Guia de conceção e esquematização de PCB de alta frequência

A placa PCB de alta frequência refere-se à frequência electromagnética das placas de circuito especiais mais elevadas para alta frequência (frequência superior a 300MHZ ou comprimento de onda inferior a 1 metro) e micro-ondas (frequência superior a 3GHZ ou comprimento de onda inferior a 0,1 metros) no domínio da PCB, está no substrato de micro-ondas placas laminadas revestidas a cobre na utilização de placas de circuito rígido comuns fabricadas utilizando alguns dos processos ou a utilização de métodos de tratamento especiais e a produção de placas de circuito.

PCB de alta frequência especificações de conceção do esquema e da cablagem

1. princípios de isolamento e ligação à terra

• Áreas de circuitos digitais e analógicos estritamente separadas
• Certifique-se de que todos os alinhamentos de RF têm uma referência completa de plano de terra.
• Dar prioridade ao alinhamento da camada de superfície para a transmissão do sinal RF

2.Cablagem Ordem de prioridade

Linhas de RF → linhas de interface RF de banda base (linhas IQ) → linhas de sinal de relógio → linhas de alimentação → circuitos digitais de banda base → rede de terra

3. especificação do tratamento de superfície

• Recomenda-se a utilização de uma placa única de alta frequência (>1GHz) para eliminar a cobertura de óleo verde na área da linha de microfita.
• Recomenda-se que a linha de microfita de placa única de baixa e média frequência mantenha a camada protetora de óleo verde

4.Especificação da cablagem cruzada

• Proibir estritamente a ligação cruzada de sinais digitais/analógicos.
• As linhas de radiofrequência e as linhas de sinalização devem ser respeitadas aquando do cruzamento:
  a) Opção preferida: adicionar uma camada de placa de terra isolada
  b) Segunda escolha: Manter os cruzamentos ortogonais de 90°.
• Requisitos de espaçamento entre linhas RF paralelas:
  a) Cablagem normal: Manter o espaçamento de 3W.
  b) Quando o paralelismo for necessário, inserir um plano de terra isolado e bem aterrado no centro.

5. processamento de sinais mistos

• São necessários duplexadores/misturadores e outros dispositivos multi-sinais:
  a) Os sinais RF/IF são encaminhados ortogonalmente.
  b) Barreira de terra isolada entre sinais

6. requisitos de integridade do alinhamento

• As extremidades salientes do alinhamento RF são estritamente proibidas.
• Manter a coerência da impedância caraterística da linha de transmissão

7.Vias Especificações de manuseamento

• Evitar, tanto quanto possível, mudar as camadas de alinhamento RF.
• Quando é necessária uma mudança de camada:
  a) Utilizar o tamanho de furo mais pequeno (recomendado 0,2 mm)
  b) Limitar o número de vias (≤ 2 por linha)

8. cablagem da interface de banda base

• Largura da linha IQ ≥ 10 mil
• Correspondência rigorosa de comprimentos iguais (ΔL ≤ 5 mil)
• Manter um espaçamento uniforme (tolerância de ±10%)

9.Cablagem da linha de controlo

• Comprimento da rota optimizado para a impedância de terminação
• Minimizar a proximidade do caminho de RF
• Proibir a colocação de vias de terra junto a fios de controlo

10. proteção contra interferências

• Espaçamento de 3H entre os alinhamentos digitais/de alimentação e os circuitos de RF (H é a espessura do dielétrico)
• Área de blindagem separada para circuitos de relógio

11.Cablagem do relógio

• Cablagem do relógio ≥ 10 mils
• Blindagem aterrada de dupla face
• É preferível uma estrutura de fio de fita

12.Cablagem do VCO

• Linhas de controlo ≥2mm das linhas de RF
• Se necessário, aplicar um tratamento completo de revestimento do solo

13. conceção multicamadas

• Preferir um esquema de isolamento entre camadas
• A segunda escolha da solução de cruzamento ortogonal
• Limite do comprimento paralelo (≤λ/10)

14. sistema de ligação à terra

• Completude do plano de terra de cada camada >80
• Espaçamento do orifício de ligação à terra <λ/20
• Ligação à terra multiponto em áreas críticas

Nota: Todas as especificações dimensionais devem ser ajustadas de acordo com o comprimento de onda (λ) da frequência de funcionamento real, e recomenda-se a realização de uma simulação tridimensional do campo eletromagnético para verificar o design final.

