Mitä ovat korkeataajuiset piirilevyt (PCB)?

Mikä on korkeataajuinen piirilevy?

Korkeataajuiset piirilevyt viitata painetut piirilevyt suunniteltu erityisesti käsittelemään korkeataajuisia signaaleja (tyypillisesti taajuudet yli 300 MHz tai aallonpituudet alle 1 metri). Käytännön sovelluksissa yli 1 GHz:n taajuudella toimivat piirilevyt luokitellaan usein nimenomaisesti korkeataajuisiksi piirilevyiksi.

Korkeataajuisten piirilevyjen merkitys

5G-viestinnän, millimetriaaltoradarin, satelliittiviestinnän ja autonomisen ajamisen kaltaisten huipputeknologioiden nopean kehityksen myötä korkeataajuisten piirilevyjen kysyntä on kasvanut räjähdysmäisesti.Teollisuuden raporttien mukaan Kiinan korkeataajuisten piirilevyjen markkinat saavuttavat 45 miljardin juanin arvon vuoteen 2025 mennessä, ja niiden vuotuinen kasvu on 8,5 %. Nämä piirilevyt ovat tärkeitä peruskomponentteja, jotka varmistavat korkeataajuisten signaalien eheyden ja siirron tehokkuuden.

Korkeataajuisten piirilevyjen tyypit ja materiaalien luokittelu

1. Luokittelu materiaalin mukaan:

• Orgaaniset materiaalit: Mukaan lukien polytetrafluorieteeni (PTFE), epoksihartsi/lasikuitukomposiitit (kuten FR-4), BT/epoksihartsi, polyimidi jne.PTFE ja sen modifioidut materiaalit ovat erinomaisia matalan dielektrisyysvakion (Dk tyypillisesti välillä 2,2–2,6) ja matalan dielektrisen häviön (Df jopa 0,0009) ansiosta, mikä tekee niistä ihanteellisia korkeataajuuksisiin sovelluksiin.
• Epäorgaaniset materiaalit: Kuten keraamiset substraatit (alumiinioksidi, alumiinitridi jne.), alumiinipohjaiset levyt ja kuparipohjaiset levyt, joissa hyödynnetään ensisijaisesti niiden erinomaista lämpöstabiilisuutta ja lämmönpoistokykyä.

2. Luokittelu rakenteen mukaan:

• Yksipuoliset levyt
• Kaksipuoliset levyt
• Monikerroksiset levyt (usein suunniteltu 6 tai useammalla kerroksella korkeataajuussovelluksiin)

3. Luokittelu joustavuuden mukaan:

• Jäykät PCB:t
• Joustavat PCB:t
• Jäykkä-joustavat PCB:t

Korkeataajuisten piirilevyjen edut ja ominaisuudet

1. Sähköisten suorituskykyjen edut:

• Pieni signaalihäviö: Matalan Dk- ja Df-arvon omaavien materiaalien käyttö vähentää merkittävästi energianhukkaa signaalin siirron aikana.
• Korkea signaalin eheys: Erinomainen impedanssin hallintaominaisuus takaa vakaan signaalinsiirron ja vähentää heijastuksia ja vääristymiä.
• Lyhyt lähetysviive: Nopea signaalin etenemisnopeus, sopii nopeaan tiedonsiirtoon.

2. Fyysiset ominaisuudet Edut:

• Erinomainen lämpöstabiilisuus: Korkea lasittumislämpötila (Tg) ja alhainen lämpölaajenemiskerroin (CTE).
• Alhainen kosteuden imeytyminen: Säilyttää vakaan sähköisen suorituskyvyn myös kosteissa ympäristöissä.
• Korkea luotettavuus: Sopii pitkäaikaiseen käyttöön vaativissa olosuhteissa.

3. Suunnittelun edut:

• Erinomainen sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC): Tehokkaasti vaimentaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) huolellisen suunnittelun ansiosta.
• Joustava impedanssin säätö: Mahdollistaa tarkan impedanssin sovituksen (tyypillisesti 50 Ω tai 75 Ω).

Korkeataajuisten piirilevyjen valmistusprosessit ja ydinteknologiat

1. Materiaalin valmistelu ja esikäsittely:

• Erityinen korkeataajuinen materiaalinkäsittely (esim. plasmakäsittely tai natriumnaftaleeniaktivointi PTFE-materiaaleille tarttuvuuden parantamiseksi).
• Varastointiolosuhteiden tiukka valvonta (lämpötilan ja kosteuden säätö).

