Expertrichtlijnen voor het ontwerpen van RF- en microgolf-PCB's

Tegenwoordig zijn RF/microgolf-PCB's wijd toegepast in talloze draadloze handheld apparaten en commerciële industrieën, waaronder medische, communicatie, enz. Omdat RF (radiofrequentie)/microgolfschakelingen gedistribueerde parameter schakelingen zijn die geneigd zijn tot huid-effect en koppelingsinvloed, zijn storingen en straling in schakelingen moeilijk te controleren in praktisch PCB-ontwerp. Veelvoorkomende problemen zijn onderlinge storing tussen digitale en analoge schakelingen, ruisstoring door voedingen, en vergelijkbare storingen door onzinvolle layout. Het balanceren van voor- en nadelen in PCB-ontwerp en het minimaliseren van storingen is daarom een cruciaal aspect voor RF/microgolf-PCB-ontwerp.

Elk ontwerp verschilt, maar ervaring speelt een actieve rol als uitstekende leraar en de productieingenieur kan oplossingen bieden voor de grootste valkuilen. In dit artikel worden gedetailleerde PCB-ontwerprichtlijnen voor RF/microgolf-PCB's geïntroduceerd en besproken.

Hoe substraatmaterialen te bepalen?

Als vroege fase in schakelingontwerp, speelt PCB-substraatmateriaalkeuze een cruciale rol in RF/microgolf-PCB-ontwerp; optimaal substraatmateriaal bijdraagt aan uitstekende prestaties en hoge betrouwbaarheid van eindproducten. Bij het overwegen van substraatmateriaal conform uw PCB-ontwerp, moeten aspecten zoals relatieve permitiviteit, verliesstangens, dikte, omgeving, enz. worden bekeken. De volgende inhoud detailleert hun betekenis en ideale selectiebenaderingen.

Relatieve permitiviteit

Relatieve permitiviteit verwijst naar de verhouding tussen dielektrische constante en vacuümpermittiviteit. De relatieve permitiviteit van substraatmaterialen voor RF/microgolf-PCB-ontwerp moet voldoende hoog zijn om aan ruimte- en gewichtseisen te voldoen. Andere toepassingen zoals high-speed interconnect vragen om extreem lage relatieve permitiviteit om hoog-impedantieschakelingen te produceren met acceptabele lijndikte en impedantietoleranties.

Voordat de finale substraatmaterialen worden bepaald, moeten sommige parameters worden bevestigd, waaronder lijndikte voor een bepaald bereik van borddikte, golflengte van de schakeling werkfrequentie en benaderende afmetheden van leidende componenten. Een schets van het printplaatdiagram moet worden getekend om acceptabele maximum- en minimum-relatieve permitiviteit vast te stellen.

Bovendien moet de afwijking van relatieve permitiviteit geleverd door de substraatmateriaalfabrikant laag genoeg zijn om de elektrische prestaties binnen een tolerantiebereik te houden.

Verliesstangens (Loss Tangent)

Dielektrisch verlies is een functie van verliesstangens en relatieve permitiviteit. Voor sommige substraatmaterialen kan het dielektrische verlies per eenheid lengte mogelijk gecompenseerd worden door toepassing van kortere lijnen die ook geleiderverlies kunnen verminderen, wat vitaal belangrijk is wanneer geleiderverlies duidelijk wordt in hoogfrequente situaties. Bij het schatten van componentverliesparameters in sommige schakelingen, wordt verlies per eenheid lengte of frequentie geschat in plaats van gewoon verlies per eenheid lijndikte onder gegeven frequentie.

Binnen een bepaald frequentiebereik moet het substraatmateriaalverlies laag genoeg zijn om aan in-/uitgangsvermogeneisen te voldoen met warmteafvoerproblemen vermeden. Bovendien moet de vermogensrespons van sommige schakelingselementen (zoals filters) een scherpe frequentie-afname-karakteristiek behouden zodat elektrische prestatie-eisen vervuld worden. Natuurlijk kan dielektrisch verlies deze frequentiekarakteristiek beïnvloeden.

