Введение
Радиочастотные (РЧ) печатные платы:
РЧ печатные платы (ПП) работают в широком диапазоне частот, от 30 кГц до 100 ГГц, играя важнейшую роль в беспроводной связи, радиолокационных системах, вещательном оборудовании и других высокочастотных приложениях. Проектирование РЧ ПП требует специальных знаний для обеспечения оптимальной целостности сигнала, характеристик передачи и надежности.
В этой статье предлагаются всеобъемлющие рекомендации по проектированию РЧ ПП, охватывающие такие важные аспекты, как соображения по компоновке, проектирование стека, выбор материалов, методы моделирования и тонкости процессов изготовления и сборки. В ней также оцениваются ключевые материалы СВЧ-подложки, необходимые для РЧ-плат, выделяя популярные варианты, такие как ламинаты Rogers, Taconic, Isola и Arlon.
-
Печатная плата RF
-
Печатная плата Rogers
-
Печатная плата Arlon
-
Печатная плата Taconic
-
Печатная плата Teflon
-
Печатная плата Nelco
Руководство по проектированию печатных плат ВЧ-устройств
При компоновке печатных плат для радиочастотных и микроволновых рабочих сред критически важно следовать проверенным стратегиям проектирования. Основные рекомендации по проектированию ВЧ и СВЧ печатных плат:
Проектирование стека плат:
Выбирайте диэлектрические материалы на основе рабочей частоты, тангенса угла потерь, теплопроводности и коэффициента теплового расширения (КТР).
Минимизируйте количество ламинированных материалов для упрощения стека.
Используйте симметричные конфигурации стека со слоями с контролируемым импедансом.
При необходимости включайте тонкие диэлектрические сердечники и препреги.
Реализуйте скрытые и глухие переходы для эффективных переходов слоев.
Моделируйте и имитируйте стек с помощью 3D-электромагнитных (ЭМ) инструментов и выполняйте анализ целостности сигнала.
Трассировка трасс:
Держите трассы короткими и прямыми, чтобы минимизировать потери сигнала и помехи.
Избегайте поворотов трасс на 90°; используйте скосы под углом 45° для более плавной передачи сигнала.
Прокладывайте смежные трассы ортогонально, чтобы минимизировать связь и перекрестные помехи.
Поддерживайте достаточный зазор между дорожками в зависимости от уровней напряжения.
Оптимизируйте согласование импеданса с помощью изогнутых и конических изгибов.
Проверьте ширину дорожки и расстояние между ней, чтобы обеспечить контролируемый импеданс.
Размещение компонентов:
Расположите компоненты так, чтобы минимизировать пути высокоскоростного сигнала.
Правильно ориентируйте направленные компоненты для оптимальной производительности.
Убедитесь, что порты ввода и вывода РЧ легкодоступны для подключения.
Группируйте взаимодействующие устройства вместе, чтобы сократить длину пути сигнала и помехи.
Разделите аналоговые и цифровые секции, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение сигналов.
Выделите достаточно места вокруг устройств для маршрутизации и настройки.
Проект заземления:
Используйте непрерывные медные заливки для надежных заземляющих слоев.
Реализуйте несколько переходных отверстий для соединения заземляющих слоев для путей с низким импедансом.
Окружите радиочастотные трассы выделенной заземляющей плоскостью для эффективного управления возвратными токами.
Поддерживайте отдельное заземление для аналоговых и цифровых цепей, чтобы минимизировать помехи.
Убедитесь, что все заземления платы сходятся в одной точке, чтобы уменьшить заземляющие контуры.
Включите периферийные заземляющие сшивающие отверстия для улучшения непрерывности заземления.
Стратегия слоев:
Выделяйте слои слоев стратегически для радиочастотных сигналов, заземления и распределения питания.
Размещайте чувствительные трассы между сплошными заземляющими слоями для защиты от шума.
Обеспечивайте непрерывные опорные плоскости для поддержания целостности сигнала.
Эффективно используйте силовые плоскости для изоляции чувствительных схем от источников шума.
Отрегулируйте количество слоев в зависимости от сложности конструкции, оптимизируя управление электромагнитными помехами, управление температурой и механические требования.
