PCB ad alta frequenza

FS Technology ha una forte capacità di produzione di circuiti stampati; qualunque sia la necessità del vostro progetto, faremo del nostro meglio per completarlo per voi. Questo articolo vi presenterà un circuito stampato con i vantaggi dell'alta efficienza, della velocità, dell'ampia controllabilità e della forte tolleranza: il PCB ad alta frequenza.

Catalogo dei tipi di PCB

Definizione di PCB ad alta frequenza

Una scheda per circuiti ad alta frequenza è un tipo di PCB suddiviso per funzione. Se la frequenza di un circuito stampato è superiore a 1GHz, allora viene definito come un circuito stampato ad alta frequenza, indipendentemente dal materiale e dalla durezza. Viene generalmente utilizzata quando è richiesta la trasmissione tra due punti con una perdita minima di segnale, in particolare di onde elettromagnetiche. Di solito è realizzata con materiali speciali. Questi circuiti stampati sono in grado di trasmettere un segnale a una velocità superiore, con una frequenza che può arrivare fino a 100GHz. 

Quando la frequenza è bassa, le caratteristiche del segnale rimangono all'interno della caratterizzazione dei dati e la PCBA svolge tutte le funzioni previste. Al contrario, una frequenza più elevata influisce notevolmente sulle operazioni del PCBA. Tuttavia, quando si aumenta la velocità del sistema, la maggiore frequenza avrà un impatto sulle proprietà del circuito. Ad esempio, durante la segnalazione di I/O, ciò potrebbe avere un impatto negativo sulla trasmissione dei dati dal mittente al destinatario. 

È fondamentale ricordare che molti materiali sono progettati per funzionare ad alta frequenza. I circuiti stampati ad alta frequenza sono dotati di laminati speciali per l'alta frequenza e sono molto difficili da fabbricare in quanto comportano la trasmissione di segnali sensibili mantenendo il calore termico favorevole alla trasmissione del segnale.

Selezione del materiale per PCB ad alta frequenza

I circuiti stampati ad alta frequenza richiedono materiali speciali per la loro fabbricazione, in particolare laminati, per emettere segnali ad alta frequenza. Durante la lavorazione dei circuiti ad alta frequenza, molti ingegneri finiscono per ottenere prestazioni insoddisfacenti del prodotto finito a causa della scelta di materiali errati per circuiti stampati ad alta frequenza. Per questo motivo, FS Technology raccomanda di prestare attenzione ai seguenti punti nella scelta dei materiali. Soddisfa le esigenze del progetto? Questo PCB ad alta frequenza può essere prodotto in serie? Avete calcolato il punto di pareggio del progetto?

Importanti indicatori di PCB ad alta frequenza: DK e DF

DK e DF sono indicatori importanti per misurare i PCB ad alta frequenza. Per la selezione dei materiali dei substrati dei circuiti ad alta frequenza, la variazione del valore DK viene utilizzata come primo fattore di riferimento. Per i progetti che si concentrano sulla trasmissione del segnale o sul controllo dell'impedenza caratteristica, è necessario considerare le prestazioni del valore DF in condizioni quali la frequenza, la temperatura e l'umidità.

La tendenza al cambiamento dei valori DK e DF dei comuni materiali di substrato è evidente, soprattutto quando la frequenza è compresa tra 1MHz e 1GHz. Un modello comune di FR-4 ha un valore DK di 4,7 a 1MHz e un valore DK di 4,19 a 1GHz. Quando il GHz è maggiore di 1, le sue variazioni di DK iniziano a livellarsi. In questo momento, la variazione di tendenza della DK è correlata negativamente con l'aumento della frequenza, cioè la frequenza aumenta e la tendenza alla variazione della DK rallenta.

A 10 GHz, il valore DK del substrato con caratteristiche ad alta frequenza fluttua poco sotto l'influenza delle variazioni di frequenza. Il valore DK ha un valore fluttuante di +/- 0,02 a frequenze variabili da 1MHz a 1GHz. La tendenza alla variazione del valore DK in diverse condizioni di frequenza, da bassa ad alta, è verso il basso.

