PCB ความถี่สูง: การผลิต, การออกแบบ, และการปรับปรุงผลงาน RF

รูปภาพที่สร้างขึ้นโดยลูกค้า

PCBs ความถี่สูงที่กําหนดว่าเป็นบอร์ดที่จัดการสัญญาณมากกว่า 1GHz เป็นกระดูกสันหลังของเทคโนโลยีไร้สายที่ทันสมัยทําให้ทุกอย่างสามารถใช้ได้ ตั้งแต่เครือข่าย 5G และการสื่อสารทางดาวเทียม ถึงระบบราดาร์และอุปกรณ์ IoTไม่เหมือนกับ PCB แบบมาตรฐาน ที่ให้ความสําคัญกับค่าใช้จ่ายและฟังก์ชันพื้นฐาน การออกแบบความถี่สูง ต้องการการควบคุมความสมบูรณ์แบบของสัญญาณแม้แต่ความบกพร่องเล็ก ๆ น้อย ๆ ของการออกแบบหรือความผิดพลาดในการผลิต อาจทําให้สัญญาณอ่อนแอหลักการนี้ศึกษาหลักการการออกแบบที่สําคัญ เทคนิคการผลิตและการเลือกวัสดุที่ทําให้ PCBs ความถี่สูงให้ผลงาน RF (รังสีถี่) ที่น่าเชื่อถือ, รวมถึงการใช้งานในโลกจริงและการวิเคราะห์เปรียบเทียบเพื่อแนะนํานักวิศวกรและผู้ผลิต

อะไร ทํา ให้ PCBs ความ อัตรา อัตรา สูง เป็น พิเศษ?
สัญญาณความถี่สูง (1GHz+) มีพฤติกรรมที่แตกต่างจากตัวแทนความถี่ต่ําของพวกเขา นําเสนอปัญหาพิเศษที่สร้างการออกแบบและการผลิต PCB:
1อิทธิพลผิวหนัง: ในความถี่สูง อิเล็กตรอนไหลผ่านพื้นผิวของรอยทองแดง (ภายใน 1 ‰ 5μm ของพื้นผิว) เพิ่มความต้านทานที่มีประสิทธิภาพนี้ต้องการพื้นผิวทองแดงเรียบ เพื่อลดการสูญเสียให้น้อยที่สุด.
2การลดความแรงของสัญญาณ: สัญญาณความถี่สูงจะสูญเสียความแข็งแรงในขณะที่มันเดินทาง โดยการสูญเสียจะเพิ่มขึ้นอย่างเร่งขันกับความถี่ เช่นสัญญาณ 60GHz เสีย ~ 50% ของพลังงานของมันมากกว่า 10 นิ้วใน FR-4 มาตรฐานเมื่อเทียบกับ 10% ที่ 1GHz
3ความรู้สึกต่ออัมพาต: การรักษาอัมพาตลักษณะที่คงที่ (โดยทั่วไป 50Ω สําหรับ RF) เป็นสิ่งสําคัญในการป้องกันการสะท้อนสัญญาณความไม่ตรงกันของอุปสรรค 10% อาจทําให้การสะท้อน 1% เป็นปัญหาที่สําคัญในระบบอัตราการส่งข้อมูลสูง.
4.Crosstalk และ EMI: สัญญาณความถี่สูงออกรังสีพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า, การแทรกแซงกับร่องรอยที่อยู่ใกล้เคียง (crosstalk) และองค์ประกอบอื่น ๆ (EMI)
ความท้าทายเหล่านี้ต้องการวัสดุพิเศษ ความอดทนที่เข้มข้น และเทคนิคการออกแบบที่ทันสมัย ที่ไม่จําเป็นสําหรับ PCB ความถี่ต่ํา