Dikte

Substraatmateriaal-dikte is geassocieerd met de volgende ontwerpelementen:
a. Spordikte. Om gegeven karakteristieke impedantie te behouden, moet substraatmateriaal-dikte worden verlaagd om aan de eis van spordiktevermindering te voldoen. Hoog-impedantiespoor op dun substraatmateriaal heeft misschien extreem lage spordikte nodig bij productie.
b. Mechanische prestaties. Schakelingen geconstrueerd op niet-ondersteund dun substraatmateriaal kunnen buigen, vervormen of scheef lopen, wat niet gebeurt met rigide en thermohardende materialen.
c. Afmetingsstabiliteit. Over het algemeen presteren dunne substraatmaterialen slechter dan dikke op gebied van afmetingsstabiliteit. Dunne materialen brengen ook nadelen voor de fabrikant of leiden tot verhoogde kosten.
d. Kosten. Over het algemeen zijn substraatmaterialen die dik zijn per eenheid oppervlakte duurder dan dunne per eenheid oppervlakte.
e. Aanpasbaarheid. Voor printplaten die in eenvoudige buigvormen zoals cilinder of kegel moeten buigen, zijn dunne platen in staat om tot lagere krommingsstraal te buigen zonder substraatmaterialen of koperfolie te beschadigen.
f. Dielektrische doorbraak. Voor parallelle platen, dunne dielektrische materialen hebben proportioneel hogere dielektrische doorbraakspanning dan dikke materialen.
g. Vermogensverwerkingsvermogen. Vermogensverwerkingsvermogen van hoogfrequente printplaten wordt beperkt door twee aspecten die verlicht kunnen worden door substraatmateriaal-dikte te verhogen. Aan de ene kant kan hoog vermogen deels worden gedissipeerd door warmte. Aan de andere kant kan hoog-piekvermogensniveau corona-ontstaan laten genereren en de levensduur van substraatmateriaal inkrimpen.

Omgeving

Printplaatfabrikage en operationele omgeving leggen beperkingen op aan substraatmateriaalselectie. De belangrijkste materiaalprestaties die in overweging genomen moeten worden, zijn:
a. Temperatuurstabiliteit. Operationele en technische hoogste en laagste temperatuur moeten gegarandeerd zijn en temperatuurlimiet moet worden aangeduid als "piek" of "continu". Elektrische prestatiewijziging moet worden berekend in piektemperatuur en vergeleken met ontwerpeis. Printplaten kunnen niet werken tijdens het bereik van intermittente temperatuurpieken, dus "continue" temperatuur moet worden toegepast om prestaties te schatten. Permanente schade aan mechanische prestaties van printplaat moet worden gecontroleerd in "intermittente" limiet-temperatuurbereik.
b. Vochtbestendigheid en chemisch. Substraatmaterialen moeten weinig vocht absorberen zodat elektrische prestaties van printplaat niet aantoonbaar dalen in hoge-vochtomgeving. Immers, extra omgevingsbeschermingsoplossingen roepen extra fabricagekosten en ontwerpcompromissen op. Te gebruiken technieken moeten compatibel zijn met chemische en oplosmiddelbestendigheid van substraatmateriaal.
c. Anti-stralingsprestaties. Wanneer RF/microgolf-PCB's in ruimte- of kerntoepassingen worden toegepast, ondergaan substraatmaterialen massale ioniserende straling. Invloed op mechanische en elektrische prestaties van substraatmateriaal door ioniserende straling moet worden gewaarborgd en geschat. Bovendien moet het cumulatieve effect worden gewaarborgd en de effectieve operationele levensduur van de printplaat vergeleken.