Per i substrati generici, sotto l'influenza delle variazioni di frequenza, la curva di variazione del valore DF è maggiore del valore DK. La regola di variazione di DF è che tende ad aumentare. Pertanto, quando la tecnologia FS valuta le caratteristiche ad alta frequenza dei materiali, questi vengono giudicati in base alla variazione del loro DF. I PCB ad alta frequenza di alta qualità presentano le due caratteristiche seguenti. 1. La variazione della frequenza ha un effetto minimo sulla variazione del valore DF. 2. I suoi cambiamenti sono coerenti con i materiali ordinari, ma la sua base DF è piccola.

Principio di selezione dei materiali ad alta frequenza

L'FR-4 comunemente utilizzato ha perdite dielettriche elevate a diverse frequenze GHz, che possono renderlo inadatto ai progetti ad alta frequenza. Pertanto, la questione dei materiali è ancora più importante quando si progettano schede PCB ad alta frequenza.

Come semplice esempio, l'onda quadra del segnale digitale ad alta velocità 10Gb/S può essere considerata come la sovrapposizione di segnali sinusoidali di frequenze diverse. Quest'onda quadra comprende un segnale fondamentale di 5Ghz, un segnale di 3° ordine di 15GHz, un segnale di 5° ordine di 25GHz e un segnale di 7° ordine di 35GHz. L'integrità del segnale digitale e la ripidità dei bordi superiore e inferiore sono importanti per i circuiti ad alta frequenza come per la trasmissione a bassa perdita e distorsione delle microonde RF. Pertanto, FS Technology ritiene che i requisiti per la selezione dei materiali dei circuiti digitali ad alta frequenza e dei circuiti a microonde RF siano simili.

Nei progetti di ingegneria attuali, la scelta di un PCB ad alta frequenza sembra semplice, ma in qualità di responsabile del progetto, è necessario comprendere le caratteristiche delle diverse schede e progettare una scheda ad alta frequenza affidabile attraverso un ragionevole impilamento. Per questo motivo, FS Technology ha elaborato le seguenti considerazioni principali per la selezione delle schede ad alta frequenza:

Produttività Come le proprietà di laminazione e le proprietà di temperatura, PCB CAF resistenza, resistenza al calore, resistenza al fuoco, ecc.

Corrispondenza delle prestazioni del prodotto : bassa perdita, prestazioni stabili DK/DF, spessore del materiale, ecc. Inoltre, per i PCB ad alta frequenza, è necessario un test di simulazione PCBA nella fase iniziale della progettazione. FS Technology dispone di una verifica a ciclo chiuso attraverso un gran numero di simulazioni e test reali per garantire la coerenza dei risultati delle simulazioni e dei test.

Tempo di acquisizione del materiale : La difficoltà di produzione dei PCB ad alta frequenza non si riflette solo nel processo tecnologico, ma anche nell'approvvigionamento dei materiali. Per un produttore di PCBA generico, possono essere necessari 2-3 mesi per l'acquisto, il che è molto svantaggioso per il vostro progetto. Se il vostro progetto richiede questo tipo di scheda, FS Technology raccomanda il nostro servizio PCBA ad alta frequenza chiavi in mano, che sarà all'altezza delle vostre aspettative dall'approvvigionamento alla consegna.

Fattore di costo. I costi del settore PCBA sono relativamente trasparenti. Se siete clienti sensibili ai prezzi, potete giudicare il costo approssimativo del vostro progetto ad alta frequenza leggendo la tabella I driver dei costi di assemblaggio dei PCB.

Introduzione di diversi materiali per PCB ad alta frequenza

Rogers :

Si tratta di un'azienda statunitense produttrice di materiali per PCB, in grado di fornire una varietà di schede ad alta frequenza con grandi vantaggi. Nel Produzione di PCB Anche se il prezzo del PCB Rogers è più caro, è ancora la prima scelta per molti progetti. Di seguito è riportata la gamma Rogers che può essere utilizzata per realizzare PCB ad alta frequenza.

