Dans les domaines électroniques à haute fréquence-tels que la communication 5G, la navigation par satellite et les systèmes radar, la fréquence de transmission du signal atteint généralement le niveau GHz, voire plus. À l'heure actuelle, les cartes PCB ordinaires ne sont plus en mesure de répondre aux exigences d'intégrité du signal, et les cartes PCB haute fréquence - sont devenues un choix inévitable en raison de leurs caractéristiques matérielles uniques et de la conception de leur processus. La différence fondamentale entrecarte PCB haute fréquence-et tableau ordinaire :
1, différence fondamentale : percée révolutionnaire dans les matériaux et les performances
(1) La différence essentielle dans les caractéristiques du substrat
Carte PCB ordinaire : prendre FR-4 comme exemple
Composition du matériau : en utilisant un tissu de fibre de verre imprégné de résine époxy comme substrat, le coût est faible et le processus est mature, mais la constante diélectrique est élevée (généralement Dk=4.2-4.8) et la perte diélectrique est importante (Df=0.02-0.03).
Limitations des hautes fréquences : lorsque la fréquence du signal dépasse 1 GHz, la perte diélectrique augmente considérablement, l'atténuation du signal est sévère et la constante diélectrique fluctue considérablement avec la fréquence, ce qui rend le contrôle de l'impédance difficile.
Carte PCB haute fréquence : prendre comme exemples les matériaux composites chargés en PTFE et en céramique
Innovation matérielle :
Feuille à base de PTFE : telle que la série Rogers RT/duroid, avec Dk aussi bas que 2,2-3,5, Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
Les matériaux composites chargés de céramique, tels que l'IsolaFR408HR, réduisent le Dk (Dk=3.0-3.8) et améliorent la conductivité thermique grâce au remplissage en poudre céramique, équilibrant ainsi les performances à haute fréquence-et les coûts de traitement.
Principaux avantages : une faible constante diélectrique réduit le délai de transmission du signal, une faible perte réduit l'atténuation de l'énergie et les changements Dk/Df de moins de 5 % avec la fréquence, garantissant la cohérence de phase des signaux à haute fréquence-.
(2) Exigences particulières pour la disposition structurelle
Disposition empilée de circuits imprimés ordinaires
La couche de signal est simplement séparée par la couche de puissance/couche géologique, et la tolérance d'épaisseur diélectrique intercouche peut être de ± 10 %. La précision du contrôle d'impédance est généralement de ± 10 %.
Disposition empilée de circuits imprimés haute fréquence
Contrôle strict de l'impédance : en utilisant des structures de lignes de transmission spécifiques telles que des lignes microruban, des lignes à ruban, des guides d'ondes coplanaires, etc., la tolérance d'épaisseur diélectrique doit être contrôlée à ± 5 % et l'exigence de précision d'impédance est de ± 5 % ou même de ± 3 %. Par exemple, le calcul de la largeur de ligne d'une ligne microruban de 50 Ω doit être précis au niveau du µm, tout en tenant compte de l'influence de la rugosité de la feuille de cuivre sur l'impédance (lorsque la rugosité Ra est inférieure ou égale à 0,5 µm, l'écart d'impédance peut être réduit de 2 % à 3 %).
Optimisation du blindage électromagnétique : les signaux haute fréquence sont sensibles aux interférences électromagnétiques, et des configurations de couches de blindage plein écran ou des structures de condensateur/inductance intégrées sont souvent utilisées. Une mise à la terre via des réseaux (espacement inférieur ou égal à 1 mm) est ajoutée entre les couches pour réduire la diaphonie.
(3) La précision de la technologie de traitement est montée en flèche
Technologie de traitement des circuits imprimés ordinaires
Précision de perçage ± 50 μ m, tolérance de largeur de ligne de gravure ± 10 %, traitement de surface principalement par HASL, rugosité Ra=1-3 μ m.
Technologie de traitement des circuits imprimés à haute fréquence
Perçage : Le perçage au laser (ouverture inférieure ou égale à 0,1 mm) ou la perceuse CNC (précision ± 10 μm) est utilisé pour éviter le délaminage du substrat causé par le perçage mécanique.
Gravure : en utilisant une combinaison de processus de galvanoplastie pulsée et de gravure chimique, la tolérance de largeur de ligne est contrôlée à ± 5 % et la rugosité du bord du fil Ra est inférieure ou égale à 0,4 μm pour réduire la diffusion du signal.
Traitement de surface : L'ENIG (épaisseur de couche d'or 0,05-0,1 μm) ou l'argenture chimique sont privilégiées, avec une planéité Ra inférieure ou égale à 0,2 μm, pour réduire la résistance de contact et les pertes par effet cutané.
2, Considérations fondamentales pour la production de cartes de circuits imprimés à haute-fréquence
(1) Sélection des matériaux : de « utilisable » à « adaptation précise »
Correspondance de la gamme de fréquences
Scénario 1-10 GHz : FR-4 rempli de céramique en option (tel que Nelco 4000-13SI) ou feuille de résine époxy modifiée (Dk=3.5-4.0, Df<0.01).
Scénario 10 GHz : des matériaux composites à base de PTFE ou à base de céramique (tels que Taconic TLY-5, Dk=2.2, Df=0.0009) doivent être utilisés.