Overige ontwerpprincipes betreffende substraatmateriaal

a. Hechting van kopercoil moet hoog genoeg zijn om toepassings- en fabricageomgeving te weerstaan zonder permanente schade.
b. Relatieve permitiviteit verandert met temperatuur, wat elektrische prestaties binnen werktemperatuurbereik kan beïnvloeden.
c. Betrouwbaarheid van surface mount devices (SMD's) en plated-through holes (PTH) is geassocieerd met CTE.
d. Thermische geleiding van substraatmateriaal beïnvloedt ontwerp met warmtebeheer overwegingen.
e. Bij beslissing over behuizing en montage, bordvervorming moet van tevoren worden overwogen.
f. Mechanische prestaties zullen waarschijnlijk assemblage- en montageontwerp beïnvloeden.
g. Specifiek gewicht van substraatmateriaal bepaalt gewicht van printplaat.
h. Coëfficiënt van thermische uitdijning (CTE) moet zorgvuldig worden overwogen in proces van limiet omgevingstemperatuur en hoogvermogenscomponenten ontwerpen en toepassing van reflow solderen of andere hoge-temperatuur fabricage.
i. Elektrische resistiviteit zal waarschijnlijk een element zijn geassocieerd met elektrische prestaties, vooral wanneer hoog-impedantielijnen hoog voltage doorgeven, vermogensversterkingsschakeling bijvoorbeeld.

Hoe elektrische kenmerken te verwerken?

Cruciale hoogfrequente elektrische kenmerken bevatten karakteristieke impedantie (Z₀), dempingscoëfficiënt (α) en signaaltransmissiesnelheid (v). Karakteristieke impedantie en signaaltransmissiesnelheid worden bepaald door effectieve relatieve permitiviteit, terwijl signaalverlies wordt bepaald door dempingscoëfficiënt.

Onder alle mogelijke transmissiesstructuren, zoals stripline (definitie in sectie a), microstrip, bipolaire puls of groef, zijn stripline en microstrip het meest toegepast in microgolfschakelingontwerp en zijn doorgaans afhankelijk van zacht basismateriaal. Voor zowel stripline als microstrip beïnvloedt de verhouding tussen massaafstand en geleiderbreedte, geleiderdikte en afstand tussen koppelende geleiders sterkt karakteristieke impedantie en dempingscoëfficiënt. Binnen een bepaald frequentiebereik en op een transmissielijnstructuur, kunnen dempingscoëfficiënt, relatieve permitiviteit en karakteristieke impedantie frequentie-afhankelijkheid vertonen.

Wanneer doorsnede-afmeting van stripline of microstrip groter is dan golflengte in dielektricum, wordt een andere (hogere) transmissiemodus significant, wat de elektrische prestaties van transmissielijnen verzwakt. Naarmate signaalsnelheid en frequentie stijgen, moeten afmetingen van transmissielijnen proportioneel afnemen om hogere-ordemodussen te vermijden, wat toepassing van dunner substraatmateriaal vereist met gegeven karakteristieke impedantie behouden.

Stripline

Stripline is een transmissielijnstructuur, bestaande uit een signaallijn en twee bredere massapunten die parallel aan de signaallijn liggen en deze ingeklemd is. De onderstaande afbeelding toont een typische stripline in een doorsnedeweergave uit IPC-2252.

Formule voor karakteristieke impedantie van stripline zijn ingedeeld in twee aspecten: smalle en brede signaallijnen.

a. Smalle signaallijnen

Z₀ = karakteristieke impedantie (ohm);
ε_r = relatieve permitiviteit;
b = afstand tussen massapunten (m);
w = signaallijnbreedte (m).

Waarde van Y voldoet aan formule:

In deze formule, , t = koperdikte (m).

b. Brede signaallijnen

In deze formule, C_f = fringecapaciteit en voldoet aan:

Asymmetrische Stripline

Wanneer signaallijn tussen massapunten (of voedingen) ligt maar niet in het centrum, moeten berekeningsformules van stripline worden aangepast. Bij aanpassing is het nodig om koppelingsverschillen tussen signaallijnen en nabijere en verder gelegen massapunten te compenseren. Als signaallijnen in het bereik van een derde van het centrum liggen, zijn afwijkingen door de veronderstelling dat signaallijnen in het centrum liggen, zeer klein.

Wanneer sterke koppeling tussen signaallijnen vereist is, moet asymmetrische striplinestructuur worden gebruikt, met twee signaallijnen op verschillende oppervlakken gescheiden door dielektricum. Koppeling geschiedt door parallelle of kruisende lijnen. Bij hoogfrequente schakelingontwerp is koppeling niet nodig, de structuur van verticaal kruisende signaallijnen werkt niet.

Microstrip

Microstrip is ook een transmissielijnstructuur, bestaande uit een signaallijn en massa parallel aan de signaallijn.

