تبدأ ترددات الموجات المليمترية عند 30GHz وتمتد حتى 300GHz. وضمن هذا المجال، تتوقف اللوحة الفعلية عن التصرف بالطريقة التي يتنبأ بها مخطط الدائرة. فالانتقال عبر via الذي يبدو قصرا مثاليا عند 10GHz يصبح بنية رنانة ذات محاثة قابلة للقياس وانعكاس خاص بتردد 77GHz. كما أن خشونة السطح التي لا تكاد تُذكر عند ترددات الميكروويف تضيف 30–40% من فقد الموصل عند الموجات المليمترية. والفجوة في المستوى الأرضي التي تمر بلا ملاحظة عند 5GHz تطلق surface wave تفسد نمط إشعاع هوائي 60GHz.
تتناول هذه المقالة ما الذي يتغير فيزيائيا عندما يعبر التردد إلى نطاق الموجات المليمترية، وما الذي تفرضه تلك التغيرات على ركيزة PCB، وهندسة المسارات، وبنى الـ via، وعملية التصنيع. ويُعد Rogers RO3003، بقيم Dk 3.00 ± 0.04 وDf 0.0010 وTcDk −3 ppm/°C، الركيزة التي تُبنى حولها معظم تصاميم لوحات mmWave التجارية. وفهم السبب وراء ذلك يتطلب فهم الفيزياء التي تجعل المواد الأخرى غير كافية.
البيئة الفيزيائية للموجات المليمترية على لوحة PCB
توجد ثلاثة تأثيرات فيزيائية، جميعها تتدرج مع التردد، تصبح مهيمنة فوق 30GHz وتحدد متطلبات المادة والهندسة للوحات mmWave:
التأثير 1: يصبح عمق الجلد قريبا من خشونة الموصل
يتبع عمق الجلد في النحاس العلاقة δ = 1 / √(π × f × μ × σ). وعند 77GHz تكون القيمة حوالي 0.24 μm. يمتلك النحاس القياسي المترسب كهربائيا خشونة سطح RMS بقيمة Ra ≈ 5–7 μm، أي أكبر من عمق الجلد بعشرين إلى ثلاثين مرة. ويُجبر التيار على اتباع تضاريس السطح الخشن، فيسلك فعليا مسارا أطول من طول المسار المستقيم. والنتيجة هي فقد موصل أعلى بنسبة 30–40% مما ينتجه سطح مستو.
يقلل النحاس ED منخفض الخشونة (Ra ≈ 1.5 μm) هذه العقوبة عند 77GHz، لكنه لا يزيلها. فما تزال نسبة الخشونة إلى عمق الجلد تقارب 6:1. وتبلغ زيادة فقد الموصل مقارنة بالنحاس الأملس المثالي نحو 10–15% مع الرقائق منخفضة الخشونة، مقابل 30–40% مع الرقائق القياسية. وبالنسبة إلى شبكة تغذية إرسال بطول 3 بوصات، يكون هذا الفارق قابلا للقياس، ولهذا يُعد النحاس منخفض الخشونة المواصفة القياسية في برامج RO3003 للموجات المليمترية، وليس خيار ترقية.
هذه مواصفة على مستوى الصفائح: يجب تحديدها عند طلب مادة Rogers، وليس أثناء التصنيع أو بعده. تقوم APTPCB بتوريد جميع برامج RO3003 للموجات المليمترية باستخدام نحاس ED منخفض الخشونة أو RTF (Reverse Treated Foil) كمعيار افتراضي.
التأثير 2: تصبح أبعاد الـ via قريبة من البنى الرنانة
عند الترددات المنخفضة، يُنمذج via الثقب النافذ الذي يصل مسار microstrip بطبقة داخلية أو مستوى أرضي على أنه محاثة مجمعة صغيرة ويمكن التنبؤ بها وتعويضها بسهولة. أما عند ترددات الموجات المليمترية، فتقترب الأبعاد الفيزيائية للـ via من ربع الطول الموجي كهربائيا. فـ via بقطر 0.3mm في لوحة بسماكة 1.6mm يمتلك طول stub يرن تقريبا عند 46GHz في الهواء، ويكون أقل بكثير عند إحاطته بعازل. وفي تصميم 77GHz يقع هذا الرنين ضمن نطاق التشغيل ويُنشئ transmission null، أي فقدانا كاملا للإشارة عند تردد محدد.