หลักการออกแบบหลักสําหรับ PCB ความถี่สูง
การออกแบบ PCB ความถี่สูงต้องเน้นการลดการสูญเสียให้น้อยที่สุด, การควบคุมอุปสรรค, และการลดการรบกวน. หลักการต่อไปนี้เป็นพื้นฐาน:
1การควบคุมความคับค้าน
อุปทาน (Z0) ได้กําหนดโดยความกว้างของร่องรอย ความหนาของสับสราท และสม่ําเสมอของไดเอเลคทริก (Dk) สําหรับการใช้งาน RF:
a. ความอัดอัดลักษณะ: เป้าหมาย 50Ω สําหรับวงจร RF ส่วนใหญ่ (75Ω สําหรับวิดีโอ, 100Ω สําหรับคู่ความแตกต่าง)
b.ความอดทน: การรักษาอุปสรรคภายใน ± 5% ของเป้าหมายเพื่อลดการสะท้อนให้น้อยที่สุด
c. เครื่องมือ: ใช้เครื่องแก้สนาม 3 มิติ (เช่น Ansys HFSS) เพื่อจําลองความคับคาย, คิดถึงกณิตศาสตร์รอยและคุณสมบัติของเยื่อ.

2- ติดตามเส้นทาง
a. Short, Direct Paths: ลดความยาวของร่องรอยให้น้อยลงเพื่อลดความอ่อนแอ.ร่องรอย 1 นิ้วที่ 28GHz จะสูญเสีย ~ 0.5dB ในพื้นฐานที่สูญเสียน้อย
b. กณิตศาสตร์ที่สม่ําเสมอ: หลีกเลี่ยงการบิด, ช่องทาง, หรือการเปลี่ยนแปลงความกว้างอย่างฉับพลัน, ซึ่งทําให้ความผิดต่อเนื่องของอุปสรรค. ใช้มุม 45 ° แทน 90 ° เพื่อลดการสะท้อน.
c. ระดับพื้นดิน: วางระดับพื้นดินต่อเนื่องตรงใต้ร่องรอย RF เพื่อให้มีเส้นทางการกลับที่มีความขัดต่ําและป้องกันการแทรกแซง
แนวปฏิบัติที่ดีที่สุด: นําร่องรอยความถี่สูงไปบนชั้นบน โดยมีระดับพื้นที่ที่ตั้งไว้ตรงด้านล่าง โดยแยกกันด้วยแบบดียิเลคทริกบาง (0.2~0.5 มม.) เพื่อการเชื่อมแน่น

3ผ่านการออกแบบ
ช่องทาง (โดยเฉพาะช่องทางผ่านหลุม) สะกดอุปสรรคและทําให้สัญญาณสะท้อนที่ความถี่สูง
a.Microvias: ใช้ไมโครวิอาที่ตาบอด/ฝังไว้ (กว้าง ≤0.15mm) เพื่อลดความยาวของ stub (ส่วนที่ไม่ได้ใช้ของทาง) เป็นอย่างน้อย. stub <0.5mm ลดการสูญเสียที่ 60GHz 30% เมื่อเทียบกับ stub 2mm
b.Via Shielding: รอบรอบช่องทางด้วยช่องทางพื้นดิน (ช่องทางที่เย็บ) เพื่อยับยั้งรังสีและลดเสียงข้าม
c.Anti-Pad Optimization: ขนาดของ anti-pads (ความสะอาดรอบ vias ในระดับพื้น) เพื่อรักษาความต่อเนื่องของ impedance

4. การจัดตั้งองค์ประกอบ
a. กลุ่มส่วนประกอบ RF: เครื่องขยายเสียง, เครื่องผสมและแอนเทนนาเพื่อลดความยาวของร่องรอยระหว่างพวกมันให้น้อยที่สุด
b.แยกส่วนแอนาล็อกและดิจิตอล: การแยกวงจร RF ความถี่สูงจากโลจิกดิจิตอลเพื่อป้องกัน EMI ใช้ระดับพื้นที่แยกด้วยสะพานเชื่อมต่อในจุดเดียว
c. หลีกเลี่ยงแหล่งเสียง: ให้เก็บเครื่องจําหน่ายพลังงาน เครื่องหมุนและรอยกระแสไฟฟ้าระดับสูงให้ห่างจากเส้นทาง RF เพื่อลดการรบกวน

วัสดุสําคัญสําหรับ PCB ความถี่สูง
การเลือกวัสดุเป็นปัจจัยที่สําคัญที่สุดในการทํางานของ PCB ความถี่สูง เนื่องจากคุณสมบัติแบบดียิเลคทริกมีผลต่อการสูญเสียและความสมบูรณ์แบบของสัญญาณโดยตรง
1วัสดุพื้นฐาน

