Многослойные высокочастотные печатные платы представляют сложную интеграцию материалов, конструкции и производства, необходимую для современных RF и микроволновых систем. Эти платы объединяют несколько слоев специализированных материалов, контролируемые импедансы, сложные структуры via и встроенные компоненты для реализации полных функций схемы в компактной форме. Успешная конструкция и производство требуют скоординированного внимания к выбору материалов, планированию stackup, контролю импеданса и процессам производства.
Это руководство исследует технологию многослойной высокочастотной печатной платы — конструкцию stackup, контроль импеданса, технологии via, производство и тестирование — и предоставляет инженерам знания для спецификации и получения плат, соответствующих требованиям высокочастотных приложений.
Проектирование stackup для высокочастотных приложений
Stackup определяет расположение слоев, толщины диэлектрика, материалы и функции слоев, влияющие на производительность, производство и стоимость. Хорошо спроектированный stackup уравновешивает требования импеданса, требования маршрутизации, требования управления теплом и ограничения производства.
Структура stackup типичного
Многослойная высокочастотная печатная плата может содержать:
- Слой 1 (верхний сигнал): Микроstrip линии передачи с плоскостью отсчета ниже
- Слой 2 (плоскость отсчета): Непрерывная плоскость массы для возврата сигнала
- Слои 3-4 (внутренние сигналы): Stripline линии передачи между плоскостями отсчета
- Слой 5 (плоскость отсчета): Непрерывная плоскость массы
- Слой 6 (нижний сигнал): Микроstrip линии передачи с плоскостью отсчета выше
- Слой 7 (плоскость питания): Распределение мощности для активных устройств
Выбор толщины диэлектрика
Толщины диэлектрика между слоями определяют импеданс линий передачи:
- Более тонкий диэлектрик → более низкий импеданс (более высокая емкость)
- Более толстый диэлектрик → более высокий импеданс (более низкая емкость)
- Типичные толщины: 4-10 mil для микроstrip, 8-15 mil для stripline
Выбор толщины должен позволять достижение целевых импедансов в пределах производимых ширин проводника (типично 4-20 mil).
Материальные комбинации
Многослойные платы часто используют комбинации материалов:
- Слои RF: Материалы PTFE или заполненные керамикой для низких потерь
- Слои цифровые: Стандартные материалы или гидроуглеводные для экономии
- Переходные слои: Материалы, совместимые с обоими типами для надежного ламинирования
Соображения симметрии
Симметричная конструкция stackup (отражение вокруг центральной плоскости) минимизирует деформацию во время производства:
- Равные толщины выше и ниже центра
- Равные материалы выше и ниже центра
- Минимизирует коробление и напряжение
Реализация контроля импеданса в многослойных конструкциях
Контроль импеданса в многослойных платах требует точной геометрии проводника, последовательной толщины диэлектрика и характеризации материалов.
Микроstrip конструкция
Микроstrip линии на внешних слоях над плоскостью отсчета:
- Импеданс зависит от ширины проводника, толщины диэлектрика и Dk материала
- Дисперсия с частотой из-за неоднородного диэлектрика
- Доступ к компонентам для монтажа и зондирования
Stripline конструкция
Stripline линии между плоскостями отсчета:
- Однородный диэлектрик устраняет дисперсию
- Лучший контроль импеданса, чем микроstrip
- Более строгие допуски толщины диэлектрика требуются
Дифференциальные пары
Связанные пары для высокоскоростных дифференциальных сигналов:
- Контроль как одноконечного, так и дифференциального импеданса
- Связь между проводниками влияет на импеданс режима нечетного
- Расстояние между проводниками определяет связь
Верификация импеданса
Тестирование TDR на coupon производства подтверждает достигнутый импеданс:
- Структуры coupon представляют реальные геометрии
- Позиции coupon множественные показывают однородность панели
- Статистический анализ поддерживает контроль процесса
Технологии via для многослойных конструкций
Структуры via соединяют слои, обеспечивают пути возврата и создают связи между функциональными разделами.
