Vysokofrekvenční deska plošných spojů: Komplexní průvodce

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) jsou klíčovými prvky nejmodernějších elektronických řešení, a to jak pro vysokorychlostní přenos dat, tak pro RF/mikrovlnné aplikace. Na rozdíl od běžných PCB vyžadují vysokofrekvenční desky plošných spojů vysoce specializované materiály, včetně PTFE a Rogers, a také použití keramicky plněných laminátů, abyste dosáhli očekávaného výkonu. Pevné i flexibilní desky plošných spojů musí být navrženy tak, aby byla zachována integrita signálu a řídicí impedance s co nejnižší dielektrickou konstantou. Takové desky plošných spojů se hojně používají v sítích 5G, radarových systémech, leteckém průmyslu a satelitní komunikaci, které pracují na frekvencích nad 1 GHz.

Co je vysokofrekvenční (HF) deska plošných spojů?

Vysokofrekvenční deska plošných spojů (HF PCB) je deska plošných spojů navržená pro provoz na frekvencích nad 500 MHz, často sahajících do rozsahu několika GHz. Tyto desky nejsou typickými deskami plošných spojů; udržení integrity signálu při velmi vysokých rychlostech představuje značné výrobní výzvy.

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) nacházejí uplatnění ve vysokorychlostních přenosech signálů, včetně 5G komunikace, radarů, satelitních technologií a také v pokročilých lékařských zařízeních.

Vysokofrekvenční výkon desky plošných spojů je výrazně ovlivněn vlastnostmi jejího dielektrického materiálu, zejména dielektrickou konstantou (Dk) a disipačním činitelem (Df). Deska plošných spojů s vysokofrekvenčním laminátem by pro svou funkčnost potřebovala konstantní impedanci a minimální ztráty signálu.

Klíčové vlastnosti vysokofrekvenčních desek plošných spojů

· Požadavky na integritu signálu

U vysokofrekvenčních desek plošných spojů se integrita signálu s rostoucí frekvencí rychle stává jedním z nejobtížnějších aspektů návrhu. Stručně řečeno, ztráty v signálové dráze v důsledku dielektrické absorpce, záření a nedokonalostí vodičů mohou mít významný vliv na výkon. Směrování, uzemnění a výběr materiálů jsou aspekty, které konstruktéři zvažují, aby tyto ztráty minimalizovali.

· Nízké dielektrické ztráty

Obvykle se preferují materiály s nízkým Df (ztrátovým faktorem), které umožňují signálům dosáhnout cíle rychleji a s menší ztrátou síly (ztrátou energie), což se stává větším faktorem v aplikacích 5G vysokofrekvenčních desek plošných spojů.

· Řízená impedance

Časování a kvalita signálu jsou funkcí řízené impedance. U vysokofrekvenčních desek plošných spojů musí impedance trasy odpovídat systémovým požadavkům; proto se zabrání odrazům, degradaci signálu nebo útlumu.

Úvahy o návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů

Návrh vysokorychlostních desek plošných spojů vyžaduje více než jen běžné schopnosti návrhu. Pro dosažení provozu v GHz je nutné přijmout speciální opatření.

Směrování signálu

Metody směrování (mikropáskové vs. páskové vedení)

Porovnávání délek (kritické pro diferenciální páry) 

V pravidlech návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů je velmi důležité shodovat délky diferenciálních párů. Signály s různou délkou vedou ke zkreslení a chybám. Na straně přijímače je pro simultánní příchod signálu nutná malá shoda délek.

Prostřednictvím optimalizace (minimalizace efektů počtu a pahýlů)

Každý propojovací bod (via) zvyšuje indukčnost a kapacitu, což může zkreslovat signály při vysokých frekvencích. Zlepšení integrity signálu se dosahuje optimalizací počtu propojovacích bodů (via) a minimalizací efektu pahýlů (stub).

Zmírnění přeslechů

· Pravidla pro rozteč stop: Dostatečné oddělení vodičů je jednou z nejjednodušších metod pro minimalizaci přeslechů ve vysokorychlostních deskách plošných spojů. Vzdálenost mezi vodiči by měla být alespoň trojnásobek šířky vodiče.

· Techniky stínění země: Přidání zemnících ploch a propojení průchodek kolem citlivých vodičů může poskytnout účinné stínění, udržet elektromagnetické rušení na uzdě a zajistit integritu signálu.

Kontrola impedance

· Výběr dielektrického materiálu: Výběr vhodného dielektrického materiálu je základem impedančního přizpůsobení. Dk (dielektrická konstanta) přímo přispívá k impedanci stopy, takže materiál musí být pečlivě vybrán pro danou provozní frekvenci.

· Čísla šířky a tloušťky stopy: Pro dosažení požadované impedance jsou nezbytné správné výpočty šířky a tloušťky vodivých linek s ohledem na zvolený substrát. Například kalkulačky impedance se často používají při návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů.