Karakteristieke impedantieformule van microstrip is gebaseerd op een eenvoudig model met slechts één dielektricum dat een geleider is zonder dikte. De formule is Formule 7.

In deze formule, formule 8, de tweede "0" en "1" na Z duiden op nul geleiderdikte en een type dielektricum. De nauwkeurigheid van dit model is beter dan 0,01% wanneer de waarde van u kleiner is dan 1. Wanneer de waarde van u kleiner is dan 1000, is de nauwkeurigheid beter dan 0,03%.

Hoe andere significante aspecten te regelen?

Bewerkte kenmerken (Machined Features)

a. Afmetingen en toleranties

Ontwerpelementen: afmeting en tolerantieontwerp zijn vitaal. In veldontwerp worden bilaterale tolerantie en true-position tolerantie doorgaans toegepast.

True-position afmetingen en toleranties die eenvoudig gemarkeerd zijn, laten fabrikanten afwijkingen binnen posities en afmetingen in willekeurige verhouding regelen, wat meestal leidt tot verhoogde fabricagebaarheid. Ontwerpers waarborgen zo functionaliteitseisen en geven fabrikanten voldoende vrijheid waarmee leidende afwijking in het fabricageproces kan worden gerangschikt waar nauwkeurigheid het laagst is.

Positietolerantiecapaciteit hangt voornamelijk af van materiaaltype, dikte en totale grootte van componenten. Een true-position diameter van 0,254 mm (0,01 inch) is het meest voorkomend en het eenvoudigst te realiseren. Wanneer tolerantie-eis hoger is dan 0,152 mm (0,006 inch), wordt fabricagebaarheid gecompromitteerd. Wanneer het passend is, moet de maximum materiaalconditie worden vereist om fabrikanten in staat te stellen te balanceren tussen openingfout en positiefout om fabricagebaarheid te verhogen.

Wanneer een via volgens zijn minimum diameter wordt geproduceerd, moet true-position tolerantie worden gebruikt door maximum materiaalconditie die eenvoudig is gemarkeerd. Een via geproduceerd met een grotere en acceptabele diameter wordt meestal met lagere nauwkeurigheid gepositioneerd, wat nog steeds past en functioneert. Grotere via's kunnen dus voldoende positietolerantie krijgen, gelijk aan acceptabele toevoegingswaarde aan diameter van minimum via. Met extra tolerantie toegevoegd aan true-position tolerantie, ontstaat inspectietolerantie.

Wanneer minimum materiaalconditie wordt toegepast, wordt tolerantie vastgesteld volgens maximum diameter. "Regardless of feature size" betekent toepassing van gemarkeerde tolerantie zonder extra tolerantie en karakteristieke afmetingstolerantie wordt bepaald volgens acceptabele verschillende fabricagebaarheden.

Hoewel zowel true-position afmeting als tolerantie in elk denkbaar geval kunnen worden toegepast, zijn ze het beste toepasbaar op kenmerken vergelijkbaar met posities van gaten, zakken en de andere X- en Y-as.

b. Plated-Through Holes

Minimale openingdiameter wordt bepaald door dikte van het gehele materiaal. Aspectverhouding wordt meestal gebruikt om een moeilijkheidsgraad aan te duiden, namelijk verhouding tussen materiaaldikte en openingdiameter. Bijvoorbeeld: aspectverhouding 5:1 en stripline printplaat met dikte 3,3 mm (0,13 inch) duidt aan dat minimale openingdiameter 0,66 mm (0,026 inch) is.

Over het algemeen is een aspectverhouding van ongeveer 3 gemakkelijker te fabriceren, 5 moeilijker en 10 extreem moeilijk en soms zelfs niet te fabriceren. Kortom: plated-through holes met hoge aspectverhouding zijn gemakkelijker te fabriceren op dun materiaal, terwijl boren van gaten met hoge aspectverhouding moeilijker is. Bij boren van gaten met diameter kleiner dan 0,33 mm (0,013 inch) zijn gebroken boor en via-rouwheid praktische problemen. Gaten met hoge aspectverhouding zijn moeilijk te reinigen, activeren en metaliseren. Vanwege dispersie van oplossing, wordt metalisatie onevenredig verdeeld binnen een gat. Beperkte dispersie vermindert materiaaltransmissie van atomen en moleculen binnen gaten en maakt oorspronkelijke stroomverdeling van platen complex.

