Guía de diseño y disposición de placas de circuito impreso de alta frecuencia

La placa de circuito impreso de alta frecuencia se refiere a la frecuencia electromagnética de las placas de circuito especiales más altas para alta frecuencia (frecuencia superior a 300MHZ o longitud de onda de menos de 1 metro) y microondas (frecuencia superior a 3GHZ o longitud de onda de menos de 0,1 metros) en el campo de PCB, es en el sustrato de microondas placas laminadas revestidas de cobre en el uso de placas de circuito rígidas ordinarias fabricadas utilizando algunos de los procesos o el uso de métodos especiales de tratamiento y la producción de placas de circuito.

Placa de circuito impreso de alta frecuencia especificaciones de diseño y cableado

1.Principios de aislamiento y puesta a tierra

• Áreas de circuitos digitales y analógicos estrictamente separadas
• Asegúrese de que todas las alineaciones de RF tienen una referencia de plano de tierra completa.
• Priorizar la alineación de la capa superficial para la transmisión de señales de radiofrecuencia

2.Cableado Orden de prioridad

Líneas de RF → líneas de interfaz de RF de banda base (líneas IQ) → líneas de señal de reloj → líneas de alimentación → circuitos digitales de banda base → red de tierra.

3.Especificación del tratamiento superficial

• Se recomienda utilizar una sola placa de alta frecuencia (>1GHz) para eliminar la cubierta de aceite verde en la zona de la línea microstrip.
• Se recomienda la línea de microstrip de baja y media frecuencia de una sola placa para conservar la capa protectora de aceite verde

4.Especificaciones del cableado cruzado

• Prohibir terminantemente el cableado cruzado de señales digitales/analógicas.
• Las líneas de radiofrecuencia y las líneas de señal deben respetarse al cruzarse:
  a) Opción preferida: añadir una capa aislada de plano de tierra
  b) Segunda opción: Mantener cruces ortogonales de 90°.
• Requisitos de separación de líneas de RF paralelas:
  a) Cableado normal: Mantenga una separación de 3W.
  b) Cuando el paralelismo sea necesario, inserte un plano de tierra aislado bien conectado a tierra en el centro.

5.Tratamiento mixto de señales

• Se necesitan duplexores/mezcladores y otros dispositivos multiseñal:
  a) Las señales RF/IF se encaminan ortogonalmente.
  b) Barrera de tierra aislada entre señales

6.Requisitos de integridad de la alineación

• Los extremos salientes de la alineación de radiofrecuencia están estrictamente prohibidos.
• Mantener la coherencia de la impedancia característica de la línea de transmisión

7.Vias Especificaciones de manipulación

• Evite, en la medida de lo posible, cambiar las capas de alineación de radiofrecuencia.
• Cuando es necesario cambiar de capa:
  a) Utilice el tamaño de orificio más pequeño (recomendado 0,2 mm)
  b) Limitar el número de vías (≤ 2 por línea).

8.Cableado de la interfaz de banda base

• Anchura de línea IQ ≥ 10 mil
• Coincidencia estricta de longitudes iguales (ΔL ≤ 5 mil)
• Mantener un espaciado uniforme (tolerancia ±10%)

9.Cableado de la línea de control

• Longitud de ruta optimizada para la impedancia de terminación
• Minimizar la proximidad a la ruta de RF
• Prohibir la colocación de vías de tierra junto a los cables de control.

10.Protección contra interferencias

• Separación de 3H entre las alineaciones digitales/de alimentación y los circuitos de RF (H es el grosor del dieléctrico).
• Zona de blindaje separada para los circuitos del reloj

11.Cableado del reloj

• Cableado del reloj ≥ 10 mils.
• Apantallamiento a tierra de doble cara
• Se prefiere la estructura de cinta de alambre

12.Cableado VCO

• Líneas de control ≥2mm de las líneas de RF.
• En caso necesario, aplicar un tratamiento completo de envoltura del suelo

13.Diseño multicapa

• Preferir un esquema de aislamiento entre capas
• La segunda elección de la solución de cruce ortogonal
• Longitud paralela límite (≤λ/10)

14.Sistema de puesta a tierra

• Completitud del plano de tierra de cada capa >80
• Distancia entre orificios de puesta a tierra <λ/20
• Puesta a tierra multipunto en zonas críticas

Nota: Todas las especificaciones dimensionales deben ajustarse de acuerdo con la longitud de onda (λ) de la frecuencia de funcionamiento real, y se recomienda realizar una simulación tridimensional del campo electromagnético para verificar el diseño final.

