Hvad er højfrekvente printkort (PCB'er)?

Hvad er et højfrekvent printkort?

Højfrekvente printkort henvise til Trykte kredsløb specielt designet til at håndtere højfrekvente signaler (typisk frekvenser over 300 MHz eller bølgelængder under 1 meter). I praktiske anvendelser kategoriseres printkort, der fungerer over 1 GHz, ofte eksplicit som højfrekvente printkort.

Betydningen af højfrekvente printkort

Med den hurtige udvikling inden for banebrydende teknologier som 5G-kommunikation, millimeterbølgeradar, satellitkommunikation og autonom kørsel har efterspørgslen efter højfrekvente printkort oplevet en eksplosiv vækst. Brancherapporter forudsiger, at Kinas marked for højfrekvente printkort vil nå op på 45 milliarder yuan i 2025 med en samlet årlig vækstrate på 8,5 %. Disse printkort fungerer som vigtige grundlæggende komponenter, der sikrer højfrekvent signalintegritet og transmissionseffektivitet.

Typer og materialeklassificering af højfrekvente printkort

1. Klassificering efter materiale:

• Organiske materialer: Herunder polytetrafluorethylen (PTFE), epoxyharpiks/glasfiberkompositter (såsom FR-4), BT/epoxyharpiks, polyimid osv. PTFE og dets modificerede materialer udviser en fremragende lav dielektrisk konstant (Dk typisk i området 2,2 til 2,6) og lavt dielektrisk tab (Df så lavt som 0,0009), hvilket gør dem ideelle til højfrekvente applikationer.
• Uorganiske materialer: F.eks. keramiske substrater (aluminiumoxid, aluminiumnitrid osv.), aluminiumsbaserede plader og kobberbaserede plader, primært udnytter deres fremragende termiske stabilitet og varmeafledningsegenskaber.

2. Klassificering efter struktur:

• Enkelt-sidede tavler
• Dobbeltsidede tavler
• Flerlagsplader (ofte designet med 6 eller flere lag i højfrekvente applikationer)

3. Klassificering efter fleksibilitet:

• Stive PCB'er
• Fleksible printkort
• Stiv-flex PCB'er

Fordele og egenskaber ved højfrekvente printkort

1. Elektriske ydeevnefordele:

• Lavt signaltab: Anvendelsen af materialer med lav Dk og lav Df reducerer energitabet under signaloverførslen betydeligt.
• Høj signalintegritet: Fremragende impedanskontrol sikrer stabil signaltransmission og reducerer refleksion og forvrængning.
• Kort transmissionsforsinkelse: Hurtig signaludbredelseshastighed, velegnet til højhastighedsdatatransmission.

2. Fysiske egenskaber Fordele:

• Fremragende termisk stabilitet: Høj glasovergangstemperatur (Tg) og lav termisk ekspansionskoefficient (CTE).
• Lav fugtabsorption: Opretholder stabil elektrisk ydeevne selv i fugtige omgivelser.
• Høj pålidelighed: Velegnet til langvarig drift i barske miljøer.

3. Designfordele:

• Fremragende elektromagnetisk kompatibilitet (EMC): Undertrykker effektivt elektromagnetisk interferens (EMI) gennem omhyggeligt design.
• Fleksibel impedanskontrol: Enables precise impedance matching (typically 50Ω or 75Ω).

Fremstillingsprocesser og kerneteknologier for højfrekvente printkort

1. Forberedelse og forbehandling af materiale:

• Speciel højfrekvent materialebehandling (f.eks. plasmabehandling eller natriumnaftalenaktivering af PTFE-materialer for at forbedre vedhæftningen).
• Streng kontrol af opbevaringsmiljøet (temperatur- og fugtighedskontrol).

2. Præcisionsbehandlingsteknologi:

• Boreteknologi: Brug af nye borekroner kombineret med aluminiumsdæksler og melaminbagplader for at sikre hulvæggens kvalitet.
• Kredsløbsdannelse: Adoption of micron-level etching technology to control line width accuracy within ±10μm.
• Lamineringsproces: Strict control of layer-to-layer alignment tolerance within ±75μm for multilayer boards.

3. Overfladebehandling og belægning:

• Elektrolysefri kobberbelægning og kobbergalvanisering: Sikrer kvaliteten af hulmetallisering.
• Loddemaske-behandling: Brug syreholdig rengøring i stedet for mekanisk slibning for at undgå at beskadige underlaget.
• Overfladebehandling: Valg af overfladebehandlingsmetoder, der er egnede til højfrekvente anvendelser (f.eks. ENIG, nedsænkningssølv osv.).

4. Kvalitetskontrol og testning:

• Impedanstest: Sikrer nøjagtigheden af impedanskontrollen.
• Kontinuitetstest: Sørg for, at kredsløbet er tilsluttet.
• Højfrekvent ydelsestest: Kontroller ydelsen ved faktiske applikationsfrekvenser.