RO4003C, RO4350B, RO4360, RO4533, RO4535, RO4232, RO4233, RO3001, RO3003, RO3006, RO3010, RO3035, RO3203, RO3206, RO3210, RO3730, RO5780, RO6002, RO3202, RO6006.

Rogers R03001: ha una bassa costante dielettrica e una bassa tangente di perdita, con un'eccellente resistenza chimica e alle alte temperature.

Taconic:

TACONIC è il maggior produttore mondiale di PTFE CCL. Possiede il brevetto per il rivestimento uniforme di PTFE su tessuto di vetro e occupa una posizione dominante assoluta nel mercato delle lastre per antenne, con una quota di mercato di oltre 80%. Le seguenti famiglie di materiali offrono prestazioni eccezionali alle alte frequenze.

TLY-5A, TLY-5, TLY-3, HT1.5, TLX-0, TLX-9, TLX-8, TLX-6, TLC-27, TLC-30, TPG-30, TLG-30, RF-30, TSM-30, TLC-32, TPG-32, TLG-32, TLG-34, TPG-35, TLG-35, RF-35, RF-35A, RF-41, RF-43, RF-60A, CER-10.

Taconic RF-35 Ceramic: questo materiale è più economico, solitamente composto da PTFE riempito di ceramica e vetro intrecciato. La fabbricazione è un po' più semplice e fornisce buone proprietà elettriche al PCB con una minore dissipazione. 

Taconic TLX: è un materiale stabile dal punto di vista dimensionale, costituito da fibra di vetro PTFE. Il TLX offre eccellenti proprietà termiche, meccaniche ed elettriche, ma è relativamente difficile da fabbricare. 

FR4

Materiale molto comune per il laminato dei circuiti stampati, quando il segnale supera la frequenza di 1,6 GHz ha prestazioni elettriche relativamente scarse. 

ISOLA IS620 E-fiberglass

Questo materiale viene solitamente utilizzato per fornire prestazioni elettriche e termiche eccezionali. 

Caratteristiche e vantaggi dei PCB ad alta frequenza

La scelta del PCB deve essere analizzata in base alle sue caratteristiche e ai suoi vantaggi. Di seguito, analizzeremo in modo esaustivo le caratteristiche e i vantaggi dei circuiti stampati ad alta frequenza.

Fattore di dissipazione: Le schede ad alta frequenza hanno solitamente un fattore di dissipazione basso, compreso tra 0,0019 e 0,025, il che significa che la velocità di trasmissione del segnale rimarrà invariata. Un fattore di dissipazione basso consente inoltre una migliore trasmissione del segnale. Un fattore di dissipazione più basso può contribuire a ridurre la perdita di segnale. 

Costante dielettrica: di solito i circuiti stampati HF hanno una costante dielettrica bassa e stabile. Ciò garantisce una trasmissione di frequenza più elevata con un ritardo minore. 

Resistenza chimica: I PCB ad alta frequenza sono resistenti agli agenti chimici. Se sottoposti ad un attacco chimico, questi circuiti possono resistere. Grazie a questa caratteristica, i circuiti stampati hanno meno probabilità di corrodersi. 

Basso assorbimento di umidità: In genere, i PCB HF assorbono una quantità minore di acqua. Non assorbendo umidità, possono sopravvivere in un clima umido. 

Bassa stabilità dimensionale: La stabilità dimensionale dei PCB di frequenza è bassa. Grazie a questa proprietà, questi tipo di PCB mantengono le loro dimensioni anche se esposti al calore. 

