Vad är högfrekventa kretskort (PCB)?

Vad är ett högfrekvent kretskort?

Högfrekventa kretskort hänvisa till tryckta kretskort speciellt utformade för att hantera högfrekventa signaler (vanligtvis frekvenser över 300 MHz eller våglängder under 1 meter). I praktiska tillämpningar kategoriseras kretskort som arbetar över 1 GHz ofta uttryckligen som högfrekventa kretskort.

Vikten av högfrekventa kretskort

Med den snabba utvecklingen av avancerad teknik som 5G-kommunikation, millimetervågsradar, satellitkommunikation och autonom körning har efterfrågan på högfrekventa kretskort ökat explosionsartat. Branschrapporter prognostiserar att Kinas marknad för högfrekventa kretskort kommer att uppgå till 45 miljarder yuan år 2025, med en årlig tillväxttakt på 8,5 %. Dessa kretskort fungerar som viktiga grundkomponenter för att säkerställa högfrekvent signalintegritet och överföringseffektivitet.

Typer och materialklassificering av högfrekventa kretskort

1. Klassificering efter material:

• Organiska material: Inklusive polytetrafluoretylen (PTFE), epoxiharts/glasfiberkompositer (såsom FR-4), BT/epoxiharts, polyimid etc. PTFE och dess modifierade material uppvisar utmärkt låg dielektricitetskonstant (Dk varierar vanligtvis mellan 2,2 och 2,6) och låg dielektrisk förlust (Df så låg som 0,0009), vilket gör dem idealiska för högfrekventa tillämpningar.
• Oorganiska material: Till exempel keramiska substrat (aluminiumoxid, aluminiumnitrid etc.), aluminiumbaserade kort och kopparbaserade kort, främst tack vare deras utmärkta termiska stabilitet och värmeavledningsförmåga.

2. Klassificering efter struktur:

• Ensidiga kort
• Dubbelsidiga tavlor
• Flerskiktskort (ofta konstruerade med 6 eller fler skikt i högfrekventa applikationer)

3. Klassificering efter flexibilitet:

• Styva kretskort
• Flexibla kretskort
• Styv-flex PCB

Fördelar och egenskaper hos högfrekventa kretskort

1. Elektriska prestandafördelar:

• Låg signalförlust: Användningen av material med låg Dk och låg Df minskar energiförlusten avsevärt under signalöverföringen.
• Hög signalintegritet: Utmärkt impedanskontrollkapacitet säkerställer stabil signalöverföring, vilket minskar reflektion och distorsion.
• Kort överföringsfördröjning: Snabb signalöverföringshastighet, lämplig för höghastighetsdataöverföring.

2. Fysiska egenskaper Fördelar:

• Utmärkt termisk stabilitet: Hög glasövergångstemperatur (Tg) och låg värmeutvidgningskoefficient (CTE).
• Låg fuktabsorption: Bibehåller stabil elektrisk prestanda även i fuktiga miljöer.
• Hög tillförlitlighet: Lämplig för långvarig drift i tuffa miljöer.

3. Designfördelar:

• Utmärkt elektromagnetisk kompatibilitet (EMC): Effektivt undertrycker elektromagnetisk störning (EMI) genom noggrann design.
• Flexibel impedanskontroll: Möjliggör exakt impedansanpassning (vanligtvis 50 Ω eller 75 Ω).

Tillverkningsprocesser och kärnteknologier för högfrekventa kretskort

1. Materialförberedelse och förbehandling:

• Särskild högfrekvent materialbearbetning (t.ex. plasmabehandling eller natriumnaftalenaktivering för PTFE-material för att förbättra vidhäftningen).
• Strikt kontroll av lagringsmiljön (temperatur- och fuktighetskontroll).

2. Precisionsbearbetningsteknik:

• Borrningsteknik: Användning av nya borrkronor i kombination med aluminiumskyddsplattor och melaminunderlag för att säkerställa hålväggarnas kvalitet.
• Kretsbildning: Användning av etsteknik på mikronnivå för att kontrollera linjebreddens noggrannhet inom ±10 μm.
• Lamineringsprocess: Strikt kontroll av toleransen för inriktning mellan skikt...

3. Ytbehandling och beläggning:

• Elektrolysfri kopparplätering och elektroplätering av koppar: Säkerställ kvaliteten på hålmetalliseringen.
• Lödmaskbehandling: Använd syrabaserad rengöring istället för mekanisk slipning för att undvika skador på substratet.
• Ytfinish: Val av ytbehandlingsmetoder som är lämpliga för högfrekventa tillämpningar (t.ex. ENIG, nedsänkningssilver etc.).

4. Kvalitetskontroll och testning:

• Impedanstestning: Säkerställ impedanskontrollens noggrannhet.
• Kontinuitetstestning: Kontrollera att kretsarna är anslutna.
• Högfrekvent prestandatestning: Verifiera prestanda vid faktiska applikationsfrekvenser.