Gatdiameter kan worden geregeld voor en na metalisatie. Metalisatie doet gatdiameter krimpen met twee maal geplaatste dikte. Openingfout na metalisatie wordt beperkt door fout die optreedt tijdens boren en metalisatie. Hoewel strengere tolerantie bereikt kan worden, is een tolerantiezone van 0,13-0,25 mm (0,005-0,01 inch) het meest voorkomend. Over het algemeen stijgen kosten en moeilijkheidsgraad met vermindering van openingdiametertolerantie. Een ervaringsregel: als aspectverhouding groter is dan 4:1, moet via-diameter worden verhoogd tot 0,10 mm (0,04 inch) of meer.

Openingdiameter na metalisatie kan niet nauwkeurig worden voorspeld door geplaatste stroomdichtheidsverdeling. Verschil in lokale stroomdichtheid doet gemetaliseerde dikte beïnvloeden door openingdiameter, gating dichtheid, omringende schakeling en massavorm. Over het algemeen worden gatdimensie voor metalisatie en minimum metalisatiedikte geregeld om fabricagebaarheid te verhogen. Wanneer plated-through holes massa of interne interconnectie verbieden als mode, is het geschikt om minimum plated-through hole te bepalen. Wanneer gaten als lead-componenten worden beschouwd, moet bilaterale tolerantie in gatdimensies worden overwogen.

Wanneer geëlektrolyseerd tin/lood gesmolten of gereflowd moet worden, moeten gatdimensies worden aangeduid als die voor reflow solderen. In de reflow solderfase beïnvloedt elk detail van ontwerp zoals pad-dimensie, gatdimensie, materiaaldikte en schakelingdikte vloeien van soldeer en dimensies na reflow. Plated-through holes na modulaire beperking mogen niet deels of geheel gesloten worden door metaal.

Metalisatie

a. Geplaatste randontwerpen (Plated Edge Designs)

In meervoudige PCB's is geplaatste rand een acceptabele technologie om mode-onderdrukking plated-through holes te verminderen. Geplaatste randontwerp moet drie tot vier 6,4 mm (0,25 inch) brede connectoren bevatten die verantwoordelijk zijn voor het verbinden van tabs op het hele bord. Talrijke tabs kunnen zo als heel bordvorm worden geproduceerd. Geplaatste rand moet overlappen met breedte van ten minste 1,3 mm (0,050 inch) van boven- of onderlaag voor sterkere mechanische hechting. Dikte van metalisatie moet ten minste 0,025 mm (0,001 inch) zijn.

b. Koperplating

Voor plating worden alle metaaloppervlakken en blootgestelde dielektrica bedekt met een laag coating zonder elektroplating of geleiding. Vervolgens wordt noodzakelijke koperdikte op het hele bord of graphics geplateerd.

Over het algemeen is panel plating een optimale keuze als dikte-uniformiteit strikt vereist is. Immers, afbeelding beïnvloedt platingverdeling niet. Bovendien, wanneer dikke metalisatie nodig is, kan panel plating een grote hoeveelheid metaal verwerken zonder brugvorming tussen afbeeldingen. Integenstelling, image plating kan alleen als optimale keuze worden beschouwd wanneer spordikte/afstandstolerantie hoge strictheid vereist, omdat koperfolie die geëtst moet worden, samengebracht wordt door substraatmateriaal met hetzelfde dikteniveau.

Mechanische prestaties van plating koper bepalen thermische schokweerstand en thermische cycli-weerstand van plated-through hole. In solderassemblageproces en omgevingstemperatuurcirculatie kunnen kraken in plated-through holes ontstaan. Koper moet voldoende buigzaam zijn om hoge temperatuurschok te weerstaan en vermoeidingsbreuk door lagere omgevingstemperatuur te weerstaan. Bij hoge betrouwbaarheid wordt geadviseerd door PCB-fabrikanten om zuur plating koper systeem toe te passen, omdat plating koper buigzaamheid van ten minste 20% en trekkracht van ten minste 2,76×10⁸ Pa kan bereiken.