Tecniche di gestione termica per PCB ad alta frequenza

Poiché i circuiti stampati ad alta frequenza operano per trasferire segnali a una velocità superiore, per questo motivo la maggior parte dei circuiti stampati HF è soggetta a gestione del calore, con conseguente aumento della temperatura dei circuiti stampati, che in alcuni casi diventa fatale per i circuiti stessi. Se il calore prodotto in un circuito è entro un limite, può essere dissipato da solo, ma se la produzione di calore è superiore e non può essere dissipata da sola, si utilizzano dissipatori e ventole di raffreddamento o altre tecniche di gestione del calore. Di seguito sono riportate alcune tecniche per gestire la temperatura dei circuiti stampati al fine di aumentare la durata di vita dei circuiti stampati HF. 

Array di vie termiche: L'integrazione di array di vie sulle sezioni piene di rame consente un'efficace gestione del calore. Utilizzando questi fori, il calore può essere dissipato nell'aria. Affinché il calore venga dissipato correttamente, il diametro del foro deve essere grande, approssimativamente nell'ordine di 0,1 mm. Più vias ci sono, migliore è la dissipazione del calore. 

Utilizzo di tracce più larghe: Tracce più larghe aumentano la superficie di dissipazione del calore in modo più efficiente e contribuiscono a ridurre i punti caldi sul circuito PCB. Quando si creano tracce più larghe, bisogna fare attenzione a non renderle eccessivamente larghe, in quanto ciò può provocare una diafonia. 

Utilizzo di dissipatori di calore e ventole di raffreddamento: i dissipatori di calore e le ventole di raffreddamento sono due metodi efficaci per superare i problemi di calore nei circuiti stampati. L'applicazione di entrambi dipende dallo spazio disponibile sul PCB, come nel caso di CPU e MCU, si utilizza un dissipatore di calore, mentre la ventola di raffreddamento è impiegata per aiutare l'aria calda a disperdersi correttamente nell'ambiente circostante. 

Tecnica di collocazione : È buona norma tenere gli elementi che producono calore lontano dai materiali sensibili al calore, per evitare di danneggiarli. I potenziali punti caldi nei PCB possono essere individuati utilizzando un software di analisi dei PCB. Se i PCB sono montati verticalmente, i componenti che generano calore devono essere collocati vicino alla parte superiore. 

Problemi nella produzione di PCB ad alta frequenza

Forza di legame debole: 

I vias più interrati determinano una bassa forza di legame tra i fogli di laminato e la resina. Alla fine si verifica la delaminazione. 

Questo problema può essere risolto utilizzando fogli di laminato e di resina che abbiano lo stesso tasso di espansione e contrazione, in modo da garantire che rimangano legati l'uno all'altro al variare della temperatura. 

Perforazione: 

I fori passanti multipli sono necessari per un'efficace dissipazione del calore sulle schede multistrato ad alta frequenza, e questo è il compito più difficile durante la fabbricazione dei PCB HF. Il calore prodotto durante la perforazione provoca l'indurimento della parete del foro passante, che alla fine può causare una scarsa dissipazione del calore e interferenze con il circuito ad alta frequenza. 

Questo problema può essere attenuato utilizzando una copertura in resina anziché in alluminio, che assorbe meglio il calore durante la perforazione. Inoltre, contribuisce a migliorare la qualità del foro aumentando l'aspirazione e la pressione del vuoto. 

Foratura posteriore: 

I fori passanti favoriscono la dissipazione del calore, ma allo stesso tempo possono compromettere l'integrità delle trasmissioni ad alta frequenza. Lo stub aggiuntivo può funzionare come canale riflettente, causando un aumento della perdita di inserzione. 

L'unica opzione per risolvere questo problema è praticare un foro più grande sul lato opposto dei componenti che producono calore.

Questa è la conclusione dell'introduzione di FS Technology ai circuiti stampati ad alta frequenza. FS Technology opera da molti anni nel settore dei PCBA, con esperienza professionale nella produzione e nell'assemblaggio di circuiti stampati. Se avete qualsiasi PCBA esigenze, è possibile contattarci via e-mail in qualsiasi momento, e il nostro venditore vi risponderà il più presto possibile.

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