คะแนนหลัก:
ความมั่นคงของ Dk: Dk ต่ํา (3.0 ∼3.5) ลดความช้าของสัญญาณให้น้อยที่สุด; Dk ที่มั่นคงตลอดอุณหภูมิ (± 0.05) รับประกันความคืบหน้าที่คงที่
Df (ตัวประกอบการระบาย): Df ต่ํากว่าลดการสูญเสียไฟฟ้าดิจิเลคทริก ในระดับ 28GHz Df 0.002 (RO4350B) ส่งผลให้มีการสูญเสียน้อยกว่า Df 0.004 (Megtron 6) 50%

2โฟลยทองแดง
a.ความหยาบคายบนผิว: ทองแดงเรียบ (Rz < 1μm) ลดการสูญเสียผลผิวหนัง ทองแดงที่มีโปรไฟล์ต่ํามาก (VLP) (Rz 0.3 ∼ 0.8μm) เหมาะสําหรับ > 28GHz
b.ความหนา: 0.5 หนา 1 oz (17 หนา 35 μm) สมดุลการนําและผลกระทบผิวหนัง ทองแดงหนากว่าไม่ให้ประโยชน์ที่ความถี่สูงเพราะผลกระทบผิวหนัง
c. Annealing: ทองแดง annealed กลั่นเพิ่มความยืดหยุ่นสําหรับการออกแบบโค้ง (เช่นแอนเทนนา) โดยไม่เพิ่มการสูญเสีย

3ผ้าปูและผ้าคลุม
a. ผสมผสม: ใช้ผสมผสมผสมผสมผสมผสมผสมบาง (1020μm) ที่มี Dk ต่ํา (ตัวอย่างเช่นภาพถ่ายของของเหลว) เพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่ม Dk ที่มีประสิทธิภาพ
b.Coverlay (Flex PCBs): Polyimide coverlay ที่มี Dk <3.0 ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในการออกแบบความถี่สูงที่ยืดหยุ่น

เทคนิคการผลิต PCB ความถี่สูง
PCB ความถี่สูงต้องการความอดทนที่เข้มข้นและกระบวนการเฉพาะเพื่อรักษาผลงาน:
1. การถักขีดความละเอียด
a.ความอดทนในการขีด: การควบคุมความกว้างของรอย ± 0.01 มม. เพื่อรักษาความคืบหน้า.
b.การลดลดลดลด: ใช้เคมีที่มีปัจจัยการขีดต่ําเพื่อลดลดลด (ความแตกต่างระหว่างความกว้างของร่องรอยด้านบนและด้านล่าง) เพื่อรับประกันความคืบหน้าที่คงที่

2การเจาะ
a.การเจาะไมโครวีอา: การเจาะเลเซอร์ (เลเซอร์ UV หรือ CO2) สร้างไมโครวีอา 0.05 ∼ 0.15 มม. ด้วยความแม่นยําตําแหน่ง ± 2μm ซึ่งสําคัญสําหรับการออกแบบ RF ความหนาแน่นสูง
b. การเจาะรู: ใช้เจาะคาร์ไบด์ที่มีมุมจุด 118 ° เพื่อลดการเคลือบผงยางให้น้อยที่สุด ซึ่งสามารถเพิ่มการสูญเสียถ้าไม่ถอนออกไป

3. การเลมิน
a. การควบคุมอุณหภูมิและความดัน: แลมเนตต้องผูกกับความดัน (20 ∼30 kgf / cm2) และอุณหภูมิ (180 ∼ 220 °C) ที่แม่นยําเพื่อให้ความหนาแบบแบบเดียวกัน (± 5 μm)
b. การป้องกันความว่าง: การเคลือบกระดาษด้วยระยะว่างจะกําจัด Bubbles ของอากาศ ซึ่งทําให้เกิดการเปลี่ยนแปลง Dk และการสูญเสียสัญญาณ