Especificações técnicas dos principais parâmetros de desempenho da placa de circuito impresso de alta velocidade e alta frequência

1. parâmetros caraterísticos dieléctricos

1.1 Constante dieléctrica (Dk)

• Requisito típico: 2,2-3,8 (@1GHz)
• Indicador-chave:
• Estabilidade numérica (tolerância de ±0,05)
• Dependência da frequência (<5% variação de 1-40 GHz)
• Isotropia (variação dos eixos X/Y/Z <2%)

1.2Perda dieléctrica (Df)

• Gama padrão: 0,001-0,005 (@10GHz)
• Requisitos essenciais:
• Caraterísticas de baixas perdas (de preferência Df <0,003)
• Estabilidade de temperatura (-55℃~125℃ variação <15%)
• Impacto da rugosidade da superfície (Ra <1μm)

2. propriedades termo-mecânicas

2.1 Coeficiente de expansão térmica (CTE)

• Requisitos de correspondência da folha de cobre:
• CTE do eixo X/Y: 12-16ppm/°C
• CTE do eixo Z: 25- 50 ppm/°C
• Norma de fiabilidade:
• 300 ciclos térmicos (-55℃~125℃) sem delaminação

2.2 Índice de resistência ao calor

• Ponto Tg: ≥170℃ (de preferência 180-220℃)
• Ponto Td: ≥300 ℃ (temperatura de perda de peso 5%)
• Tempo de delaminação: >60min (teste de solda de 288℃)

3. estabilidade ambiental

3.1 Caraterísticas de absorção de humidade

• Absorção de água saturada: <0,2% (24h de imersão)
• Desvio do parâmetro dielétrico:
• Dk change <2%
• Alteração Df <10%

3.2 Resistência química

• Resistência a ácidos e álcalis: Solução de concentração 5% imersa 24h sem corrosão
• Resistência a solventes: Aprovado no teste IPC-TM-650 2.3.30.

4. desempenho elétrico

4.1 Controlo da impedância

• Linha de extremidade única: 50Ω±10%.
• Pares diferenciais: 100Ω±7%
• Pontos-chave de controlo:
• Tolerância da largura da linha ±5%
• Tolerância da espessura dieléctrica ±8%
• Tolerância da espessura do cobre ±10

4.2 Integridade do sinal

• Perda de inserção: <0,5dB/polegada@10GHz
• Perda de retorno: >20dB@Banda de operação
• Rejeição de diafonia: <-50dB@1mm de espaçamento

5.Fiabilidade mecânica

5.1 Resistência da casca

• Valor inicial: >1,0N/mm
• Após o envelhecimento térmico: ＞0.8N/mm (125℃/1000h)

5.2 Resistência ao impacto

• Resistência CAF: >1000h (85℃/85%RH/50V)
• Choque mecânico: passa no teste 30G/0,5ms

6.Requisitos especiais de desempenho

6.1 Estabilidade de alta frequência

• Consistência de fase: ±1°@10GHz/100mm
• Atraso de grupo: <5ps/cm@40GHz

6.2 Acabamento da superfície

• Rugosidade da folha de cobre: Rz＜3μm
• Efeito da máscara de solda: Variação Dk <1%

Notas:

1. Todos os parâmetros devem ser testados de acordo com os métodos normalizados IPC-TM-650.
2. A amostragem por lotes é recomendada para parâmetros-chave.
3. As aplicações de alta frequência devem fornecer Dk/Df com uma curva de variação de frequência.
4. As placas multicamadas devem ser avaliadas quanto à coerência dos parâmetros do eixo Z.

