Nei dispositivi elettronici di fascia alta-come la comunicazione 5G, i radar a onde millimetriche per la guida autonoma e gli interruttori ad alta-velocità nei data center IA, i circuiti stampati ad alta-velocità sono già diventati il vettore principale che determina la stabilità della trasmissione del segnale del sistema. A differenza dell'ordinariocircuiti stampati fr4che soddisfano solo i requisiti di connessione del circuito di base, la selezione del materialealta frequenzae i circuiti stampati ad alta-velocità determinano direttamente il controllo della perdita, la precisione dell'impedenza e l'affidabilità a lungo-termine dei segnali nella banda di frequenza GHz. Oggi analizzeremo sistematicamente la logica chiave della selezione dei materiali PCB ad alta frequenza e ad alta-velocità partendo dagli indicatori principali, dalla selezione dei prodotti tradizionali fino agli scenari applicativi tipici.
6 indicatori principali per la selezione dei materiali PCB ad alta frequenza e ad alta-velocità
Molti ingegneri tendono a cadere nell'idea sbagliata di "guardare solo il marchio e non i parametri" quando scelgono i materiali. Infatti, i seguenti sei indicatori costituiscono i criteri fondamentali per determinare la compatibilità del consiglio:
1. Costante dielettrica (Dk) e stabilità: questo è il parametro fondamentale della lamiera ad alta frequenza, che richiede un valore Dk basso e fluttuazioni minime con temperatura e frequenza. Negli scenari ad alta frequenza, la tolleranza Dk deve essere controllata entro ± 0,1 per evitare deviazioni incontrollabili della velocità di trasmissione del segnale. Ad esempio, la scheda Dk della Rogers RO4350B è controllata stabilmente a 3,48, con fluttuazioni inferiori al ± 2% in un ampio intervallo di temperature compreso tra -50 e 150 gradi, soddisfacendo pienamente i severi requisiti ambientali del radar dei veicoli.
2. Fattore di perdita dielettrica (Df): determina direttamente la perdita di energia del segnale durante la trasmissione. Negli scenari ad alta frequenza superiori a 10 GHz, il valore Df deve essere controllato al di sotto di 0,005 per evitare il problema di un'attenuazione di ampiezza eccessiva e di un rapporto segnale-/rumore insufficiente dei segnali ad alta frequenza dopo un cablaggio a lunga-distanza. Il Df della normale scheda FR-4 è solitamente superiore a 0,02, il che è del tutto inadatto per la trasmissione del segnale SerDes ad alta velocità superiore a 25 Gbps.
3. Corrispondenza del coefficiente di espansione termica (CTE): i circuiti stampati ad alta-velocità spesso sono dotati di design in rame spesso multi-strato e il coefficiente di espansione termica dell'asse Z-della scheda deve corrispondere alle caratteristiche CTE della lamina di rame. In caso contrario, è probabile che si verifichino problemi di guasto come la frattura del foro metallizzato e il disallineamento dell'interstrato durante più processi di saldatura a rifusione. Le schede ad alta frequenza di alta qualità verranno modificate tramite la tecnologia di riempimento ceramico per controllare il CTE dell'asse Z- entro 30 ppm/grado, migliorando notevolmente l'affidabilità a lungo-termine delle schede multi-strato.
4. Rugosità della lamina di rame: nella trasmissione del segnale ad alta frequenza, l'effetto pelle farà sì che la corrente si concentri su uno strato molto sottile sulla superficie della lamina di rame. Un'eccessiva rugosità della lamina di rame aumenterà significativamente la perdita del conduttore. I circuiti stampati di fascia alta ad alta frequenza e ad alta-velocità utilizzeranno un foglio di rame a basso profilo (HVLP) per controllare la rugosità superficiale entro 0,2 μ m, il che può ridurre la perdita del conduttore di oltre il 30% nella banda di frequenza delle onde millimetriche.
5. Tasso di assorbimento dell'acqua: dopo aver assorbito l'acqua, l'uniformità della costante dielettrica della scheda verrà modificata direttamente, con conseguenti improvvisi cambiamenti di impedenza e una maggiore perdita di segnale. Negli scenari ad alta frequenza, il tasso di assorbimento d'acqua del pannello deve essere inferiore allo 0,1%. I materiali ad alta frequenza a base di PTFE hanno prestazioni molto migliori rispetto ai normali substrati in resina epossidica in questo indicatore.