Vysokofrekvenční materiály pro desky plošných spojů

Výběr správných materiálů je zásadní pro správný a spolehlivý provoz vysokofrekvenční desky plošných spojů. Existuje několik různých materiálů substrátů. Následují příklady:

· PTFE Rogers, Taconic: PTFE lamináty, mezi které patří Rogers a Taconic, se používají ve vysokofrekvenčních návrzích desek plošných spojů kvůli jejich extrémně nízkým hodnotám Dk a Df. Mají vynikající elektrické vlastnosti, ale mohou být příliš nákladné a obtížně zpracovatelné.

· Keramikou plněné uhlovodíky: Materiály plněné uhlovodíkovou keramikou představují kompromis mezi cenou a výkonem. Nabízejí menší ztráty než standardní FR-4 a zároveň poskytují lepší vyrobitelnost než PTFE.

· Upravený FR-4 pro HF: Někteří výrobci nabízejí rychlý FR-4, který je optimalizován pro vyšší frekvence. Rozhodně není tak výkonný jako PTFE nebo keramika, ale modifikovaný FR-4 může být relativně levnou variantou pro některé specializované vysokofrekvenční aplikace na deskách plošných spojů.

Typy měděné fólie

HVLP (Vysoký velmi nízký profil): Měděná fólie HVLP zabraňuje snížení drsnosti povrchu a menším ztrátám signálu, lepší kvalitě signálu při vysokých frekvencích.

RTF (reverzně ošetřená fólie): RTF poskytuje vylepšenou přilnavost bez obětování drsnosti pro různé požadavky na výrobu vysokofrekvenčních desek plošných spojů.

HTE (vysokoteplotní elektrolytický roztok): HTE fólie nabízejí vysokou tepelnou a mechanickou pevnost, která může být výhodná tam, kde je vyžadován vysoký proud a vysokofrekvenční výkon.

Kritéria výběru materiálu

Při výběru měděné fólie pro desku plošných spojů je nutné u vysokofrekvenčního laminátu zohlednit její drsnost, pevnost v odlupování a usazení se základním materiálem. Čistá měděná povrchová úprava je optimální pro minimalizaci útlumu signálu, ale ne na úkor výkonu.

Výběr materiálu pro vysokofrekvenční desky plošných spojů je kompromisem mezi elektrickým výkonem, tepelným výkonem, procesem a cenou.

· Frekvenční rozsah vs. Dk/Df: Se zvyšující se provozní frekvencí jsou pro snížení ztrát signálu potřebná dielektrika s nízkým a stabilním Dk a nízkým Df.

· Požadavky na tepelnou Výkon: Pokud bude deska plošných spojů vystavena vysokým teplotám, například od radaru nebo satelitů, je potřeba materiálů s vynikající tepelnou stabilitou.

· Kompromisy mezi náklady a výkonem: U každého projektu citlivého na náklady je vždy třeba zvážit kompromis mezi výkonem a náklady. Například místo PTFE lze použít uhlovodíky plněné keramikou.

Výroba vysokofrekvenčních desek plošných spojů od PCBasic

Ve společnosti PCBasic vyrábíme vysokofrekvenční desky plošných spojů a poskytujeme přední světové výrobní služby pro odvětví, která vyžadují nejvyšší úroveň přesnosti, spolehlivosti a rychlého servisu pro vysokorychlostní signály a těsně zabalené aplikace.

Zaměřujeme se na zakázkové vysokofrekvenční desky plošných spojů pro klienty, kteří požadují řešení na míru v oblasti 5G infrastruktury, letectví a kosmonautiky, automobilových radarů a satelitní komunikace.

Výběr materiálu

· Používá dielektrické materiály s nízkými ztrátami, jako jsou Rogers, Taconic a deskový materiál na bázi PTFE

· Speciálně vybrané měděné fólie s hladkým povrchem pro snížení ztráty skin efektu

Precizní zpracování

· Neuvěřitelná kontrola dielektrické tloušťky (+/-5 % nebo lepší)

· Samotná regulace impedance je přesnější (obvykle ±10 % nebo lepší)

· Laserové vrtání mikrootvorů ve vícevrstvých rozloženích

Integrita signálu

Integrita signálu (SI) je čistota a přesnost elektrického signálu procházejícího deskou plošných spojů bez zkreslení, odrazů, šumu nebo ztrát.

· Malé vady nebo špatné návrhy mohou způsobit špatné vysokofrekvenční desky plošných spojů (1, 5, 10 GHz):

· Oslabení signálu (útlum)

· Odraz (R) (návrat ozvěn)

· Přeslechy (křížení signálů)

· Chyby časování (nesprávný příjem bitů atd.)

Zaměření na integritu signálu

· Geometrie trasy a rozteče.

· Snížená změna dielektrické konstanty.

· Řízená drsnost měděných povrchů.

Specializované procesy

· Adheze se zlepšuje použitím plazmy k ošetření.

· Vysoce kvalitní povrchové úpravy (ENIG, imerzní stříbro, zlacení).

Naše továrna na výrobu vysokofrekvenčních desek plošných spojů má bohaté zkušenosti s výrobou takových vysokofrekvenčních desek plošných spojů, z nichž můžeme vyrábět položky splňující nejpřísnější požadavky zákazníků, jako například:

· Vícevrstvé vysokofrekvenční desky plošných spojů s řízenou impedancí.

