkat μ m, dengan tetap mempertimbangkan pengaruh kekasaran foil tembaga terhadap impedansi (ketika kekasaran Ra Kurang dari atau sama dengan 0,5 μ m, deviasi impedansi dapat dikurangi sebesar 2% -3%).
Optimalisasi pelindung elektromagnetik: Sinyal frekuensi tinggi rentan terhadap interferensi elektromagnetik, dan tata letak lapisan pelindung layar penuh atau struktur kapasitor/induktor tertanam sering digunakan. Pembumian melalui array (jarak kurang dari atau sama dengan 1mm) ditambahkan di antara lapisan untuk mengurangi crosstalk.
(3) Ketepatan teknologi pengolahan telah meroket
Teknologi pemrosesan PCB biasa
Akurasi pengeboran ± 50 μm, toleransi lebar garis etsa ± 10%, perawatan permukaan terutama menggunakan HASL, kekasaran Ra=1-3 μm.
Teknologi pemrosesan PCB frekuensi tinggi
Pengeboran: Pengeboran laser (bukaan kurang dari atau sama dengan 0,1 mm) atau mesin bor CNC (akurasi ± 10 μm) digunakan untuk menghindari delaminasi substrat yang disebabkan oleh pengeboran mekanis.
Etsa: Menggunakan kombinasi proses pelapisan listrik pulsa dan etsa kimia, toleransi lebar garis dikontrol dalam ± 5%, dan kekasaran tepi kawat Ra kurang dari atau sama dengan 0,4 μm untuk mengurangi hamburan sinyal.
Perlakuan permukaan: ENIG (ketebalan lapisan emas 0,05-0,1 μm) atau pelapisan perak kimia lebih disukai, dengan kerataan Ra Kurang dari atau sama dengan 0,2 μm, untuk mengurangi resistensi kontak dan kehilangan efek kulit.
2, Pertimbangan inti untuk-produksi papan PCB frekuensi tinggi
(1) Pemilihan material: dari "dapat digunakan" hingga "adaptasi yang tepat"
Pencocokan rentang frekuensi
Skenario 1-10GHz: FR-4 berisi keramik opsional (seperti Nelco 4000-13SI) atau lembaran resin epoksi yang dimodifikasi (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Skenario 10GHz: Material komposit berbasis PTFE atau keramik (seperti Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009) harus digunakan.
Pertimbangan manajemen termal
Perangkat frekuensi tinggi menghasilkan panas dalam jumlah besar, sehingga perlu memilih papan dengan konduktivitas termal lebih besar dari atau sama dengan 0,5W/(m · K) (seperti Rogers 4350B, dengan konduktivitas termal 0,7W/(m · K)) dan merancang struktur heat sink tertanam.
(2) Kontrol proses: mengejar presisi tingkat mikrometer yang lebih tinggi
Proses laminasi
Menggunakan mesin laminating vakum, keseragaman tekanan kurang dari atau sama dengan ± 2%, dan fluktuasi suhu kurang dari atau sama dengan ± 1 derajat untuk menghindari penyimpangan impedansi yang disebabkan oleh ketebalan lapisan medium yang tidak merata. Misalnya, jika toleransi ketebalan lapisan dielektrik setebal 0,1 mm melebihi ± 5 μm, kesalahan impedansi akan melebihi ± 4%.
Perpindahan Pola
Menggunakan teknologi penulisan langsung laser dibandingkan gambar optik tradisional, akurasi lebar garis dapat mencapai ± 3 μm, cocok untuk produksi garis ultrahalus di bawah 50 μm. Selama pemaparan, perlu untuk mengontrol panjang gelombang sumber cahaya (sinar ultraviolet 365nm) dan kepadatan energi (120-150mJ/cm ²) untuk mencegah perkembangan yang berlebihan atau tidak mencukupi.