Especificaciones técnicas de los principales parámetros de rendimiento de la placa de circuito impreso de alta velocidad y alta frecuencia

1.Parámetros característicos dieléctricos

1,1 Constante dieléctrica (Dk)

• Requisitos típicos: 2,2-3,8 (@1GHz)
• Indicador clave:
• Estabilidad numérica (tolerancia ±0,05)
• Dependencia de la frecuencia (variación <5% de 1-40 GHz)
• Isotropía (variación de los ejes X/Y/Z <2%)

1.2Pérdida dieléctrica (Df)

• Rango estándar: 0,001-0,005 (@10GHz)
• Requisitos básicos:
• Características de baja pérdida (preferible Df <0,003)
• Estabilidad térmica (-55℃~125℃ variación <15%)
• Impacto de la rugosidad superficial (Ra <1μm)

2.Propiedades termomecánicas

2.1 Coeficiente de dilatación térmica (CTE)

• Requisitos de adaptación de la lámina de cobre:
• Eje X/Y CTE: 12-16ppm/°C
• ETC eje Z: 25- 50 ppm/°C
• Norma de fiabilidad:
• 300 ciclos térmicos (-55℃~125℃) sin delaminación

2.2 Índice de resistencia al calor

• Punto Tg: ≥170℃ (preferiblemente 180-220℃)
• Punto Td: ≥300℃ (temperatura de pérdida de peso 5%)
• Tiempo de delaminación: >60min (288℃ prueba de soldadura).

3.Estabilidad medioambiental

3.1 Características de absorción de humedad

• Absorción de agua saturada: <0,2% (inmersión 24h)
• Deriva del parámetro dieléctrico:
• Cambio de color <2%
• Cambio Df <10%

3.2 Resistencia química

• Resistencia a ácidos y álcalis: 5% concentración solución inmersión 24h sin corrosión
• Resistencia a los disolventes: Superada la prueba IPC-TM-650 2.3.30.

4.Rendimiento eléctrico

4.1 Control de la impedancia

• Línea de un solo extremo: 50Ω±10%.
• Pares diferenciales: 100Ω±7%
• Puntos clave de control:
• Tolerancia del ancho de línea ±5%
• Tolerancia del espesor dieléctrico ±8%
• Tolerancia del espesor del cobre ±10

4.2 Integridad de la señal

• Pérdida de inserción: <0,5dB/pulgada@10GHz
• Pérdida de retorno: >20dB@Banda Operativa
• Rechazo de diafonía: <-50dB@1mm de separación

5. Fiabilidad mecánica

5.1 Fuerza de pelado

• Valor inicial: >1,0N/mm
• Tras envejecimiento térmico: ＞0,8N/mm (125℃/1000h)

5.2 Resistencia al impacto

• Resistencia CAF: >1000h (85℃/85%RH/50V)
• Choque mecánico: supera la prueba 30G/0,5ms

6. Requisitos especiales de rendimiento

6.1 Estabilidad en alta frecuencia

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

6.2 Acabado superficial

• Rugosidad de la lámina de cobre: Rz＜3μm
• Efecto máscara de soldadura: Variación Dk <1%

Notas:

1. Todos los parámetros deben probarse según los métodos estándar IPC-TM-650.
2. Se recomienda el muestreo por lotes para los parámetros clave.
3. La aplicación de alta frecuencia debe proporcionar Dk/Df con una curva de variación de frecuencia.
4. Las placas multicapa deben evaluarse para comprobar la coherencia de los parámetros del eje Z.