Platingdikte bepaalt meestal minimum dikte van plated-through hole wand die meestal geregeld wordt op 0,0025 mm (0,001 inch). Onthoud: hole wand van 0,0025 mm (0,001 inch) zal een dikte van 0,004-0,005 mm (0,0015-0,002 inch) van andere oppervlakken veroorzaken. Als image plating soldertechnologie niet wordt toegepast, zal platingdikte 0,05 mm (0,002 inch) overschrijden, wat corrosienauwkeurigheidsproblemen oproept.

In panel plating en image plating beïnvloeden gat typen metaalverdeling. Onafhankelijke gaten ontvangen snellere soldering dan dichte gaten. Dikte-uniformiteitsniveau van metaal op componenten wordt bepaald door percentage metaal bedekt in platinggebied. Wanneer gaten en afbeelding niet gelijkmatig verdeeld zijn, zal tolerantie groter zijn. Een typische plating koperdikte is ±0,013 mm (0,005 inch). Zodra tolerantie ±0,005 mm (0,0002 inch) of lager is, wordt fabricagebaarheid verminderd.

Als metalisatiedikte of totale eindproductdikte geregeld is, moet tolerantie een som zijn van platingtolerantie en koperfoliedikte en/of dielektrische tolerantie. Dikte van koperfolie wordt bepaald door kopergewicht per eenheid oppervlakte.

RA koperfolie heeft lagere dikte-tolerantie dan elektrolytische koperfolie. Daarom vindt lichte verandering in koperfoliedikte plaats maar eisen kunnen nog worden gehaald. Het is gevonden dat dikteverandering ±0,005 mm (0,0002 inch) op 0,5 tot 1 oz koperfolie plaatsvindt.

Totale metalisatiedikte wordt verkregen door microscopische analyse na polijsten en etsen. Intern monster wordt rond componenten geplaatst en van paneel afgeknipt. Intern monster biedt de beste indicator voor componentdikte. Als intern monster niet wordt toegepast, kan monster aan zijkant worden toegevoegd of componenten voor destructieve test.

Etching

De finale fabricagenauwkeurigheid is de som van afwijkingen van imaging en etching.

Kraken zijn moeilijker te imaginen en etsen dan lijnen. Indien mogelijk, is het nodig om kraken breder te regelen dan lijnen in hoogdichte schakelingen. Wanneer lijnen en kraakbreedte lager is dan 0,10 mm (0,004 inch), wordt fabricagebaarheid verminderd.

Het is dramatisch moeilijk om lijnen te verkrijgen die twee keer kleiner zijn dan koperfoiledikte. Dit betekent dat 0,035 mm (0,0014 inch) lijnen perfect werken voor 0,5 oz [0,017 mm (0,00067 inch)] koperfolie, terwijl 0,070 mm (0,0028 inch) lijnen perfect werken voor 1 oz [0,035 mm (0,00014 inch)] koperfolie. Over het algemeen is het het beste om vereiste koperfoiledikte te verlagen.

Smalle lijnen gescheiden door brede gaten zijn gemakkelijker te etsen dan dichte fijne lijnen. Wanneer lijnen richting veranderen, zijn scherpe hoeken moeilijker te etsen dan curve overgang of 45° hoek.

Samenvattend: uitstekende substraatmateriaalbepaling, redelijke en wetenschappelijke elektrische kenmerkaanpassing en andere significante aspectenregeling, zeker leiden tot een nauwkeurig RF/microgolf-PCB-ontwerp waarop betrouwbare eindproducten volledig verwacht kunnen worden.

Nuttige bronnen

• Teugels en oplossingen in RF PCB-ontwerp
• PCB-ontwerp voor radiofrequente schakeling en elektromagnetische compatibiliteit
• De sleutel PCB-ontwerpprincipes die u moet kennen
• Mogelijke problemen en oplossingen in het proces van PCB-ontwerp
• Hoe kwaliteitsinspectie van PCB's te implementeren
• Volledige PCB-fabricageservice van PCBCart - Meerdere toegevoegde waarde opties
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Vanaf 1 stuk