Пассивная интеграция:
Интегрируйте пассивные компоненты, такие как конденсаторы и резисторы, в схему.
Выберите соответствующие посадочные места для компонентов, соответствующие доступным компонентам.
Расположите пассивные элементы близко к поддерживаемым ими ИС, чтобы минимизировать паразитные эффекты.
Рассмотрите возможность использования скрытых резисторов и конденсаторов, где это применимо, для оптимизации целостности сигнала.
Внедрите структуры линий передачи для согласования импеданса и качества сигнала.
Переходы и терминации:
Постепенно уменьшайте ширину микрополосковых дорожек при переходе между слоями, чтобы сохранить импеданс.
Используйте ограждения переходов для общих заземленных соединений, чтобы уменьшить разрывы импеданса.
Соответствуйте ширине дорожек ширине контактных площадок для плавных переходов сигнала.
Используйте методы обратного сверления для удаления неиспользуемых частей переходов для более чистых путей сигнала.
Включите резисторы для надлежащей терминации линий передачи, чтобы предотвратить отражение сигнала.
Экранирование и разделение:
Разделите секции платы с заземленными плоскостями для изоляции чувствительных схем.
Интегрируйте электромагнитные структуры запрещенной зоны для подавления нежелательных частот.
Размещайте критические дорожки между слоями сплошного заземления для максимальной эффективности экранирования.
Используйте металлические экранирующие корпуса, где защита от электромагнитных помех (EMI) имеет решающее значение.
Внедрите покрытие кромок для повышения эффективности экранирования и надежных электрических соединений.
Моделирование:
Проведите комплексное 3D-электромагнитное (ЭМ) и SPICE-моделирование для проверки производительности конструкции.
Смоделируйте всю плату, включая активные устройства, для захвата реальных взаимодействий.
Выполните анализ допусков наихудшего случая, чтобы обеспечить надежность в изменяющихся условиях.
Проверьте характеристики импеданса, потери сигнала и частотные характеристики на соответствие спецификациям конструкции.
Перед изготовлением отрегулируйте конструкцию на основе результатов моделирования для оптимизации производительности.
Выбор материалов:
Выберите материалы на основе конкретных требований к диэлектрической проницаемости (Dk) и тангенсу угла потерь (Df).
Выбирайте материалы с жесткими допусками на диэлектрические проницаемости, чтобы обеспечить предсказуемую производительность.
Подтвердите стабильность Dk и Df в диапазонах частот, чтобы сохранить целостность сигнала.
Оцените характеристики поглощения влаги и температуру стеклования (Tg) для надежности.
Приобретайте сертифицированные ламинаты у надежных поставщиков, чтобы гарантировать однородность и качество материала.
Материалы подложки СВЧ для печатных плат ВЧ
Rogers Corporation Rogers Corporation занимает лидирующие позиции в производстве высокочастотных печатных материалов, обслуживая аэрокосмическую, оборонную, автомобильную радарную и беспроводную связь. Основные микроволновые ламинаты от Rogers включают:
RO3003TM — ПТФЭ-подложка, заполненная стеклянным микроволокном, с низкой диэлектрической проницаемостью (Dk) и коэффициентом рассеяния (Df).
RO4350BTM — Армированный стеклом ламинат с керамическим наполнителем, известный высокой диэлектрической проницаемостью.
RT/duroid® 6002 — ПТФЭ-материал с керамическим наполнителем, обеспечивающий точные допуски Dk и Df.
RO4835TM — Армированный стеклом ламинат с керамическим наполнителем.
TMM® 10i — Армированный стеклом ламинат с керамическим наполнителем.
Taconic Taconic производит широкий ассортимент радиочастотных ламинатов, включая:
TLY-5TM — Термореактивный ламинат с низкими потерями, идеально подходящий для аналоговых схем.
TLC-30TM – Композит ПТФЭ с низким Dk стеклянным микроволокном.
RF-35TM – Керамический наполненный ПТФЭ материал, разработанный для широкополосных приложений.
RF-60TM – Тонкопленочный керамический наполненный фторполимерный ламинат.
