Guida alla progettazione e al layout dei PCB ad alta frequenza

Scheda PCB ad alta frequenza si riferisce alla frequenza elettromagnetica dei circuiti speciali superiori per l'alta frequenza (frequenza superiore a 300MHZ o lunghezza d'onda di meno di 1 metro) e microonde (frequenza superiore a 3GHZ o lunghezza d'onda di meno di 0,1 metri) nel campo dei PCB, è nel substrato a microonde rame rivestito schede laminate sull'uso di schede di circuiti rigidi ordinari fabbricati utilizzando alcuni dei processi o l'uso di metodi di trattamento speciale e la produzione di schede di circuiti.

PCB ad alta frequenza specifiche di progettazione del layout e del cablaggio

1.Principi di isolamento e messa a terra

• Aree dei circuiti digitali e analogici rigorosamente separate
• Assicurarsi che tutti gli allineamenti RF abbiano un riferimento completo del piano di massa.
• Privilegiare l'allineamento dello strato superficiale per la trasmissione del segnale RF

2.Cablaggio Ordine di priorità

Linee RF → linee di interfaccia RF in banda base (linee IQ) → linee di segnale di clock → linee di alimentazione → circuiti digitali in banda base → rete di terra

3. Specifiche del trattamento di superficie

• Si consiglia di utilizzare una scheda singola ad alta frequenza (>1GHz) per eliminare la copertura di olio verde nell'area della linea a microstriscia.
• La linea a microstriscia a scheda singola a bassa e media frequenza è consigliata per mantenere lo strato protettivo di olio verde

4.Specifiche del cablaggio incrociato

• Vietare rigorosamente il cablaggio incrociato dei segnali digitali/analogici.
• Le linee RF e le linee di segnale devono essere rispettate durante l'attraversamento:
  a) Opzione preferita: aggiungere uno strato di piano di massa isolato
  b) Seconda scelta: Mantenere gli incroci ortogonali a 90°.
• Requisiti di spaziatura delle linee RF parallele:
  a) Cablaggio normale: Mantenere una distanza di 3W.
  b) Quando è necessario il parallelismo, inserire al centro un piano di massa isolato ben collegato a terra.

5.Elaborazione del segnale misto

• Sono necessari duplexer/miscelatori e altri dispositivi multi-segnale:
  a) I segnali RF/IF sono instradati ortogonalmente.
  b) Barriera di terra isolata tra i segnali

6.Requisiti di integrità dell'allineamento

• Le estremità sporgenti dell'allineamento RF sono severamente vietate.
• Mantenere la coerenza dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione

7.Vias Specifiche di movimentazione

• Evitare il più possibile di cambiare gli strati di allineamento RF.
• Quando è necessaria una modifica del livello:
  a) Utilizzare il foro più piccolo (consigliato 0,2 mm).
  b) Limitare il numero di vias (≤ 2 per linea).

8.Cablaggio dell'interfaccia in banda base

• Larghezza della linea IQ ≥ 10 mil
• Rigorosa corrispondenza di lunghezza (ΔL ≤ 5 mil)
• Mantenere una spaziatura uniforme (tolleranza ±10%)

9. Cablaggio della linea di controllo

• Lunghezza del percorso ottimizzata per l'impedenza di terminazione
• Ridurre al minimo la vicinanza al percorso RF
• Vietare il posizionamento di vias di terra accanto ai fili di controllo.

10.Protezione dalle interferenze

• Spaziatura di 3H tra gli allineamenti digitali/alimentazione e i circuiti RF (H è lo spessore del dielettrico)
• Area di schermatura separata per i circuiti di clock

11.Cablaggio dell'orologio

• Cablaggio orologio ≥ 10 mils
• Schermatura a terra su entrambi i lati
• Si preferisce la struttura a nastro

12.Cablaggio VCO

• Linee di controllo a ≥2 mm dalle linee RF
• Se necessario, attuare un trattamento di avvolgimento completo del terreno

13.Progettazione multistrato

• Preferire uno schema di isolamento a strati incrociati
• La seconda scelta della soluzione di incrocio ortogonale
• Lunghezza limite del parallelo (≤λ/10)

14.Sistema di messa a terra

• Completezza del piano di massa di ogni strato >80
• Distanza tra i fori di messa a terra <λ/20
• Messa a terra a più punti nelle aree critiche

Nota: Tutte le specifiche dimensionali devono essere regolate in base alla lunghezza d'onda (λ) della frequenza operativa effettiva e si raccomanda di effettuare una simulazione tridimensionale del campo elettromagnetico per verificare il progetto finale.