· Lamináty s velmi nízkými ztrátami: na bázi PTFE (např. Rogers, Taconic) nebo s keramickou výplní.

· Přesnost a leptaná vzdálenost při trasování mikropáskovým a páskovým vedením.

· Snížení efektů pahýlů via pomocí zpětného vrtání a optimalizace návrhu via.

Zajištění kvality je nutností, proto:

· Řídicí systém je implementován tak, aby udržoval regulaci impedance s omezenou tolerancí v rozmezí ±5 %.

· Test vložného útlumu 40 GHz.

· Ověřeno testování teplotními cykly (-55 °C až +125 °C).

· Analýza průřezu pro kontrolu kvality pokovování.

Poskytují se také specifické designové služby:

· Optimalizace návrhu stack-upu: Odborné poradenství v oblasti návrhu a optimalizace vrstev desek plošných spojů pro zajištění špičkového elektrického výkonu, následné mechanické integrity a nákladové efektivity, zejména pro komplexní nebo vysokofrekvenční potřeby.

· Simulace integrity signálu: Sofistikované simulace, které předpovídají a snižují rušení způsobené ztrátou signálu, odrazy, přeslechy a elektromagnetickým rušením, a zaručují tak spolehlivý vysokorychlostní přenos dat na desce plošných spojů.

· Tepelná analýza: Termická analýza: Kompletní tepelné modelování a analýza pro určení oblastí, kde se teplo může stát problémem, a provedení konstrukčních změn pro zlepšení chlazení, prodloužení životnosti produktu a zajištění výkonu v extrémních podmínkách.

· Recenze vyrobitelnosti: Předběžná analýza, která zajistí, že návrh plošných spojů splňuje osvědčené výrobní postupy, povede k nižším výrobním nákladům, menšímu riziku vad a vysokému výtěžku výroby.

· Návrh zkušebního přípravku: Vývoj zakázkových testovacích přípravků a systémů pro rychlé a přesné testování desek plošných spojů, a to jak v provozu, tak i po výrobě, aby bylo zajištěno, že desky splňují všechna funkční a výkonnostní kritéria.

Aplikace HF desek plošných spojů

Díky přesným výrobním možnostem nacházejí vysokofrekvenční desky plošných spojů své místo v široké škále pokročilých odvětví. Trh s vysokofrekvenčními deskami plošných spojů pro 5G roste, protože vysokofrekvenční desky plošných spojů umožňují vysokorychlostní přenos dat s minimální ztrátou signálu, sníženou latencí a rozsáhlou konektivitou zařízení, což jsou kritické prahové hodnoty pro sítě 5G. V komunikačních satelitech nelze přeceňovat důležitost kvalitního vysokofrekvenčního přenosu signálu. Zakázkové vysokofrekvenční desky plošných spojů, které poskytují výkonnostní charakteristiky potřebné k přežití v drsném vesmírném prostředí a zajištění integrity komunikace.

Vysokofrekvenční radary s plošnými spoji a automobilové radarové systémy se stále více spoléhají na vysokofrekvenční materiály pro plošné spoje, aby mohly přesně odesílat a přijímat vysokofrekvenční signály na velké vzdálenosti bez zkreslení.

Diagnostické a léčebné přístroje v lékařské technice těží z vysokofrekvenčních desek plošných spojů. Tyto specializované desky plošných spojů se používají v přístrojích pro magnetickou rezonanci (MRI) ke generování a zpracování vysokofrekvenčních signálů nezbytných pro detailní lékařské zobrazování. Pokud jde o chirurgické aplikace, zařízení pro RF ablaci využívají vysokofrekvenční desky plošných spojů k zajištění optimální energie, která umožňuje méně invazivní chirurgické zákroky.

Trh spotřební elektroniky zavádí vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB), aby splnil požadavky dnešních standardů bezdrátové komunikace v kapesních zařízeních. Tyto specializované desky plošných spojů se používají v chytrých telefonech, tabletech a dalších mobilních zařízeních pro 5G antény, moduly Wi-Fi 6 E/6 a připojení Bluetooth. Poptávka trhu po rychlejším a pohotovějším přenosu dat si vyžádala tyto vysokofrekvenční desky plošných spojů v routerech, herních systémech, produktech IoT a mnoha dalších spotřebitelských zařízeních.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Vysokofrekvenční desky plošných spojů (PCB) jsou klíčovou součástí špičkových technologií a pohánějí pokrok od 5G až po průzkum vesmíru. Znalost klíčových komponent návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů – směrování signálu, řízení impedance, výběr materiálu a izolace přeslechů – je důležitá pro dosažení konzistentního výkonu ve vysokorychlostních systémech.

Zároveň výběr výrobce a materiálů pro vysokofrekvenční desky plošných spojů má velký vliv na to, zda samotná deska splňuje potřeby aplikace. Ať už navrhujete nejmodernější radarové systémy nebo plánujete infrastrukturu 5G, 6G nebo 7G, návrh vysokofrekvenčních desek plošných spojů je klíčovou součástí vašeho úspěchu.

O PCBasicu

Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je montážní firma PCB který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav PCB, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy desek plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.