4การทดสอบและตรวจสอบ
a. Time-Domain Reflectometry (TDR): วัดความไม่ต่อเนื่องของ impedance ทั่ว PCB โดยระบุปัญหา เช่น การเปลี่ยนแปลงความกว้างของร่องรอยหรือผ่าน stubs
b. การทดสอบเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย: บันทึกลักษณะการสูญเสียการใส่ (S21) และการสูญเสียการกลับ (S11) ถึง 100GHz เพื่อตรวจสอบผลการทํางาน
c. การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์: การตรวจสอบคุณภาพของส่วนประกอบ BGA / RFIC ผ่านการจัดสรรและการผสมผสาน

การใช้งาน: PCBs ความถี่สูงในการกระทํา
PCB ความถี่สูงทําให้สามารถใช้เทคโนโลยีที่ล้ําหน้าได้หลายอย่าง แต่ละอย่างมีความต้องการที่แตกต่างกัน
1. โครงสร้างพื้นฐาน 5G
a. สถานีเบส: แอรรี่คลื่น mmWave 28GHz และ 39GHz ใช้พื้นฐาน RO4350B ที่มีความหนาแบบ dielectric 0.5mm เพื่อลดการสูญเสียให้น้อยที่สุด
b.เซลล์ขนาดเล็ก: เซลล์ขนาดเล็ก 5G ที่คอมแพคต์พึ่งพา FR-4 (Megtron 6) ที่มี Tg สูง เพื่อประสิทธิภาพในด้านค่าใช้จ่ายในช่วงความถี่ต่ํากว่า 6 GHz
c.ความต้องการ: ความสูญเสียการใส่ <0.3dB ต่ออินช์ที่ 28GHz; ความอดทนต่ออุปสรรค ± 3%

2การบินและอวกาศและการป้องกัน
a. ระบบราดาร์: ราดาร์รถยนต์ 77GHz และราดาร์ทหาร 100GHz ใช้พื้นฐาน PTFE (RT/duroid 5880) เพื่อการสูญเสียอย่างน้อย
b. การสื่อสารผ่านดาวเทียม: เครื่องรับสัญญาณในช่วง Ka (26.5 ∼ 40GHz) ต้องการวัสดุที่แข็งแรงต่อรังสีที่มี Dk ที่มั่นคงมากกว่า -55 °C ถึง 125 °C

3อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค
a.สมาร์ทโฟน: สมาร์ทโฟน 5G รวม PCBs FR-4 และ LCP (พอลิมเมอร์คริสตัลเหลว) สําหรับแอนเทนเนสใต้ 6GHz และ mmWave เพื่อสมดุลค่าใช้จ่ายและผลงาน
b.Wi-Fi 6E: รูเตอร์ Wi-Fi ขนาด 6GHz ใช้ FR-4 Tg สูง พร้อม microvias เพื่อรองรับการออกแบบ MIMO หลายแอนเทนนา

4อุปกรณ์การแพทย์
a.MRI Coils: สายคลื่น MRI ความถี่สูง (64MHz) ใช้สับสราตที่มี Dk ต่ํา เพื่อลดการขัดแย้งสัญญาณให้น้อยที่สุดและปรับปรุงคุณภาพภาพภาพ
b.เซ็นเซอร์ไร้สาย: เครื่องตรวจสอบสุขภาพที่สามารถสวมใส่ได้ใช้ PCB LCP ที่ยืดหยุ่นสําหรับการเชื่อมต่อ Bluetooth 2.4GHz ซึ่งรวมความเหมาะสมกับการสูญเสียน้อย

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: PCB ความถี่สูงกับ PCB มาตรฐาน

แนวโน้มในอนาคตในเทคโนโลยี PCB ความถี่สูง
ความก้าวหน้าในวัสดุและการออกแบบ กําลังผลักดันผลงาน PCB ความถี่สูงต่อไป
1สับสราทที่เสริมพลังงานจากกราฟีน: เครื่องดัดไฟฟ้าที่มีกราฟีนที่มี Dk <2.0 และ Df <0.001 กําลังถูกพัฒนา โดยเป้าหมายการใช้งาน 100+ GHz
2การผลิตสารเสริม: โครงสร้าง RF ที่พิมพ์ 3 มิติ (ตัวอย่างเช่น แอนเทนนา, คู่นําคลื่น) ที่บูรณาการกับ PCB ลดการสูญเสียและปรับปรุงการบูรณาการ
3.AI-Driven Design: เครื่องมือการเรียนรู้เครื่องยนต์ปรับปรุงการเดินเส้นทางและการเลือกวัสดุ, ลดเวลาการออกแบบถึง 40% ในขณะที่ปรับปรุงผลงาน