الحلول هي: blind vias تصل فقط إلى الطبقة المطلوبة من دون stub أسفلها، أو back-drilling لإزالة جزء الـ stub من via الثقب النافذ باستخدام مثقاب أكبر قليلا، أو تقليل طول الـ stub عبر تصميم stackup بوضع طبقات الإشارة قرب سطح اللوحة. وكل هذه الحلول تتطلب تصميما مقصودا، فهي لا تحدث تلقائيا.
التأثير 3: تصبح أنماط surface wave نشطة
في بنية microstrip، يكون نمط الإرسال المهيمن موجة شبه TEM موجَّهة بواسطة المسار فوق المستوى الأرضي. وعند الترددات العالية، تدعم الركيزة العازلة أيضا أنماط surface wave، وهي موجات تنتشر جانبيا داخل العازل بدلا من السير على طول المسار. وتشع هذه الموجات عند حدود العازل، وتقترن بالمسارات والعناصر الهوائية المجاورة، وتفسد نمط إشعاع الهوائي.
يحدد ثابت العزل للركيزة تردد القطع لتحفيز أنماط surface wave. وتمتلك الركائز ذات Dk المنخفض ترددات قطع أعلى، وهذا أحد أسباب تفضيل Dk البالغ 3.00 في RO3003 على البدائل ذات Dk الأعلى في مصفوفات هوائيات mmWave. ويكون الحد الأدنى لموجة السطح من النمط TM₀ على صفيحة عازلة مؤرضة لا نهائية تقريبا:
f_c (GHz) ≈ 75 / (h_mm × √(Dk − 1))
بالنسبة إلى قلب RO3003 بسماكة 0.254mm (10 mil) وقيمة Dk = 3.00: f_c ≈ 75 / (0.254 × √2.00) ≈ 209 GHz. لذلك لا يعد تحفيز surface wave مصدر قلق عملي في تصاميم 77GHz على RO3003 بسماكة 10 mil. أما مع قلب أكثر سماكة أو Dk أعلى، فينخفض تردد القطع، ولهذا تظل سماكة القلب عاملا مهما في تصميم stackup للموجات المليمترية.
تمنع vias الأرضي التي تحيط بمسارات microstrip الطاقة من التسرب جانبيا إلى أنماط surface wave. وعند 77GHz يجب أن يبقى تباعد via الأرضي أقل من λ_guide / 4 ≈ 0.56mm على طول حافة المسار لقمع الانتشار الجانبي.
متطلبات الركيزة الخاصة بـ mmWave: لماذا RO3003
تحدد التأثيرات الفيزيائية الثلاثة أعلاه ما الذي يجب أن توفره ركيزة mmWave. وبالقياس إلى تلك المتطلبات:
استقرار Dk من أجل تماسك الطور. يوجّه رادار phased-array عند 77GHz الحزمة عبر إنشاء تأخيرات طور مضبوطة بين العناصر. وإذا تغير Dk بنسبة ±10% عبر اللوحة كما يحدث في FR-4، يصبح تأخير الطور على مسار تغذية كل عنصر غير قابل للتنبؤ، ولا تستطيع خوارزميات تشكيل الحزمة تعويض تغيرات عشوائية تعتمد على موضع الركيزة. إن هامش Dk البالغ ±0.04 في RO3003 (±1.3%) يجعل مساهمة الركيزة في تغير الطور مهملة.
Df من أجل فقد الإدخال في شبكة التغذية. يحدد فقد الإدخال في شبكة تغذية رادار 77GHz مقدار قدرة الإرسال التي تصل إلى فتحة الهوائي ومقدار الضجيج الموجود في سلسلة الاستقبال قبل وصول أي إشارة من الهدف. وعند Df = 0.0010، يوفّر RO3003 نحو 0.31 dB/inch من الفقد العازل عند 77GHz. أما FR-4 بقيمة Df = 0.020 فيعطي 6.2 dB/inch، وهو غير صالح لأي شبكة تغذية ذات معنى. وحتى RO4350B بقيمة Df = 0.0037 يعطي 1.17 dB/inch، ما يقيّد طول شبكة التغذية بشدة.
TcDk من أجل التشغيل في جميع الأحوال الجوية. إن رادار السيارات الذي يعمل بشكل مثالي عند درجة حرارة الغرفة ثم ينحرف عن المواصفة عند −40°C ليس منتجا متوافقا. وتعني قيمة TcDk البالغة −3 ppm/°C في RO3003 أن الطول الموجي الموجَّه عند 77GHz يتغير بأقل من 0.04% عبر مجال السيارات من −40°C إلى +85°C. هذا الاستقرار يجعل الأداء في جميع الأحوال الجوية خاصية مادية، لا ميزة برمجية.