2. Tarkka prosessointiteknologia:

• Poraustekniikka: Uusien poranterien käyttö yhdessä alumiinisten peitelevyjen ja melamiinipohjaisten taustalevyjen kanssa varmistaa reikien seinämien laadun.
• Piirin muodostuminen: Mikronitason etsaustekniikan käyttöönotto linjan leveyden tarkkuuden hallitsemiseksi ±10 μm:n tarkkuudella.
• Laminointiprosessi: Monikerroksisten levyjen kerrosten välisen kohdistustoleranssin tiukka valvonta ±75 μm:n tarkkuudella.

3. Pintakäsittely ja pinnoitus:

• Sähkötön kuparipinnoitus ja kuparin galvanointi: Varmista reikien metallisoinnin laatu.
• Juotosmaskin käsittely: Käytä happopuhdistusta mekaanisen hionnan sijaan, jotta alusta ei vahingoitu.
• Pintakäsittely: Valikoima pintakäsittelymenetelmiä, jotka soveltuvat korkeataajuuksisiin sovelluksiin (kuten ENIG, upotettu hopea jne.).

4. Laadunvalvonta ja testaus:

• Impedanssitestaus: Varmista impedanssin säätötarkkuus.
• Jatkuvuustestaus: Varmista piirien liitettävyys.
• Korkeataajuinen suorituskykytestaus: Varmista suorituskyky todellisilla sovellustaajuuksilla.

Sovellustilanteet ja valintaohjeet korkeataajuisille piirilevyille

Milloin valita korkeataajuiset piirilevyt:

1. Korkeataajuisten signaalien siirron vaatimukset: Kun piirien signaalitaajuudet ylittävät 300 MHz (erityisesti 1 GHz tai enemmän), perinteiset FR-4-materiaalit eivät enää täytä vähähäviöisen siirron vaatimuksia.
2. Nopeiden digitaalisten piirien sovellukset: Digitaaliset järjestelmät, joiden tiedonsiirtonopeus ylittää 10 Gb/s (kuten palvelimet, kytkimet, optiset moduulit jne.), edellyttävät signaalin eheyden hallintaa ja vähäisempää jitteriä.
3. RF- ja mikroaaltosovellukset: RF-signaalinkäsittelyä vaativat alat, kuten langattomat viestintäjärjestelmät (5G-tukiasemat, millimetriaaltolaitteet), tutkajärjestelmät ja satelliittiviestintälaitteet.
4. Tarkat impedanssin ohjausvaatimukset: Kun piirit vaativat tiukkaa impedanssin hallintaa (toleranssi alle ±5 %), korkeataajuiset piirilevyt tarjoavat vakaammat dielektrisyysvakio-ominaisuudet.
5. Heikon signaalin häviötilanteet: Sovellukset, joissa signaalin vaimennuksen on oltava mahdollisimman vähäistä, kuten pitkän matkan siirto tai herkät vastaanottojärjestelmät.
6. Lämpötilan vakauden vaatimukset: Sovellukset, joissa käyttöympäristön lämpötila vaihtelee merkittävästi ja korkeataajuiset materiaalit voivat tarjota vakaamman sähköisen suorituskyvyn.
7. Korkeataajuisten sähkömagneettisten yhteensopivuusvaatimukset: Korkealaatuiset sovellukset, jotka vaativat tiukkaa sähkömagneettisten häiriöiden ja signaalin eheyden hallintaa, kuten lääketieteelliset laitteet ja testaus- ja mittauslaitteet.

Korkeataajuisten piirilevyjen valinnassa huomioon otettavat tekijät:

1. Taajuusalue: Valitse sopivat materiaalit todellisen käyttötaajuuden perusteella.
   • 1–10 GHz: Keskitason suorituskykyiset korkeataajuusmateriaalit (esim. RO4350B).
   • 10–30 GHz: Suorituskykyiset PTFE-pohjaiset materiaalit (esim. RO3003-sarja).
   • Yli 30 GHz: Suosittelemme erittäin vähähäviöisiä keraamisia materiaaleja.
2. Tappiovaatimukset:
   • Yleiset sovellukset: Df-arvo < 0,005.
   • Suorituskykyiset sovellukset: Df-arvo < 0,002.
   • Huippuluokan sovellukset: Df-arvo < 0,001.
3. Kustannusarvio:
   • Kustannusherkät sovellukset: Modifioitu FR-4 tai edulliset korkeataajuiset komposiittimateriaalit.
   • Suorituskykyä vaativat sovellukset: PTFE-pohjaiset korkealaatuiset materiaalit.
   • Äärimmäiset suorituskykyvaatimukset: Keraamiset substraatit tai erityisesti räätälöidyt materiaalit.
4. Prosessin toteutettavuus:
   • Ota huomioon materiaalien työstettävyys, mukaan lukien sovellettavuus poraukseen, pinnoitukseen, juottamiseen ja muihin prosesseihin.
   • Arvioi valmistajan kokemus ja tekninen osaaminen kyseisten materiaalien osalta.
5. Luotettavuusvaatimukset:
   • Kaupalliset sovellukset: Tavalliset korkeataajuiset materiaalit.
   • Teollisuus-/autoteollisuusluokka: Parannetut korkeataajuusmateriaalit.
   • Sotilas-/ilmailu- ja avaruusteollisuuden taso: Erityiset korkeataajuiset materiaalit.