Livro Branco Técnico sobre Ensaios de Dk/Df de Materiais de PCB de Alta Frequência

1. Princípios de classificação e seleção dos métodos de ensaio

1.1 Sistema de métodos de ensaio

• Métodos padrão IPC: 12 protocolos de testes normalizados
• Métodos personalizados do sector: Soluções exclusivas de instituições de investigação e fabricantes
• Critérios de seleção práticos:
  - Correspondência de frequências (±20% da banda de funcionamento)
  - Consistência da direção do campo elétrico (eixo Z/plano XY)
  - Correlação com os processos de fabrico (matéria-prima/painel acabado)

1.2 Matriz de seleção de métodos

2. Explicação pormenorizada das principais técnicas de ensaio

2.1 Método do ressonador de stripline com pinça para banda X (IPC-TM-650 2.5.5.50)

• Estrutura de teste:
  ┌─────────────────┐
  │ Plano de terra │
  ├─────────────────┤
  │ DUT (eixo Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Circuito do ressoador│
  ├─────────────────┤
  │ DUT (eixo Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Plano de terra │
  └─────────────────┘
• Caraterísticas técnicas:
  - Gama de frequências: 2,5-12,5 GHz (incrementos de 2,5 GHz)
  - Precisão: ±0,02 (Dk), ±0,0005 (Df)
  - Fontes de erro: Folgas de ar do aparelho (desvio de ~1-3%)

2.2 Método do Ressonador de Cilindro Dividido (IPC-TM-650 2.5.5.13)

• Parâmetros-chave:
  - Direção de ensaio: Propriedades do plano XY
  - Picos de ressonância: 3-5 pontos de frequência caraterísticos
  - Análise de anisotropia: Pode comparar com dados do eixo Z

2.3 Método do ressonador de anel microstrip

• Requisitos do circuito:
  - Impedância da linha de alimentação: 50Ω ±1%
  - Abertura do anel: 0,1-0,15 mm (requer controlo litográfico)
  - Tolerância da espessura do cobre: ±5 μm compensação necessária

3. Análise e compensação de erros de ensaio

3.1 Principais fontes de erro

• Dispersão de materiais: Dk dependente da frequência (típico: -0,5%/GHz)
• Impacto da rugosidade do cobre: Nível de rugosidade Dk Desvio Rz < 1 μm 5 μm >8%
• Variações do processo:
  - Espessura do cobre revestido (erro de 0,3% por desvio de 10 μm)
  - Influência da máscara de soldadura (variação de 0,5-1,2% devido à cobertura de óleo verde)

3.2 Métodos de correção de dados

• Algoritmo de compensação de frequência:
  Dk(f)=Dko⋅(1-α⋅log(f/fo))
• Correção da rugosidade da superfície: Modelo de Hammerstad-Jensen
• Manuseamento de materiais anisotrópicos: Método de análise tensorial

4. Diretrizes de aplicação de engenharia

4.1 Processo de desenvolvimento do plano de teste

1. Determinar a banda de frequência de funcionamento (frequência central ±30%)
2. Analisar a direção do campo elétrico primário (microstrip/stripline)
3. Avaliar a janela do processo de fabrico (espessura do cobre/tolerância da largura da linha)
4. Selecionar um método de ensaio com uma precisão de correspondência >80%

4.2 Normas de comparação de dados

• Condições de comparação válidas:
  - Mesma direção de ensaio (eixo Z ou plano XY)
  - Desvio de frequência < ±5%
  - Condições de temperatura consistentes (23±2°C)
• Variações típicas dos parâmetros do material: Método de ensaio Variação Dk Variação Df Fixação vs. Circuito 2-8% 15-30% Eixo Z vs. Plano XY 1-15% 5-20%

5. Evolução das normas de ensaio

5.1 Tecnologias de ensaio emergentes

• Espectroscopia terahertz no domínio do tempo (0,1-4 THz)
• Microscopia de micro-ondas de varrimento de campo próximo (10-100 GHz)
• Sistemas de extração de parâmetros assistidos por IA

5.2 Tendências de normalização

• Métodos de ensaio de placas multicamadas (projeto IPC-2023)
• Protocolos de ensaio específicos para 5G mmWave (28/39 GHz)
• Normas de ensaio de ciclos térmicos dinâmicos

Nota: Todos os ensaios devem ser efectuados num ambiente controlado (23±1°C, 50±5% RH). Sistemas de ensaio automatizados que integram analisadores de rede vectoriais (VNA) e as estações de sonda são recomendadas. Os dados de ensaio devem incluir 3σ análise estatística.