يغطي سياق مواصفات واختيار مادة Rogers RO3003 هذه الخصائص مع الرياضيات الهندسية الكاملة. أما عملية التصنيع التي تنتج لوحة تطابق هذه المواصفات فمغطاة في دليل تصنيع لوحات RO3003.
تصميم انتقال الـ via في mmWave: إزالة الرنين بالتصميم
يمثل انتقال الـ via النقطة التي تختلف فيها معظم عتاد mmWave الفعلي عن محاكاة mmWave الكهرومغناطيسية. فالمحاكاة تنمذج الانتقال عادة على أنه مثالي، بينما يختبر العتاد البنية الرنانة كاملة. ويتطلب سد هذه الفجوة التعامل مع كل via على أنه عنصر تصميم RF.
الدائرة المكافئة الكاملة لـ via في mmWave
يتضمن النموذج الدقيق لـ via الإشارة عند 77GHz ما يلي:
- محاثة البرميل: نحو ~0.5–1.0 nH لــ via بقطر 0.3mm في قلب بسماكة 0.254mm. وعند 77GHz تكون ممانعة هذه المحاثة L × ω ≈ 0.75 nH × 2π × 77×10⁹ ≈ 362 Ω، وهي ليست مهملة.
- سعة الوسادة: تُدخل وسادة هبوط الـ via على كل طبقة سعة تفرعية (~0.05–0.1 pF) تعوّض جزئيا محاثة البرميل. وتحدد المفاعلة الصافية ما إذا كان الانتقال تحريضيا أو سعويا أو مطابقا تقريبا عند تردد التصميم.
- Via stub: يعمل أي طول via أسفل آخر طبقة موصولة على أنه stub مفتوح النهاية. ويحدد تردد رنين ربع الموجة لهذا الـ stub موضع transmission null. وبالنسبة إلى stub بطول 0.5mm داخل عازل RO3003، يقع هذا الرنين تقريبا عند 77GHz، أي مباشرة داخل نطاق التشغيل.
إزالة الـ stub: ثلاث طرق عملية
الطريقة 1: blind vias من طبقة RO3003 الخارجية إلى أول مستوى مرجعي داخلي. ينتهي الـ via تماما عند الطبقة المطلوبة، لذلك لا يوجد stub. تبلغ نسبة الأبعاد القصوى للـ blind via في طبقات RO3003 لدى APTPCB مقدار 0.8:1 (القطر:العمق). وبالنسبة إلى قلب بسماكة 0.254mm، يكون الحد الأدنى لقطر via الموافق هو 0.32mm. ويجب التحقق من هذا القيد لكل blind via أثناء DFM.
الطريقة 2: back-drilling لإزالة الـ stub. بعد طلاء vias الثقوب النافذة، يزيل مثقاب أكبر قليلا جزء البرميل غير الوظيفي أسفل آخر طبقة موصولة. تحقق APTPCB دقة عمق back-drill تبلغ ±50 μm. وفي لوحة بسماكة 1mm تحتوي على طبقة إشارة عند عمق 0.3mm، يزيل back-drilling نحو 0.7mm من الـ stub بدقة كافية لدفع رنين الـ stub الناتج فوق 100GHz.
الطريقة 3: تصميم stackup لتقليل طول الـ stub. إن وضع طبقة إشارة RF أقرب ما يمكن إلى سطح اللوحة، وهو ما تفعله بنية microstrip في الطبقة الخارجية أساسا، يقلل الـ stub الناتج عن أي via ثقب نافذ. وفي قلب خارجي من RO3003 بسماكة 10 mil يكون طول الـ stub في via الثقب النافذ 0.254mm فقط، مع رنين أعلى من 150GHz.
يغطي دليل تصميم الدارات على Rogers RO3003 نمذجة انتقالات الـ via، وتحسين anti-pad، وقواعد تموضع via الأرضي المطبقة عند 77GHz بتفصيل هندسي كامل.
بنية مصفوفة الهوائيات على لوحات mmWave من RO3003
تمثل مصفوفة هوائي patch عند 77GHz على RO3003 في الوقت نفسه شبكة خطوط نقل للتغذية وبنية مشعة هي نفسها الـ patches. وتعتمد كلتا الوظيفتين على خصائص الركيزة بطرق مختلفة.