Specifiche tecniche dei parametri prestazionali chiave dei PCB ad alta velocità e ad alta frequenza

1.Parametri caratteristici del dielettrico

1.1 Costante dielettrica (Dk)

• Requisiti tipici: 2,2-3,8 (@1GHz)
• Indicatore chiave:
• Stabilità numerica (tolleranza ±0,05)
• Dipendenza dalla frequenza (variazione <5% da 1-40 GHz)
• Isotropia (variazione degli assi X/Y/Z <2%)

1.2Dispersione dielettrica (Df)

• Gamma standard: 0,001-0,005 (@10GHz)
• Requisiti fondamentali:
• Caratteristiche di bassa perdita (Df <0,003 preferibile)
• Stabilità alla temperatura (-55℃~125℃ variazione <15%)
• Impatto della rugosità superficiale (Ra <1μm)

2. Proprietà termo-meccaniche

2.1 Coefficiente di espansione termica (CTE)

• Requisiti per l'abbinamento della lamina di rame:
• CTE asse X/Y: 12-16ppm/°C
• CTE asse Z: 25-50 ppm/°C
• Standard di affidabilità:
• 300 cicli termici (-55℃~125℃) senza delaminazione

2.2 Indice di resistenza al calore

• Punto Tg: ≥170℃ (preferibilmente 180-220℃)
• Punto Td: ≥300℃ (temperatura di perdita di peso 5%)
• Tempo di delaminazione: >60min (test di saldatura a 288℃)

3.Stabilità ambientale

3.1 Caratteristiche di assorbimento dell'umidità

• Assorbimento di acqua satura: <0,2% (immersione di 24 ore)
• Deriva dei parametri dielettrici:
• Variazione Dk <2%
• Variazione Df <10%

3.2 Resistenza chimica

• Resistenza agli acidi e agli alcali: 5% concentrazione soluzione immersione 24h senza corrosione
• Resistenza ai solventi: Ha superato il test IPC-TM-650 2.3.30.

4. Prestazioni elettriche

4.1 Controllo dell'impedenza

• Linea singola: 50Ω±10%.
• Coppie differenziali: 100Ω±7%
• Punti di controllo chiave:
• Tolleranza della larghezza della linea ±5%
• Tolleranza dello spessore del dielettrico ±8%
• Tolleranza dello spessore del rame ±10

4.2 Integrità del segnale

• Perdita di inserzione: <0,5dB/pollice@10GHz
• Perdita di ritorno: >20dB@Banda operativa
• Reiezione della diafonia: <-50dB@1mm di distanza

5.Affidabilità meccanica

5.1 Forza della buccia

• Valore iniziale: >1,0N/mm
• Dopo l'invecchiamento termico: ＞0,8N/mm (125℃/1000h)

5.2 Resistenza all'urto

• Resistenza CAF: >1000h (85℃/85%RH/50V)
• Urti meccanici: superamento del test 30G/0,5ms

6.Requisiti speciali di prestazione

6.1 Stabilità ad alta frequenza

• Coerenza di fase: ±1°@10GHz/100mm
• Ritardo di gruppo: <5ps/cm@40GHz

6.2 Finitura della superficie

• Rugosità del foglio di rame: Rz＜3μm
• Effetto Soldermask: Variazione Dk <1%

Note:

1. Tutti i parametri devono essere testati secondo i metodi standard IPC-TM-650.
2. Si raccomanda il campionamento in lotti per i parametri chiave.
3. Le applicazioni ad alta frequenza devono fornire Dk/Df con una curva di variazione della frequenza.
4. I pannelli multistrato devono essere valutati per verificare la coerenza dei parametri dell'asse Z.