Anvendelsesscenarier og udvælgelsesretningslinjer for højfrekvente printkort

Hvornår skal man vælge højfrekvente printkort:

1. Krav til transmission af højfrekvente signaler: Når kredsløbssignalfrekvenser overstiger 300 MHz (især når de når 1 GHz eller derover), kan konventionelle FR-4-materialer ikke længere opfylde kravene til transmission med lavt tab.
2. Højhastigheds digitale kredsløbsapplikationer: Digitale systemer med datatransmissionshastigheder på over 10 Gb/s (f.eks. servere, switche, optiske moduler osv.) kræver kontrol af signalintegriteten og reduceret jitter.
3. RF- og mikrobølgeanvendelser: Områder, der kræver RF-signalbehandling, såsom trådløse kommunikationssystemer (5G-basestationer, millimeterbølgeanordninger), radarsystemer og satellitkommunikationsudstyr.
4. Krav til præcis impedanskontrol: When circuits demand strict impedance control (tolerance less than ±5%), high-frequency PCBs provide more stable dielectric constant characteristics.
5. Scenarier med lavt signaltab: Anvendelser, der kræver minimeret signaldæmpning, såsom langdistanceoverførsel eller højfølsomme modtagersystemer.
6. Krav til temperaturstabilitet: Anvendelser, hvor driftstemperaturen varierer betydeligt, og højfrekvente materialer kan give en mere stabil elektrisk ydeevne.
7. Krav til højfrekvent elektromagnetisk kompatibilitet: Avancerede applikationer, der kræver streng kontrol af elektromagnetisk interferens og signalintegritet, såsom medicinsk udstyr og testmåleinstrumenter.

Faktorer, der skal overvejes ved valg af højfrekvente printkort:

1. Frekvensområde: Vælg passende materialer baseret på den faktiske driftsfrekvens.
   • 1-10 GHz: Højfrekvente materialer med middel ydeevne (f.eks. RO4350B).
   • 10-30 GHz: Højtydende PTFE-baserede materialer (f.eks. RO3003-serien).
   • Over 30 GHz: Keramiske materialer med ultralavt tab anbefales.
2. Tabskrav:
   • Generelle anvendelser: Df-værdi < 0,005.
   • Højtydende applikationer: Df-værdi < 0,002.
   • Banebrydende anvendelser: Df-værdi < 0,001.
3. Omkostningsbudget:
   • Omkostningsfølsomme applikationer: Modificeret FR-4 eller billige højfrekvente kompositmaterialer.
   • Præstationsprioriterede applikationer: PTFE-baserede high-end materialer.
   • Ekstreme ydelseskrav: Keramiske substrater eller specialtilpassede materialer.
4. Processens gennemførlighed:
   • Overvej materialernes bearbejdelighed, herunder tilpasningsevne til boring, plettering, lodning og andre processer.
   • Evaluer producentens erfaring og tekniske kompetencer med sådanne materialer.
5. Krav til pålidelighed:
   • Kommercielle applikationer: Standard højfrekvente materialer.
   • Industriel/automotive-kvalitet: Forbedrede højfrekvente materialer.
   • Militær/rumfartskvalitet: Specielle højfrekvente materialer.

Designovervejelser for højfrekvente printkort

• Transmissionsledningsdesign:

• Brug så vidt muligt korte og lige spor og minimer bøjninger.
• Replace right-angle bends with 45° or rounded corners.
• Strictly control impedance matching, typically within a tolerance of ±10%.

• Stack-Up Design:

• Planlæg signal-, strøm- og jordlag på en fornuftig måde.
• Placer højfrekvente signaler på indre lag tæt på jordplanet.
• Brug flerpunkts jordforbindelse og jordlagssegmenteringsteknikker.

• Komponentlayout:

• Placer afkoblingskondensatorer så tæt som muligt på chipens strømstik.
• Isoler emissionskilder fra følsomme komponenter på passende vis.
• Overvej behovet for termisk styring og placér varmeelementerne på en fornuftig måde.

• Overvejelser om materialevalg:

• Vælg materialer med passende Dk- og Df-værdier baseret på frekvenskrav.
• Overvej koefficienten for termisk ekspansion.
• Evaluer materialernes bearbejdelighed og omkostningseffektivitet.

Anvendelsesområder for højfrekvente printkort

1. Kommunikationsinfrastruktur: 5G-basestationer, mikrobølgetransmissionsudstyr, satellitkommunikationssystemer.
2. Elektronik til biler: Millimeterbølgeradar (77 GHz), ADAS-systemer, kommunikationssystemer i køretøjer.
3. Luft- og rumfart og forsvar: Radarsystemer, elektronisk krigsføringsudstyr, satellitnyttelast.
4. Medicinsk udstyr: MR-systemer, CT-scannere og medicinske overvågningsudstyr.
5. Industriel og forbrugerelektronik: Højhastighedsnetværksudstyr, IoT-gateways, højfrekvente testinstrumenter.

Fremtidige udviklingstendenser

Med den omfattende kommercialisering af 5G og populariseringen af IoT-enheder udvikler højfrekvente printkort sig mod højere frekvenser, højere integration og lavere tab. Med hensyn til materialer bryder nye kompositmaterialer og keramiske substrater løbende præstationsgrænser; i fremstillingsprocesser forbedrer præcisionsbehandlingsteknologier såsom additive og semi-additive metoder linjens nøjagtighed og konsistens; i design optimerer samarbejdssimulering og AI-assisteret design præstationsforudsigelse og designeffektivitet for højfrekvente printkort.

Konklusion

Som en vigtig komponent i moderne elektronisk udstyr fremhæver højfrekvente printkort i stigende grad deres tekniske kompleksitet og anvendelsesmæssige betydning. Korrekt valg af højfrekvente printkortmaterialer, optimering af design og beherskelse af præcisionsfremstillingsprocesser er afgørende for at sikre ydeevnen af højfrekvente elektroniske systemer. Med den fortsatte teknologiske udvikling vil højfrekvente printkort fortsat drive teknologisk innovation inden for områder som kommunikation, bilindustri, medicin og rumfart, hvilket giver et solidt fundament for fremtidige højteknologiske applikationer.