طول رنين هوائي الـ patch
يمتلك هوائي patch نصف الموجي الرنان عند 77GHz طولا فيزيائيا:
L ≈ λ_guide / 2 ≈ c / (2 × f × √Dk) ≈ (3×10⁸) / (2 × 77×10⁹ × √3.00) ≈ 1.12 mm
عمليا، تمدد الحقول الهامشية عند حواف الـ patch الطول الكهربائي الفعال. لذلك يكون طول الرنين الفعلي أقصر بنحو 10–15% من نصف الطول الموجي الموجَّه، أي حوالي 0.95–1.0mm لرقعة على RO3003 بسماكة 10 mil. ويتحسس هذا البعد لـ Dk؛ إذ يسبب تغير Dk بمقدار ±0.04 انزياحا في تردد الرنين بنحو ±0.4GHz. وبالنسبة إلى رادار السيارات العامل عبر النطاق 76–81GHz، يقع هذا التغير داخل النطاق، وهو مقبول لمعظم التصاميم.
مطابقة الطور في شبكة التغذية الشجرية
توزع مصفوفة corporate-feed الإشارة من مصدر RF إلى كل patch عبر شبكة مقسمات قدرة ثنائية التشعب. ولتحقيق beamforming متماسك، يجب أن تصل جميع مسارات تغذية العناصر بسعة وطور متساويين عند كل تردد ضمن نطاق التشغيل.
المطلوب هو تساوي طول المسار الكهربائي، وليس الطول الفيزيائي فقط. وعلى RO3003 يضمن تساوي طول المسارات الفيزيائية ضمن نفس الطبقة العازلة تساوي الطول الكهربائي، لأن Dk منتظم. أما التصاميم التي تمرر خطوط التغذية عبر طبقات مختلفة أو مواد ذات Dk مختلف أو حول عوائق بحمولة عازلة مختلفة، فهي تكسر هذا التكافؤ. وتضمن قيمة TcDk البالغة −3 ppm/°C أن توازن الطور الناتج عن تطابق أطوال المسارات عند درجة حرارة الغرفة يبقى محفوظا عند −40°C و+85°C من دون تعويض نشط.
أسوار via الأرضي للعزل في mmWave
بين عناصر الهوائي، تمثل العزلة عاملا مهما لمنع الاقتران الذي يفسد نمط الإشعاع. وعند 77GHz، ينشئ صف من vias متباعدة بمقدار ≤λ_guide/4 ≈ 0.56mm على طول حدود العناصر سياجا أرضيا فعالا يضعف اقتران surface wave بين العناصر المتجاورة. ويجب أن يكون قطر الـ via وتباعده متسقين لتجنب الرنين داخل بنية السور نفسها، إذ يمكن أن يخلق ذلك حزم مرور يهبط فيها العزل عند ترددات محددة داخل نطاق التشغيل.
الإدارة الحرارية POFV لدوائر RFIC في mmWave
كل دارة transceiver عند 77GHz تحتوي على وسادة حرارية مكشوفة تحتاج إلى مصفوفة POFV تحتها. وعند مستويات القدرة الخاصة بـ mmWave، والتي تكون عادة 10–50mW لكل قناة إرسال، تبدد الوسادة الحرارية في دارة phased-array transceiver عدة واطات ضمن footprint للحزمة يبلغ 5–8mm². وتكاد موصلية RO3003 الحرارية البالغة 0.50 W/m/K تساوي الصفر كمسار جانبي للحرارة. إن مصفوفة via النحاسية هي المسار الحراري الوحيد الفعّال.
بالنسبة إلى transceiver مع وسادة حرارية 4×4mm، تستخدم مصفوفة POFV القياسية من APTPCB قطر via قدره 0.3mm عند pitch مقداره 0.6mm، أي مصفوفة 5×5 توفر تغطية تقارب 60% من مساحة الوسادة الحرارية. ويوصل كل barrel via الحرارة عند ~398 W/m/K عبر سماكة لوحة تبلغ 0.254mm، رابطا الوسادة الحرارية بأرضي chassis أو plate بارد. وتبلغ المقاومة الحرارية الفعالة لهذه الهندسة نحو 15–20°C/W.