Libro bianco tecnico sui test Dk/Df dei materiali per PCB ad alta frequenza

1. Principi di classificazione e selezione dei metodi di test

1.1 Metodo di test Sistema

• Metodi standard IPC: 12 protocolli di test standardizzati
• Metodi personalizzati per l'industria: Soluzioni proprietarie di istituti di ricerca e produttori
• Criteri pratici di selezione:
  - Corrispondenza di frequenza (±20% della banda operativa)
  - Coerenza della direzione del campo elettrico (asse Z/piano X)
  - Correlazione con i processi di produzione (materia prima/lavagna finita)

1.2 Matrice di selezione del metodo

2. Spiegazione dettagliata delle principali tecniche di test

2.1 Metodo del risonatore stripline clampato in banda X (IPC-TM-650 2.5.5.50)

• Struttura del test:
  ┌─────────────────┐
  │ Piano di terra │
  ├─────────────────┤
  │ DUT (asse Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Circuito del risonatore│
  ├─────────────────┤
  │ DUT (asse Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Piano di terra │
  └─────────────────┘
• Caratteristiche tecniche:
  - Gamma di frequenza: 2,5-12,5 GHz (incrementi di 2,5 GHz)
  - Precisione: ±0,02 (Dk), ±0,0005 (Df)
  - Fonti di errore: Interstizi d'aria dell'apparecchio (deviazione di ~1-3%)

2.2 Metodo del risonatore a cilindro diviso (IPC-TM-650 2.5.5.13)

• Parametri chiave:
  - Direzione del test: Proprietà del piano XY
  - Picchi di risonanza: 3-5 punti di frequenza caratteristici
  - Analisi dell'anisotropia: Può essere confrontata con i dati dell'asse Z

2.3 Metodo del risonatore ad anello a microstriscia

• Requisiti del circuito:
  - Impedenza della linea di alimentazione: 50Ω ±1%
  - Distanza tra gli anelli: 0,1-0,15 mm (richiede il controllo della litografia)
  - Tolleranza dello spessore del rame: ±5 μm compensazione necessaria

3. Analisi e compensazione degli errori di prova

3.1 Principali fonti di errore

• Dispersione del materiale: Dk dipendente dalla frequenza (tipico: -0,5%/GHz)
• Impatto della rugosità del rame: Livello di rugosità Dk Deviazione Rz < 1 μm 5 μm >8%
• Variazioni di processo:
  - Spessore del rame placcato (errore di 0,3% per scostamento di 10 μm)
  - Influenza della maschera di saldatura (variazione di 0,5-1,2% dovuta alla copertura di olio verde)

3.2 Metodi di correzione dei dati

• Algoritmo di compensazione della frequenza:
  Dk(f)=Dko⋅(1-α⋅log(f/fo))
• Correzione della rugosità superficiale: Modello Hammerstad-Jensen
• Movimentazione anisotropa dei materiali: Metodo di analisi tensoriale

4. Linee guida per le applicazioni di ingegneria

4.1 Processo di sviluppo del piano di test

1. Determinare la banda di frequenza operativa (frequenza centrale ±30%)
2. Analizzare la direzione del campo elettrico primario (microstrip/stripline)
3. Valutare la finestra del processo di produzione (spessore del rame/tolleranza della larghezza della linea)
4. Selezionare un metodo di analisi con accuratezza di corrispondenza >80%

4.2 Standard di confronto dei dati

• Condizioni di confronto valide:
  - Stessa direzione di test (asse Z o piano XY)
  - Deviazione di frequenza < ±5%
  - Condizioni di temperatura costanti (23±2°C)
• Variazioni tipiche dei parametri del materiale: Metodo di prova Variazione Dk Variazione Df Apparecchiatura contro circuito 2-8% 15-30% Asse Z contro piano XY 1-15% 5-20%

5. Evoluzione degli standard di prova

5.1 Tecnologie di analisi emergenti

• Spettroscopia nel dominio del tempo dei terahertz (0,1-4 THz)
• Microscopia a microonde a scansione in campo vicino (10-100 GHz)
• Sistemi di estrazione dei parametri assistiti dall'intelligenza artificiale

5.2 Tendenze della standardizzazione

• Metodi di prova delle schede multistrato (bozza IPC-2023)
• Protocolli di test specifici per 5G mmWave (28/39 GHz)
• Standard di prova dei cicli termici dinamici

Nota: Tutti i test devono essere condotti in un ambiente controllato (23±1°C, 50±5% RH). Sistemi di test automatizzati che integrano analizzatori di rete vettoriali (VNA) e le stazioni della sonda sono raccomandate. I dati del test devono includere 3σ analisi statistica.