Guia de design e layout de PCB de alta frequência

A placa PCB de alta frequência refere-se à frequência eletromagnética das placas de circuito especiais mais altas para alta frequência (frequência superior a 300 MHz ou comprimento de onda inferior a 1 metro) e micro-ondas (frequência superior a 3GHZ ou comprimento de onda inferior a 0,1 metro) no campo da PCB, está nas placas laminadas revestidas de cobre do substrato de micro-ondas no uso de placas de circuito rígido comuns fabricadas usando alguns dos processos ou o uso de métodos de tratamento especiais e a produção de placas de circuito.

Placa de circuito impresso de alta frequência especificações de projeto de layout e fiação

1. princípios de isolamento e aterramento

• Áreas de circuito digital e analógico estritamente separadas
• Certifique-se de que todos os alinhamentos de RF tenham uma referência completa de plano de aterramento.
• Priorizar o alinhamento da camada de superfície para a transmissão do sinal de RF

2.Ordem de prioridade de fiação

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

3. especificação do tratamento de superfície

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

4. especificação da fiação cruzada

• Proibir estritamente a fiação cruzada de sinais digitais/analógicos.
• As linhas de RF e as linhas de sinal precisam ser observadas ao cruzar:
  a) Opção preferida: adicionar uma camada isolada de plano de aterramento
  b) Segunda opção: Manter os cruzamentos ortogonais de 90°.
• Requisitos de espaçamento entre linhas de RF paralelas:
  a) Fiação normal: Mantenha o espaçamento de 3W.
  b) Quando o paralelismo for necessário, insira um plano de aterramento isolado e bem aterrado no centro.

5. processamento de sinais mistos

• São necessários duplexadores/misturadores e outros dispositivos de múltiplos sinais:
  a) Os sinais de RF/IF são roteados ortogonalmente.
  b) Barreira de aterramento isolada entre os sinais

6. requisitos de integridade do alinhamento

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

7.Vias Especificações de manuseio

• Evite mudar as camadas de alinhamento de RF o máximo possível.
• Quando é necessária uma mudança de camada:
  a) Use o menor tamanho de furo (recomendado 0,2 mm)
  b) Limitar o número de vias (≤ 2 por linha)

8. fiação da interface de banda base

• Largura da linha IQ ≥ 10 mil
• Correspondência estrita de comprimento igual (ΔL ≤ 5 mil)
• Manter o espaçamento uniforme (tolerância de ±10%)

9. fiação da linha de controle

• Comprimento da rota otimizado para a impedância de terminação
• Minimizar a proximidade com o caminho de RF
• Proibir a colocação de vias de aterramento próximas aos fios de controle

10. proteção contra interferência

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

11.Fiação do relógio

• Fiação do relógio ≥ 10 mils
• Blindagem aterrada de dupla face
• A estrutura de fio de fita é preferível

12. fiação do VCO

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

13. design multicamada

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

14. sistema de aterramento

• Completude do plano de aterramento de cada camada >80
• Espaçamento do furo de aterramento <λ/20
• Aterramento multiponto em áreas críticas

Observação: todas as especificações dimensionais devem ser ajustadas de acordo com o comprimento de onda (λ) da frequência de operação real, e recomenda-se que seja feita uma simulação tridimensional do campo eletromagnético para verificar o projeto final.

Especificações técnicas dos principais parâmetros de desempenho da PCB de alta velocidade e alta frequência

1. parâmetros de características dielétricas

1.1 Constante dielétrica (Dk)

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

1.2Perda dielétrica (Df)

• Faixa padrão: 0,001-0,005 (@10GHz)
• Requisitos básicos:
• Características de baixa perda (preferencialmente Df <0,003)
• Estabilidade de temperatura (-55℃~125℃ variação <15%)
• Impacto da rugosidade da superfície (Ra <1μm)

2. propriedades termomecânicas

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 a 50 ppm/°C
• Padrão de confiabilidade:
• 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 Características de absorção de umidade

• Absorção de água saturada: <0,2% (imersão de 24 horas)
• Desvio do parâmetro dielétrico:
• Mudança de cor <2%
• Mudança Df <10%

3.2 Resistência química

• Resistência a ácidos e álcalis: Imersão em solução de concentração 5% por 24 horas sem corrosão
• Resistência a solventes: Aprovado no teste IPC-TM-650 2.3.30.