Pemantauan impedansi waktu nyata
Setelah menyelesaikan setiap lapisan fabrikasi sirkuit, gunakan TDR untuk mengukur impedansi secara online dan menyesuaikan parameter proses selanjutnya dengan membandingkan nilai desain. Misalnya, jika impedansi terukur 8% lebih tinggi dari nilai target, kompensasi dapat dilakukan dengan menambah ketebalan lapisan tembaga sebelum mengetsa atau-menyempurnakan lebar garis.
(3) Pencegahan dan Pengendalian Cacat: 'Cedera Fatal' dalam Skenario Frekuensi Tinggi
Gelembung lapisan sedang
Sebelum laminasi, keringkan media dan lembaran semi-kering dengan vakum (120 derajat /2 jam) dengan kadar air dikontrol di bawah 0,1% untuk menghindari kebocoran sinyal yang disebabkan oleh terbentuknya gelembung selama pengepresan bersuhu tinggi.
Kekasaran foil tembaga
Rangkaian frekuensi tinggi harus menggunakan RTF atau HVLP, dengan kekasaran Ra Kurang dari atau sama dengan 0,3 μm. Foil tembaga elektrolitik biasa (Ra=1.0-1.5 μ m) akan meningkatkan kehilangan sinyal 10GHz lebih dari 30%.
Parameter parasit melalui lubang
Lubang tembus frekuensi tinggi memerlukan penggunaan teknologi pengeboran belakang untuk menghilangkan "Stub" (panjang tiang sisa Kurang dari atau sama dengan 0,5 mm), dan mengontrol impedansi lubang tembus agar sesuai dengan impedansi saluran transmisi (deviasi Kurang dari atau sama dengan 5%). Lubang yang belum diolah akan menghasilkan return loss sekitar -20dB pada 10GHz.
(4) Deteksi dan verifikasi: penetrasi kinerja multi-dimensi
Pengujian integritas sinyal
Gunakan penganalisis jaringan vektor untuk mengukur parameter S (S11 Kurang dari atau sama dengan -20dB, S21 Lebih besar dari atau sama dengan -3dB @ frekuensi target) dan mengevaluasi return loss dan insertion loss.
Pengujian keandalan termal
Lakukan uji penyolderan reflow pada 260 derajat /10 detik untuk mengamati apakah terdapat delaminasi pada papan (dengan mendeteksi permukaan ikatan antarlapis melalui mikroskop irisan), dan uji perubahan konstanta dielektrik pada suhu tinggi (Δ Dk Kurang dari atau sama dengan 3%).
Verifikasi penuaan jangka panjang
Tempatkan sampel di lingkungan 85 derajat /85% RH selama 500 jam untuk menguji resistansi insulasi ( Lebih besar dari atau sama dengan 10 ^ 9 Ω) dan perubahan rugi-rugi dielektrik (Δ Df Kurang dari atau sama dengan 5%), memastikan stabilitas jangka panjang kinerja frekuensi tinggi.
3, Kasus umum: Praktik desain frekuensi tinggi dari papan RF stasiun pangkalan 5G
Dalam desain papan RF stasiun pangkalan 5G AAU (unit antena aktif), papan Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) digunakan untuk membuat susunan antena mikrostrip. Raih terobosan dalam-kinerja frekuensi tinggi melalui langkah-langkah berikut:
Desain bertumpuk: struktur 3 lapis (lapisan sinyal/lapisan tanah/lapisan sinyal), ketebalan dielektrik 0,254mm, kontrol impedansi 50 Ω± 3%.
Inovasi proses: Menggunakan pengeboran laser CO ₂ (bukaan 0,15 mm) dan perawatan permukaan pelapisan perak kimia (kekasaran Ra=0.15 μ m), kehilangan penyisipan pada pita frekuensi 18GHz dikurangi menjadi 0,8dB/inci.
Verifikasi pengujian: Return loss pada pita frekuensi 18-22GHz yang diukur dengan VNA kurang dari -25dB, memenuhi persyaratan ketat standar 5GNR untuk tautan RF.