FAQ
คําถาม: ความถี่สูงสุดที่ PCB สามารถรับรองได้คืออะไร?
ตอบ: PCB ความถี่สูงปัจจุบันรองรับได้อย่างน่าเชื่อถือถึง 100GHz โดยใช้พื้นฐาน PTFE การวิจัยกําลังดําเนินการเพื่อขยายความถี่นี้ไปยัง terahertz ด้วยวัสดุใหม่

Q: สามารถใช้ FR-4 มาตรฐานสําหรับการออกแบบความถี่สูง?
A: FR-4 มาตรฐานจํากัด <1GHz เนื่องจากความแตกต่าง Df และ Dk ที่สูง FR-4 ที่มีความก้าวหน้าสูง (เช่น Megtron 6) ทํางานถึง 10GHz สําหรับการใช้งานที่มีความรู้สึกต่อค่าใช้จ่าย

คําถาม: อุณหภูมิส่งผลต่อผลงานของ PCB ความถี่สูงอย่างไร?
ตอบ: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงพื้นฐาน Dk (โดยทั่วไป + 0.02 ต่อ 10 ° C) ซึ่งส่งผลต่อความคับคาย. ใช้พื้นฐานที่มีความมั่นคงต่ออุณหภูมิ (เช่น RO4350B) สําหรับช่วงการทํางานที่กว้าง

Q: ความแตกต่างในราคาระหว่าง PCB ความถี่สูงและ PCB มาตรฐานคืออะไร?
ตอบ: PCB ความถี่สูงมีราคาสูงกว่า 2 หน า 5 เท่า เนื่องจากวัสดุเฉพาะ (เช่น PTFE) ความอดทนที่เข้มข้นและการทดสอบที่ก้าวหน้า

ถาม: PCB ที่ยืดหยุ่นเหมาะกับความถี่สูงไหม?
ตอบ: ครับ PCBs แบบยืดหยุ่น LCP (พอลิเมอร์คริสตัลเหลว) รองรับความเร็วสูงถึง 60GHz ด้วยความสูญเสียน้อย ทําให้มันเหมาะสําหรับแอนเทนน่าโค้งและอุปกรณ์ที่ใส่ได้

สรุป
PCBs ความถี่สูง เป็นตัวช่วยสําคัญของเทคโนโลยีไร้สายรุ่นต่อไป ซึ่งต้องการการผสมผสานความละเอียดของการออกแบบ ความละเอียด วิทยาศาสตร์วัสดุ และความเชี่ยวชาญในการผลิตโดยให้ความสําคัญกับการควบคุมอุปมาโดยลดการสูญเสียให้น้อยที่สุด ผ่านวัสดุที่มี Dk/Df ต่ํา และใช้เทคนิคการผลิตที่ทันสมัย วิศวกรสามารถสร้าง PCB ที่สามารถให้ผลงานที่น่าเชื่อถือได้ในระดับ 1GHz และมากกว่า
ไม่ว่าจะเป็นสําหรับสถานีฐาน 5G ระบบราดาร์ หรืออุปกรณ์การแพทย์ สิ่งสําคัญคือการให้ความเหมาะสมของวัสดุและการเลือกการออกแบบกับความถี่ ค่าใช้จ่าย และความต้องการสิ่งแวดล้อมของการใช้งานในขณะที่เทคโนโลยีไร้สายยังคงผลักดันไปสู่ความถี่ที่สูงขึ้น (6G), terahertz) นวัตกรรม PCB ความถี่สูงจะยังคงเป็นรากฐานของการก้าวหน้า

ข้อมูลสําคัญ: PCB ความถี่สูง ไม่ใช่แค่รุ่นที่เร็วกว่าของ PCB มาตรฐานและผ่านการออกแบบเพื่อรักษาความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ ภายใต้ความท้าทายความถี่สูง.