4. desempenho elétrico

4.1 Controle de impedância

• Linha de extremidade única: 50Ω±10%.
• Pares diferenciais: 100Ω±7%
• Principais pontos de controle:
• Tolerância da largura da linha ±5%
• Tolerância da espessura dielétrica ±8%
• Tolerância de espessura do cobre ±10

4.2 Integridade do sinal

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

5. confiabilidade mecânica

5.1 Resistência do peeling

• 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: aprovado no teste de 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 de Dk <1%

Observações:

1. Todos os parâmetros devem ser testados de acordo com os métodos padrão IPC-TM-650.
2. A amostragem em lote é recomendada para os principais parâmetros.
3. A aplicação de alta frequência deve fornecer Dk/Df com uma curva de variação de frequência.
4. As placas multicamadas devem ser avaliadas quanto à consistência dos parâmetros do eixo Z.

Artigo técnico sobre testes de Dk/Df de materiais de PCB de alta frequência

1. Princípios de classificação e seleção de métodos de teste

1.1 Sistema de método de teste

• Métodos padrão IPC: 12 protocolos de testes padronizados
• Métodos personalizados do setor: Soluções proprietárias de instituições de pesquisa e fabricantes
• Critérios práticos de seleção:
  - Correspondência de frequência (±20% da banda de operação)
  - Consistência da direção do campo elétrico (eixo Z/plano XY)
  - Correlação com os processos de fabricação (matéria-prima/placa acabada)

1.2 Matriz de seleção de métodos

2. Explicação detalhada das principais técnicas de teste

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

• Estrutura de teste:
  ┌─────────────────┐
  │ Plano de aterramento │
  ├─────────────────┤
  │ DUT (eixo Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Circuito do ressonador│
  ├─────────────────┤
  │ DUT (eixo Z) │
  ├─────────────────┤
  │ Plano de aterramento │
  └─────────────────┘
• Características técnicas:
  - Faixa de frequência: 2,5-12,5 GHz (incrementos de 2,5 GHz)
  - Precisão: ±0,02 (Dk), ±0,0005 (Df)
  - Fontes de erro: Folgas de ar do dispositivo (desvio de ~1-3%)

2.2 Método do ressonador de cilindro dividido (IPC-TM-650 2.5.5.13)

• Parâmetros-chave:
  - Direção do teste: Propriedades do plano XY
  - Picos de ressonância: 3-5 pontos de frequência característicos
  - Análise de anisotropia: Pode ser comparada com dados do eixo Z

2.3 Método do ressonador de anel de microfita

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

3. Análise e compensação de erros de teste

3.1 Principais fontes de erro

• Dispersão de material: 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 solda (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 Hammerstad-Jensen
• Manuseio de materiais anisotrópicos: Método de análise de tensor

4. Diretrizes para aplicativos de engenharia

4.1 Processo de desenvolvimento do plano de teste

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

4.2 Padrões de comparação de dados

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

5. Evolução dos padrões de teste

5.1 Tecnologias de teste emergentes

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

5.2 Tendências de padronização

• Métodos de teste de placas multicamadas (versão preliminar do IPC-2023)
• Protocolos de teste específicos para 5G mmWave (28/39 GHz)
• Padrões de teste de ciclagem térmica dinâmica

Observação: Todos os testes devem ser realizados em um ambiente controlado (23±1°C, 50±5% RH). Integração de sistemas de teste automatizados analisadores de rede vetorial (VNA) e estações de sonda são recomendadas. Os dados de teste devem incluir 3σ análise estatística.