Considérations sur la gestion thermique
Les appareils haute fréquence génèrent une grande quantité de chaleur, il est donc nécessaire de choisir une carte avec une conductivité thermique supérieure ou égale à 0,5 W/(m · K) (comme le Rogers 4350B, avec une conductivité thermique de 0,7 W/(m · K)) et de concevoir une structure de dissipateur thermique intégrée.
(2) Contrôle des processus : recherche plus poussée de la précision au niveau micrométrique
Processus de stratification
À l'aide d'une machine à plastifier sous vide, l'uniformité de la pression est inférieure ou égale à ± 2 % et la fluctuation de température est inférieure ou égale à ± 1 degré pour éviter la déviation d'impédance causée par une épaisseur inégale de la couche moyenne. Par exemple, si la tolérance d'épaisseur d'une couche diélectrique de 0,1 mm d'épaisseur dépasse ± 5 µm, l'erreur d'impédance dépassera ± 4 %.
Transfert de motif
En utilisant la technologie d'écriture directe au laser au lieu du dessin optique traditionnel, la précision de la largeur de ligne peut atteindre ± 3 μm, ce qui convient à la production de lignes ultrafines inférieures à 50 μm. Pendant l'exposition, il est nécessaire de contrôler la longueur d'onde de la source lumineuse (lumière ultraviolette de 365 nm) et la densité d'énergie (120-150 mJ/cm²) pour éviter un développement excessif ou insuffisant.
Surveillance d'impédance en temps réel
Après avoir terminé chaque couche de fabrication du circuit, utilisez le TDR pour mesurer l'impédance en ligne et ajuster les paramètres de processus ultérieurs en comparant les valeurs de conception. Par exemple, si l'impédance mesurée est 8 % supérieure à la valeur cible, une compensation peut être effectuée en augmentant l'épaisseur de la feuille de cuivre avant la gravure ou en ajustant finement-la largeur de la ligne.
(3) Prévention et contrôle des défauts : « blessures mortelles » dans des scénarios à haute fréquence
Bulles de couche moyenne
Avant la stratification, séchez sous vide le substrat et la feuille semi-durcie (120 degrés/2 heures) avec une teneur en humidité contrôlée en dessous de 0,1 % pour éviter les fuites de signal causées par la génération de bulles lors du pressage à haute -température.
Rugosité de la feuille de cuivre
Les circuits haute fréquence doivent utiliser du RTF ou du HVLP, avec une rugosité Ra inférieure ou égale à 0,3 µm. Une feuille de cuivre électrolytique ordinaire (Ra=1.0-1.5 μ m) augmentera la perte de signal à 10 GHz de plus de 30 %.
Paramètres parasites à travers les trous
Les vias à haute fréquence nécessitent l'utilisation d'une technologie de forage arrière pour éliminer le "Stub" (longueur de pile résiduelle inférieure ou égale à 0,5 mm) et contrôler l'impédance du via pour qu'elle corresponde à l'impédance de la ligne de transmission (déviation inférieure ou égale à 5 %). Les trous traversants non percés généreront une perte de retour d'environ -20 dB à 10 GHz.
(4) Détection et vérification : pénétration des performances multidimensionnelles-
Test d'intégrité du signal
Utilisez un analyseur de réseau vectoriel pour mesurer les paramètres S (S11 inférieur ou égal à -20 dB, S21 supérieur ou égal à -3 dB à la fréquence cible) et évaluer la perte de retour et la perte d'insertion.
Tests de fiabilité thermique
Effectuez un test de soudure par refusion à 260 degrés/10 secondes pour observer s'il y a un délaminage dans la carte (en détectant la surface de liaison intercouche à travers un microscope à tranche) et testez le changement de constante diélectrique à haute température (Δ Dk inférieur ou égal à 3 %).
Vérification du vieillissement à long terme
Placez l'échantillon dans un environnement de 85 degrés/85 % d'humidité relative pendant 500 heures pour tester la résistance d'isolation (supérieure ou égale à 10 ^ 9 Ω) et les changements de perte diélectrique (Δ Df inférieur ou égal à 5 %), garantissant la stabilité à long terme des performances à haute fréquence.
3, cas typique : pratique de conception à haute fréquence de la carte RF de la station de base 5G
Dans la conception de la carte RF de la station de base 5G AAU (unité d'antenne active), la carte Rogers6010LM (Dk=10.2, Df=0.0023) est utilisée pour créer un réseau d'antennes microruban. Réalisez des percées en termes de performances-haute fréquence grâce aux mesures suivantes :
Conception empilée : structure à 3 couches (couche de signal/couche de masse/couche de signal), épaisseur diélectrique 0,254 mm, contrôle d'impédance 50 Ω ± 3 %.
Innovation de processus : grâce au perçage laser CO₂ (ouverture 0,15 mm) et au traitement de surface par placage d'argent chimique (rugosité Ra=0.15 μ m), la perte d'insertion dans la bande de fréquence 18 GHz est réduite à 0,8 dB/pouce.
Vérification des tests : la perte de réflexion dans la bande de fréquences 18-22 GHz mesurée par VNA est inférieure à -25 dB, répondant aux exigences strictes de la norme 5GNR pour les liaisons RF.