Что такое высокочастотная печатная плата? Высокочастотная печатная плата (High Frequency PCB) — это специализированная печатная плата (PCB), разработанная специально для обработки и передачи высокочастотных сигналов (обычно выше 100 МГц, с микроволновыми и миллиметровыми диапазонами, работающими на еще более высоких частотах). Ее основные характеристики заключаются в использовании специальных материалов и специализированных конструкций для обеспечения стабильности, целостности и низких потерь при передаче высокочастотных сигналов.
Характеристики высокочастотная печатная плата:
- Диэлектрическая проницаемость (DK) должна быть низкой и достаточно стабильной; как правило, предпочтительнее более низкая, так как высокая DK может вызвать задержки в распространении сигнала.
- Коэффициент диэлектрических потерь (DF) должен быть минимальным, так как это в первую очередь влияет на качество передачи сигнала; более низкий DF соответственно снижает затухание сигнала.
- Коэффициент теплового расширения должен быть как можно ближе к коэффициенту теплового расширения медной фольги, так как расхождения могут вызвать расслоение во время термоциклирования.
- Водопоглощение должно быть низким во влажных средах, так как высокое водопоглощение отрицательно влияет на DK и DF.
- Необходимы отличные термостойкость, химическая стойкость, ударопрочность и стойкость к расслоению.
Материалы для высокочастотная печатная плата
Высокочастотные материалы FR-4
Высокочастотные материалы FR-4 получают из стандартных подложек FR-4 путем модификации и оптимизации смолы. Его диэлектрическая проницаемость (Dk) колеблется от 3,8 до 4,5, а коэффициент потерь (Df) — от 0,015 до 0,025. Он обладает отличной термостойкостью, температура стеклования (Tg) составляет не менее 170 °C. По стоимости он всего на 20–30 % дороже стандартного печатных плат FR-4.
Этот материал в первую очередь подходит для высокочастотного оборудования, работающего в средних и низких частотных диапазонах. Он находит широкое применение в периферийных модулях для маршрутизаторов WiFi 6 и базовых станций 4G. Один производитель маршрутизаторов успешно заменил высокочастотный ламинат FR-4 на материалы премиум-класса, добившись снижения стоимости на 15% при полном соблюдении требований к характеристикам оборудования.
Плита из политетрафторэтилена (PTFE)
Плиты из политетрафторэтилена (PTFE) обладают исключительными эксплуатационными характеристиками. Их диэлектрическая проницаемость исключительно низкая, от 2,0 до 2,3, а коэффициент потерь минимальный, от 0,001 до 0,003. Это сводит к минимуму потери сигнала при передаче. Кроме того, он обладает исключительно широким диапазоном температурной устойчивости, стабильно работая в диапазоне от -260 °C до 260 °C. Однако этот материал представляет сложности при обработке и имеет высокую стоимость, как правило, в 3-5 раз превышающую стоимость высокочастотных ламинатов FR-4.
Он в основном используется в сверхвысокочастотных приложениях или сценариях, требующих исключительной точности. Такие области, как базовые станции 5G миллиметрового диапазона, спутниковая связь и радиолокационное оборудование, полагаются на печатных плат PTFE. В одном из аэрокосмических проектов использование ламинатов PTFE увеличило дальность передачи сигнала на 20 %.
Серии RT/duroid (RT5880, RT5870 и т. д.), серии TLE, RF и TLX компании Taconic. Преимущества: чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость (Dk: 2,2–3,5), минимальные диэлектрические потери (Df: 0,0009–0,002) и высокая стабильность характеристик. Недостатки: высокая стоимость, несколько более низкая механическая прочность и сложные процессы сверления и металлизации.
Плита из углеводородной смолы
Характеристики углеводородных смоляных плит находятся между характеристиками плит из политетрафторэтилена (PTFE) и высокочастотных плит FR-4. Их диэлектрическая проницаемость (Dk) колеблется от 3,0 до 3,5, а коэффициент потерь (Df) — от 0,003 до 0,008. Этот материал обладает хорошей обрабатываемостью, что позволяет выполнять сверление аналогично стандартным ламинатам FR-4. С точки зрения стоимости, он на 40 % дешевле ламинатов из политетрафторэтилена (PTFE).