يكون شرط استواء سطح POFV، وهو ±10 μm من النحاس المحيط، أكثر أهمية في mmWave منه عند الترددات الأدنى لأن وصلة اللحام فوق الوسادة الحرارية تشكل أيضا جزءا من مسار أرضي RF. إن عدم انتظام طلاء إغلاق POFV يخلق تفاوتا في ارتفاع التثبيت أسفل حزمة IC، ما يؤثر في توزيع فراغات اللحام وربما أيضا في ممانعة عودة أرضي RF عند 77GHz. ويغطي دليل تصنيع لوحات RO3003 استواء POFV، ومواصفات الملء، ومعايير قبول الفراغات باستخدام 3D X-ray في الإنتاج.
تغليف لوحات mmWave: الانتقال من اللوحة إلى الموجّه الموجي ومن اللوحة إلى الشريحة
عند 77GHz وما فوق، يتطلب الربط بين PCB وباقي عناصر المنظومة الترددية العالية، مثل وحدات waveguide أو دوائر flip-chip المثبتة على اللوحة أو لوحة PCB ثانية، تصميما دقيقا لـ RF.
الانتقال من WR-12 waveguide إلى microstrip: يُستخدم للوصول الاختباري وللوحدات التي تتصل بأنظمة waveguide. ويتطلب الانتقال عنصر probe، عادة سنًّا معدنياً مشكلا أو بنية معدنية مطبوعة تمتد داخل فتحة waveguide، لإثارة النمط TE₁₀ في الموجّه الموجي من نمط حقل microstrip على PCB. ويُعد طول الـ probe، وتموضع اللوحة داخل back-short الخاص بالموجّه، وفتحة المستوى الأرضي تحت الـ probe، كلها متغيرات تصميم يجب محاكاتها وضبطها حسب نطاق التشغيل.
دمج دوائر flip-chip: للحصول على أدنى محاثة طفيلية عند واجهة الشريحة مع اللوحة عند 77GHz، يفضل تركيب flip-chip باستخدام bumps لحام مباشرة على وسادات اللوحة بدلا من wire bonding. ويجب أن يتطابق pitch الـ bump وهندسة الوسادات على لوحة RO3003 بدقة مع تخطيط bump الخاص بالشريحة. وتوفر ركائز PTFE مع تشطيب سطحي مستوٍ ومتوافق مع POFV (ويُفضل ImAg) التوازي وجودة السطح اللازمين لتجميع flip-chip.
نمط التثبيت لهوائي مدمج داخل الحزمة (AiP): تستخدم كثير من دوائر transceiver الحديثة عند 77GHz تصاميم AiP حيث يندمج الهوائي داخل ركيزة الحزمة. وعند تركيبها على RO3003 توفر PCB المرجع الأرضي والطاقة والواجهات الرقمية، وليس توجيه إشارة RF. ويجب أن يحافظ نمط التثبيت على استمرارية المستوى المرجعي تحت الحزمة من دون إدخال via stubs قد تفسد نمط إشعاع هوائي الحزمة.
التأهيل والإنتاج لبرامج mmWave
يتبع مسار التأهيل للوحات RO3003 الخاصة بالموجات المليمترية البنية نفسها المتبعة في برامج السيارات الأخرى، لكنه يضيف متطلبات اختبار خاصة بـ RF:
- اختبار ممانعة TDR على كل لوح إنتاج (لبنى الممانعة المضبوطة)
- التحقق من فقد الإدخال لأول عينة باستخدام VNA (S21 عبر طول ممثل لشبكة التغذية)
- فحص فراغات الوسادة الحرارية بواسطة 3D AXI بعد تجميع SMT
- فحص microsection مقطعي مع قياسات نحاس via وفق IPC Class 3
- شهادة COC لمادة Rogers مع تتبع الدفعة
في برامج OEM الخاصة برادار السيارات 77GHz، تصبح وثائق PPAP Level 3 مطلوبة قبل إطلاق الإنتاج، مع $C_{pk}$ ≥1.67 لممانعة مسارات RF. ويغطي دليل توريد RO3003 PCB مسار PPAP، وبنية سلسلة التوريد VMI، وتسلسل التأهيل المتكامل من التصنيع إلى التجميع لبرامج الإنتاج.
تواصل مع APTPCB لمناقشة متطلبات تصميم لوحات mmWave، أو طلب مراجعة DFM لبرنامج 60GHz أو 77GHz أو 94GHz، أو التحقق من توافر مخزون مادة RO3003 الحالي لعمليات النماذج الأولية السريعة.