Suunnittelun huomioitavaa korkeataajuuksisissa piirilevyissä

• Siirtolinjan suunnittelu:

• Käytä mahdollisimman paljon lyhyitä ja suoria jälkiä ja minimoi mutkat.
• Korvaa suorakulmaiset mutkat 45°:n tai pyöristetyillä kulmilla.
• Tarkkaile impedanssin sovitusta tiukasti, tyypillisesti ±10 %:n toleranssilla.

• Stack-Up suunnittelu:

• Suunnittele signaali-, virta- ja maakerrokset järkevästi.
• Sijoita korkeataajuiset signaalit sisäkerroksiin lähelle maatasoa.
• Käytä monipisteistä maadoitusta ja maakerroksen segmentointitekniikoita.

• Komponenttien sijoittelu:

• Aseta irrotuskondensaattorit mahdollisimman lähelle sirun virtapinnit.
• Eristä päästölähteet asianmukaisesti herkistä komponenteista.
• Ota huomioon lämmönhallinnan tarpeet ja sijoita lämmityskomponentit järkevästi.

• Materiaalin valintaan liittyviä näkökohtia:

• Valitse materiaaleja, joiden Dk- ja Df-arvot ovat sopivat taajuusvaatimusten perusteella.
• Ota huomioon lämpölaajenemiskertoimen vastaavuus.
• Arvioi materiaalien prosessoitavuus ja kustannustehokkuus.

Korkeataajuisten piirilevyjen sovellusalueet

1. ViestintäinfrastruktuuriN/OFF): 5G-tukiasemat, mikroaaltolähetyslaitteet, satelliittiviestintäjärjestelmät.
2. Autoteollisuuden elektroniikka: Millimetriaaltoradar (77 GHz), ADAS-järjestelmät, ajoneuvon sisäiset viestintäjärjestelmät.
3. Ilmailu ja puolustus: Tutkajärjestelmät, elektronisen sodankäynnin laitteet, satelliittien hyötykuormat.
4. Lääkinnälliset laitteet: MRI-järjestelmät, CT-skannerit ja lääketieteelliset seurantalaitteet.
5. Teollisuus- ja kulutuselektroniikka: Nopeat verkkolaitteet, IoT-yhdyskäytävät, suurtaajuustestauslaitteet.

Tulevat kehityssuuntaukset

5G:n kattavan kaupallistamisen ja IoT-laitteiden yleistymisen myötä korkeataajuiset piirilevyt kehittyvät kohti korkeampia taajuuksia, suurempaa integraatiota ja pienempiä häviöitä.Materiaalien osalta uudet komposiittimateriaalit ja keraamiset substraatit rikkovat jatkuvasti suorituskyvyn rajoja; valmistusprosesseissa tarkkuusprosessointiteknologiat, kuten additiiviset ja puoliksi additiiviset menetelmät, parantavat linjan tarkkuutta ja yhdenmukaisuutta; suunnittelussa yhteistyösimuloinnit ja tekoälyavusteinen suunnittelu optimoivat korkeataajuisten piirilevyjen suorituskyvyn ennustettavuutta ja suunnittelun tehokkuutta.

Päätelmä

Nykyaikaisten elektroniikkalaitteiden avainkomponenttina korkeataajuiset piirilevyt korostavat yhä enemmän teknistä monimutkaisuuttaan ja sovellusten merkitystä. Korkeataajuisten piirilevyjen materiaalien oikea valinta, suunnittelun optimointi ja tarkkuusvalmistusprosessien hallinta ovat ratkaisevia tekijöitä korkeataajuisten elektroniikkajärjestelmien suorituskyvyn varmistamisessa. Teknologian jatkuvan kehityksen myötä korkeataajuiset piirilevyt jatkavat teknologisen innovaation edistämistä esimerkiksi viestinnän, autoteollisuuden, lääketieteen ja ilmailu- ja avaruusteollisuuden aloilla, tarjoten vankan perustan tulevaisuuden korkean teknologian sovelluksille.