Подходит для таких применений, как макробазовые станции 5G, оптические модули и высокопроизводительные маршрутизаторы. Производитель телекоммуникационного оборудования успешно использовал ламинаты из углеводородной смолы для достижения двух целей: поддержания стандартов производительности и контроля затрат.
Плиты из полифениленэфира (PPE/PPO)
Плиты из полифениленэфира (PPE/PPO) обладают отличительными эксплуатационными характеристиками. Их диэлектрическая проницаемость (Dk) колеблется от 2,4 до 3,0, коэффициент потерь (Df) — от 0,005 до 0,01, а также они обладают отличной влагостойкостью. По стоимости он на 20 % дешевле ламинатов из углеводородной смолы, хотя его термостойкость относительно слабее, а температура стеклования (Tg) составляет от 120 до 150 °C.
Этот ламинат в основном используется в высокочастотных модулях для бытовой электроники, таких как 5G RF-секции смартфонов и модули передачи видео с дронов. Один из производителей мобильных телефонов эффективно снизил затраты на изготовление радиочастотных плат за счет использования ламинатов из полифениленоксида (PPE/PPO).
Ламинаты с керамическим наполнителем
Ламинаты с керамическим наполнителем обладают стабильной диэлектрической проницаемостью (Dk), регулируемой в диапазоне 2,5–6,0, с низким температурным коэффициентом, не превышающим 50 ppm/°C. Это делает их очень подходящими для применений, требующих точного контроля импеданса. Однако эти листы отличаются значительной хрупкостью и весом.
Они в основном используются в автомобильных радарах (77 ГГц) и промышленных шлюзах IoT. После внедрения листов с керамическим наполнителем один производитель автомобилей обеспечил стабильность колебаний импеданса радара в пределах 3 % в диапазоне температур от -40 °C до 125 °C.
При выборе подходящих материалов для подложки высокочастотных печатных плат необходимо уделять приоритетное внимание следующим ключевым факторам:
- Производственные характеристики:
К ним относятся различные характеристики ламинирования, адаптация к температуре, устойчивость к CAF (проводящим анодным нитям) и термостойкость, механическая прочность и когезия (обеспечивающие высокую надежность), а также класс пожарной безопасности. - Характеристики, подходящие для продукта (включая электрические свойства, стабильность и т. д.):
Материалы должны иметь низкие потери сигнала, стабильные параметры Dk (диэлектрическая проницаемость)/Df (коэффициент диэлектрических потерь), низкие характеристики дисперсии и минимальные изменения параметров при изменении частоты и условий окружающей среды. Допуски по толщине материала и содержанию клея должны быть точными (что облегчает точное управление импедансом). Для увеличенных длин дорожек рекомендуется использовать медную фольгу с низкой шероховатостью поверхности. Кроме того, проектирование высокоскоростных печатных плат в значительной степени зависит от моделирования на начальных этапах, а результаты моделирования служат важным руководством при проектировании. «Совместная лаборатория Xingsen Technology-Agilent (High-Speed/RF)» эффективно решила проблему, с которой сталкивается отрасль, связанную с расхождениями между результатами моделирования и фактическими результатами испытаний. Благодаря обширной проверке моделирования и физических измерений по замкнутому циклу, она достигла высокой согласованности между ними с помощью уникальных методологий. - Своевременность поставки материалов:
Циклы закупок для многих высокочастотных печатных плат могут быть длительными, достигая 2–3 месяцев. Хотя стандартные высокочастотные ламинаты, такие как RO4350, имеются в наличии, большинство высокочастотных материалов для печатных плат требуют предоставления со стороны заказчика. Следовательно, для обеспечения своевременной подготовки материалов необходимо заранее связываться с поставщиками высокочастотных ламинатов. - Соображения, связанные с затратами:
Решения должны приниматься с учетом ценовой чувствительности продукта, с уточнением, ориентирован ли он на потребительский рынок или на применение в телекоммуникациях, медицинском, промышленном или военном секторах. - Соответствие нормативным требованиям:
Убедитесь, что материалы соответствуют экологическим нормам разных стран, таким как RoHS (ограничение использования опасных веществ) и стандарты по безгалогенности.
На характеристики высокочастотных печатных плат влияют множество факторов, включая выбор материалов, обработку и стоимость. Только благодаря комплексной оценке и правильному выбору материалов можно производить высококачественные высокочастотные печатные платы, что дает мощный импульс развитию высокочастотных технологий.