Pruebas Dk/Df de materiales de PCB de alta frecuencia Libro Blanco técnico

1. Principios de clasificación y selección de los métodos de ensayo

1.1 Sistema de métodos de ensayo

• Métodos estándar de la CIP: 12 protocolos de pruebas normalizadas
• Métodos personalizados de la industria: Soluciones patentadas de instituciones de investigación y fabricantes
• Criterios prácticos de selección:
  - Adaptación de frecuencia (±20% de la banda de funcionamiento)
  - Coherencia de la dirección del campo eléctrico (eje Z/plano XY)
  - Correlación con los procesos de fabricación (materia prima/tablero acabado)

1.2 Matriz de selección de métodos

2. Explicación detallada de las principales técnicas de ensayo

2.1 Método del resonador de línea TEM con abrazadera de banda X (IPC-TM-650 2.5.5.50)

• Estructura de la prueba:
  ┌─────────────────┐
  │ Plano de tierra │
  ├─────────────────┤
  │ DUT (eje Z) │
  ├─────────────────┤
  Circuito resonador│
  ├─────────────────┤
  │ DUT (eje Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Plano de tierra │
  └─────────────────┘
• Características técnicas:
  - Gama de frecuencias: 2,5-12,5 GHz (incrementos de 2,5 GHz)
  - Precisión: ±0,02 (Dk), ±0,0005 (Df)
  - Fuentes de error: Entrehierros de la luminaria (desviación ~1-3%)

2.2 Método del resonador de cilindro partido (IPC-TM-650 2.5.5.13)

• Parámetros clave:
  - Dirección de ensayo: Propiedades en el plano XY
  - Picos de resonancia: 3-5 puntos de frecuencia característicos
  - Análisis de anisotropía: Puede compararse con los datos del eje Z

2.3 Método del resonador anular microstrip

• Requisitos del circuito:
  - Impedancia de la línea de alimentación: 50Ω ±1%
  - Separación entre anillos: 0,1-0,15 mm (requiere control litográfico)
  - Tolerancia del espesor del cobre: ±5 μm compensación necesaria.

3. Análisis y compensación de errores de ensayo

3.1 Principales fuentes de error

• Dispersión del material: Dk dependiente de la frecuencia (típico: -0,5%/GHz)
• Impacto de la rugosidad del cobre: Nivel de rugosidad Dk Desviación Rz < 1 μm 5 μm >8%
• Variaciones del proceso:
  - Espesor del cobre chapado (0,3% de error por cada 10 μm de desviación)
  - Influencia de la máscara de soldadura (variación de 0,5-1,2% debida a la cobertura de aceite verde)

3.2 Métodos de corrección de datos

• Algoritmo de compensación de frecuencia:
  Dk(f)=Dko⋅(1-α⋅log(f/fo))
• Corrección de la rugosidad superficial: Modelo Hammerstad-Jensen
• Manipulación anisótropa de materiales: Método de análisis tensorial

4. Directrices de aplicación de ingeniería

4.1 Proceso de desarrollo del plan de pruebas

1. Determinar la banda de frecuencia de funcionamiento (frecuencia central ±30%)
2. Analizar la dirección del campo eléctrico primario (microstrip/stripline)
3. Evaluar la ventana del proceso de fabricación (espesor del cobre/tolerancia de la anchura de línea)
4. Seleccione un método de prueba con una precisión de concordancia >80%

4.2 Normas de comparación de datos

• Condiciones de comparación válidas:
  - Misma dirección de ensayo (eje Z o plano XY)
  - Desviación de frecuencia < ±5%
  - Condiciones de temperatura constantes (23±2°C)
• Variaciones típicas de los parámetros del material: Método de ensayo Variación Dk Variación Df Fijación vs. Circuito 2-8% 15-30% Eje Z vs. Plano XY 1-15% 5-20%

5. Evolución de las normas de ensayo

5.1 Nuevas tecnologías de ensayo

• Espectroscopia de terahercios en el dominio del tiempo (0,1-4 THz)
• Microscopía de microondas con barrido de campo cercano (10-100 GHz)
• Sistemas de extracción de parámetros asistidos por IA

5.2 Tendencias de normalización

• Métodos de ensayo de placas multicapa (borrador IPC-2023)
• Protocolos de prueba específicos para 5G mmWave (28/39 GHz)
• Normas de ensayo de ciclos térmicos dinámicos

Nota: Todas las pruebas deben realizarse en un entorno controlado (23±1°C, 50±5% HR). Sistemas de ensayo automatizados que integren analizadores vectoriales de redes (VNA) y se recomiendan estaciones de sondeo. Los datos de las pruebas deben incluir 3σ análisis estadístico.