Användningsscenarier och urvalsriktlinjer för högfrekventa kretskort

När ska man välja högfrekventa kretskort:

1. Krav på högfrekvent signalöverföring: När kretsens signalfrekvenser överstiger 300 MHz (särskilt när de når 1 GHz eller mer) kan konventionella FR-4-material inte längre uppfylla kraven på lågförlustöverföring.
2. Höghastighetsdigitala kretsapplikationer: Digitala system med dataöverföringshastigheter över 10 Gb/s (såsom servrar, switchar, optiska moduler etc.) kräver signalintegritetskontroll och minskad jitter.
3. RF- och mikrovågsapplikationer: Områden som kräver RF-signalbehandling, såsom trådlösa kommunikationssystem (5G-basstationer, millimetervågsutrustning), radarsystem och satellitkommunikationsutrustning.
4. Krav på exakt impedanskontroll: När kretsar kräver strikt impedanskontroll (tolerans mindre än ±5 %) ger högfrekventa kretskort mer stabila dielektriska konstantegenskaper.
5. Scenarier med låg signalförlust: Tillämpningar som kräver minimal signaldämpning, såsom långdistansöverföring eller högkänsliga mottagningssystem.
6. Krav på temperaturstabilitet: Tillämpningar där driftstemperaturen varierar kraftigt och högfrekventa material kan ge mer stabil elektrisk prestanda.
7. Krav på högfrekvent elektromagnetisk kompatibilitet: Avancerade applikationer som kräver strikt kontroll av elektromagnetisk störning och signalintegritet, såsom medicinsk utrustning och test- och mätinstrument.

Faktorer att beakta vid val av högfrekventa kretskort:

1. Frekvensområde: Välj lämpliga material baserat på den faktiska driftsfrekvensen.
   • 1–10 GHz: Högfrekventa material med medelhög prestanda (t.ex. RO4350B).
   • 10–30 GHz: Högpresterande PTFE-baserade material (t.ex. RO3003-serien).
   • Över 30 GHz: Keramikfyllda material med extremt låg förlust rekommenderas.
2. Förlustkrav:
   • Allmänna tillämpningar: Df-värde < 0,005.
   • Högpresterande applikationer: Df-värde < 0,002.
   • Avancerade tillämpningar: Df-värde < 0,001.
3. Kostnadsbudget:
   • Kostnadskänsliga tillämpningar: Modifierad FR-4 eller lågkostnadsmaterial av högfrekvent komposit.
   • Prestandaprioriterade applikationer: PTFE-baserade högkvalitativa material.
   • Extrema prestandakrav: Keramiska substrat eller specialanpassade material.
4. Processens genomförbarhet:
   • Beakta materialens bearbetbarhet, inklusive anpassningsförmåga till borrning, plätering, lödning och andra processer.
   • Utvärdera tillverkarens erfarenhet och tekniska kapacitet när det gäller sådana material.
5. Tillförlitlighetskrav:
   • Kommersiella tillämpningar: Standardmaterial för högfrekvens.
   • Industriell/fordonsklass: Förbättrade högfrekvensmaterial.
   • Militär-/rymdindustriklass: Speciella högfrekventa material.

Designöverväganden för högfrekventa kretskort

• Transmissionsledningsdesign:

• Använd så korta och raka spår som möjligt och minimera böjar.
• Ersätt rätvinkliga böjar med 45° eller rundade hörn.
• Kontrollera impedansanpassningen noggrant, vanligtvis inom en tolerans på ±10 %.

• Stack-Up Design:

• Planera signal-, ström- och jordlager på ett rimligt sätt.
• Placera högfrekventa signaler på inre lager nära jordplanet.
• Använd flerpunktsjordning och tekniker för segmentering av jordskiktet.

• Komponentlayout:

• Placera avkopplingskondensatorer så nära chipets strömstift som möjligt.
• Isolera utsläppskällor från känsliga komponenter på lämpligt sätt.
• Beakta behovet av värmehantering och placera värmekomponenterna på ett lämpligt sätt.

• Överväganden om materialval:

• Välj material med lämpliga Dk- och Df-värden baserat på frekvenskraven.
• Beakta koefficienten för termisk expansion.
• Utvärdera materialens bearbetbarhet och kostnadseffektivitet.

Användningsområden för högfrekventa kretskort

1. Infrastruktur för kommunikation: 5G-basstationer, mikrovågsöverföringsutrustning, satellitkommunikationssystem.
2. Elektronik för fordonsindustrin: Millimetervågsradar (77 GHz), ADAS-system, kommunikationssystem i fordon.
3. Flyg- och rymdindustrin samt försvar: Radarsystem, utrustning för elektronisk krigföring, satellitlast.
4. Medicinsk utrustning: MR-system, CT-skannrar och medicinska övervakningsapparater.
5. Industri- och konsumentelektronik: Höghastighetsnätverksutrustning, IoT-gateways, högfrekventa testinstrument.

Framtida utvecklingstrender

Med den omfattande kommersialiseringen av 5G och populariseringen av IoT-enheter utvecklas högfrekventa kretskort mot högre frekvenser, högre integration och lägre förluster. När det gäller material bryter nya kompositmaterial och keramiska substrat kontinuerligt prestandagränserna. I tillverkningsprocesserna förbättrar precisionsbearbetningstekniker som additiva och semi-additiva metoder linjens noggrannhet och konsistens. Inom design optimerar samarbetsbaserad simulering och AI-assisterad design prestandaprognoser och designeffektiviteten för högfrekventa kretskort.

Slutsats

Som en viktig komponent i modern elektronisk utrustning blir högfrekventa kretskort alltmer framträdande för sin tekniska komplexitet och betydelse för tillämpningen. Att välja rätt material för högfrekventa kretskort, optimera designen och behärska precisions tillverkningsprocesser är avgörande för att säkerställa prestandan hos högfrekventa elektroniska system. Med kontinuerlig teknisk utveckling kommer högfrekventa kretskort att fortsätta driva teknisk innovation inom områden som kommunikation, fordonsindustri, medicin och rymdteknik, vilket ger en solid grund för framtida högteknologiska tillämpningar.