6. Conduttività termica: in scenari come amplificatori RF 5G e schede di accelerazione AI, la densità del flusso di calore locale dei circuiti stampati ad alta frequenza e ad alta-velocità è estremamente elevata e richiede un coefficiente di conduttività termica del substrato di 0,8 W/m · K o superiore. Alcuni scenari di alimentazione richiedono addirittura l'uso di schede ad alta conduttività termica con un coefficiente di conduttività termica superiore a 2 W/m · K per evitare la deriva del segnale causata dal surriscaldamento locale.
Scheda a circuiti stampati con packaging ad alta velocità micro nano chip ad alta-: appositamente adattata per scenari di integrazione di segnali digitali e dispositivi optoelettronici ad alta frequenza, che si basa sulla tecnologia di packaging a livello micro nano per ottenere una precisione di interconnessione estremamente elevata, con prestazioni eccellenti nella trasmissione del segnale ad alta- velocità di moduli ottici 100G e risolvendo il problema della riflessione del segnale nell'interconnessione tra chip ottici e circuiti stampati.
Scheda con bobina in rame a 14 strati da 4 once di spessore: sviluppata per gli scenari di ricarica wireless e moduli RF ad alta-potenza nei veicoli a nuova energia, utilizzando uno spesso substrato in rame ad alta frequenza combinato con una tecnologia a pressione mista per trasportare corrente elevata garantendo al contempo una trasmissione a bassa perdita di segnali ad alta-frequenza, risolvendo il punto dolente del settore del difficile equilibrio tra segnali ad alta corrente e alta-frequenza.
Scheda multistrato a pressione mista Rogers: mescolando interstrato materiali ad alta frequenza come RO4350B con normali materiali fr4, vengono utilizzati substrati ad alta-frequenza a bassa perdita nello strato del segnale chiave e fr4 ad alta conduttività termica viene utilizzato negli strati di alimentazione e di terra. Ciò riduce significativamente il costo complessivo della scheda garantendo prestazioni ad alta-frequenza ed è attualmente la soluzione di selezione principale per le schede RF per stazioni base macro 5G.
Logica di selezione per aree applicative tipiche
La selezione di materiali PCB ad alta frequenza e ad alta-velocità in diversi settori ha obiettivi completamente diversi e quanto maggiori sono le prestazioni della scheda, tanto più adatta è
Nel campo della comunicazione 5G, le piastre di riempimento in ceramica della serie Rogers RO4000 sono preferite per le antenne delle stazioni base e i moduli front-RF RF per bilanciare stabilità dielettrica e compatibilità di elaborazione; Il backplane dello switch ad alta velocità da 200 G/400 G-nel data center utilizzerà substrati ad alta velocità-con Df estremamente basso come Panasonic Megtron 7, con particolare attenzione al controllo della perdita di trasmissione dei segnali seriali superiori a 25 Gbps.
Nel campo dell'elettronica automobilistica: il radar a onde millimetriche da 77 GHz deve utilizzare schede ad alta frequenza con un coefficiente di temperatura costante dielettrica inferiore a 50 ppm/grado per garantire che il raggio di rilevamento del radar non oscilli in modo significativo all'interno dell'intervallo di temperatura completo del veicolo compreso tra -40 gradi e 85 gradi; La scheda PCB del gateway ad alta velocità montato sull'auto utilizzerà una scheda fr4 modificata ad alta frequenza, che bilancia costi e integrità del segnale, soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di affidabilità degli standard automobilistici IATF16949.
Nei settori aerospaziale e della difesa, i circuiti stampati ad alta frequenza con substrato in PTFE sono preferiti per apparecchiature di comunicazione satellitare, disturbatori radar e altri scenari. Mantengono prestazioni dielettriche stabili in ambienti spaziali estremi e resistono a forti impatti di vibrazioni attraverso speciali processi di rinforzo dell'interstrato.
Nel campo degli strumenti medici e di test, i circuiti stampati ad alta frequenza per bobine RF MRI, analizzatori di spettro e altre apparecchiature richiedono un'uniformità estremamente elevata della costante dielettrica. Le schede ad alta frequenza importate-di solito vengono selezionate per evitare deviazioni dei risultati del test causate da parametri locali non uniformi della scheda.
circuiti stampati fr4, PCB ad alta frequenza