TacPreg® – Термореактивные препреги с низкими потерями, доступные с различными значениями Dk.
Isola Isola предлагает передовые ламинаты с медным покрытием, в том числе:
IS680 – Армированный стекловолокном ламинат с низким Dk.
FR408HR – Высокопроизводительный FR-4 со строгими диэлектрическими допусками.
P96 – Высокопрочный материал FR4.
Getek® – Фторполимерные подложки, армированные стеклянным микроволокном.
ISOLA Astra MT77 – Композитный материал, разработанный для широкополосных приложений.
Arlon Arlon специализируется на высокопроизводительных ламинатах для микроволновых и терморегулирующих нужд:
CLTE-XT – Углеводородный керамический ламинат с низким Dk, армированный стекловолокном.
CLTE-AT – Композитный материал из ПТФЭ, армированный стеклом.
55NT – Экономичный плетеный ламинат, армированный стеклом.
25N – Не ПТФЭ, термореактивная микроволновая подложка.
Park Electrochemical Park Electrochemical предлагает ламинаты NelsonicTM RF/СВЧ, в том числе:
N9000-13EP – Прецизионная плетеная подложка, армированная стеклом.
N9000-13SI – Наполненный керамический ПТФЭ-композитный материал.
N9120-4 – Высокочастотный ламинат с термопластичным армированием PPS.
Соображения по изготовлению и сборке
Изготовление печатных плат RF требует специальных знаний и тщательного соблюдения процессов, обеспечивающих контролируемое сопротивление, жесткие допуски, точную отделку поверхности и максимальную надежность.
Основные рекомендации по изготовлению и сборке печатных плат RF:
Допуск на сопротивление: поддерживайте строгие уровни допуска ±5% или выше.
Стандарты проверки: используйте испытательные стенды IPC для проверки соответствия отраслевым стандартам.
Контролируемая среда: реализуйте контролируемые условия температуры и влажности на протяжении всего процесса изготовления.
Характеристики материалов: подтвердите шероховатость поверхности, толщину меди и диэлектрические значения в соответствии со строгими спецификациями.
Использование связующего слоя: используйте материалы внутреннего слоя связующего слоя с контролируемым сопротивлением для обеспечения стабильной производительности.
Последовательное ламинирование: выполняйте последовательные процессы ламинирования для обеспечения целостности соединения слоев.
Проверка качества: реализуйте строгие протоколы проверки для проверки качества материалов и соблюдения процесса.
Гарантия качества покрытия: обеспечьте высококачественное покрытие, включая проверку поверхности, стенок отверстий и заполнения переходных отверстий.
Автоматизированный оптический контроль (AOI): используйте системы AOI для точного обнаружения и проверки дефектов.
Электрические испытания: проводите тщательное электрическое тестирование, например, рефлектометрию во временной области (TDR), для проверки целостности сигнала.
Проектирование приспособлений и оснастки: разрабатывайте и используйте приспособления и оснастки для упрощения повторяемых и точных процессов сборки.
Термическое профилирование: выполняйте термическое профилирование во время процессов пайки для оптимизации надежности и производительности.
Испытания на удары и вибрацию: проводите комплексные испытания на удары и вибрацию для проверки надежности сборки в условиях эксплуатации.
Заключение
Проектирование и производство РЧ-печатных плат для беспроводных и микроволновых приложений требует точного соблюдения правил проектирования, тщательного выбора материалов, передовых инструментов моделирования и специализированных производственных процессов. В этом всеобъемлющем руководстве изложены лучшие практики в таких критических областях, как конфигурация стека, оптимизация компоновки, методы заземления, управление слоями, реализация экранирования, методологии моделирования, оценка материалов и процедуры изготовления, имеющие решающее значение для разработки высокочастотных печатных плат. Сравнение популярных микроволновых ламинированных материалов от ведущих поставщиков еще больше расширяет понимание пригодности материалов. Следуя этим устоявшимся стратегиям, инженеры-проектировщики РЧ могут добиться исключительной целостности сигнала и обеспечить надежную работу в беспроводной связи, радиолокационных системах и других высокочастотных приложениях.