Сквозные via (через всю плату)
Стандартные via, пробуренные через всю толщину платы:
- Простая технология, низкие затраты
- Занимают пространство на всех слоях
- Могут создавать помехи на внутренних слоях
Слепые via
Via, соединяющие внешний слой с внутренним слоем, не проходящие через всю плату:
- Экономят пространство на противоположном слое
- Требуют последовательного ламинирования
- Более высокие затраты, чем сквозные via
Захороненные via
Via, соединяющие только внутренние слои:
- Не видны на внешних слоях
- Требуют последовательного ламинирования
- Максимальное использование пространства
Микровиа (лазерное сверление)
Via диаметром < 100 μm, просверленные лазером:
- Очень малые размеры для высокой плотности
- Низкая индуктивность для высокочастотных приложений
- Требуют специализированного оборудования и процессов
Ritorni (подавление stub)
Контролируемое по глубине сверление устраняет длинные стабы via:
- Предотвращает резонансы четверть-волны на высоких частотах
- Требует прецизионного контроля глубины сверления
- Добавляет примерно 10-15% к затратам производства
Последовательное ламинирование для сложных конструкций
Последовательное ламинирование позволяет слепые и захороненные via через несколько этапов ламинирования.
Процесс последовательного ламинирования
- Первое ламинирование: Соединяет внутренние слои, создает захороненные via
- Сверление и обработка: Создает слепые via в первом ламинате
- Второе ламинирование: Добавляет внешние слои, создает сквозные via
- Завершение: Стандартные процессы травления, покрытия и отделки
Сложность и затраты
Последовательное ламинирование добавляет сложность:
- Дополнительные этапы обработки
- Более строгие требования к выравниванию
- Повышенные затраты на материалы и обработку
- Требуется опыт производства
Применение
Последовательное ламинирование оправдано для:
- Высокоплотных конструкций, требующих максимального использования пространства
- Приложений RF, требующих слепых via для минимизации разрывов импеданса
- Сложных многослойных конструкций с конфликтующими требованиями маршрутизации
Распределение мощности и управление теплом
Многослойные платы часто содержат активные устройства, требующие распределения мощности и управления теплом.
Плоскости питания
Выделенные слои для распределения напряжения питания:
- Низкое импеданс для стабильного питания устройств
- Уменьшение шума питания
- Поддержка высокотоковых путей
Тепловые via
Сети via под устройствами, рассеивающими мощность:
- Передача тепла от устройства к внутренним слоям меди
- Уменьшение сопротивления тепловому потоку
- Позволяет непрерывную работу устройств высокой мощности
Встроенные пассивные элементы
Встроенные конденсаторы и резисторы в диэлектрических слоях:
- Уменьшение размера платы и количества компонентов
- Улучшение производительности через уменьшение индуктивности соединения
- Требуют специализированных материалов и процессов
Производство многослойных высокочастотных плат
Производство требует скоординированного контроля всех процессов.
Обработка материалов
Различные материалы требуют различных параметров:
- Материалы PTFE требуют модифицированного сверления и ламинирования
- Гибридные stackup требуют совместимых материалов ламинирования
- Характеризация процесса для каждой комбинации материала
Контроль выравнивания
Выравнивание слоев критично для импеданса и функции:
- Выравнивание слоя в пределах ±2 mil
- Контроль позиции via для правильного соединения
- Проверка выравнивания через рентгеновскую визуализацию
Контроль толщины диэлектрика
Последовательная толщина диэлектрика необходима для импеданса:
- Контроль потока prepreg во время ламинирования
- Компенсация плотности меди
- Проверка толщины через микросечение
Тестирование и проверка
Полное тестирование подтверждает производительность:
- Тестирование TDR импеданса
- Тестирование электрической целостности
- Анализ микросечения структуры
- Рентгеновская визуализация для скрытых соединений
Применение многослойных высокочастотных плат
Многослойные высокочастотные платы служат сложным приложениям.
Системы RF и микроволн
- Модули передатчика/приемника с интеграцией функций
- Сети в фазе для систем радара
- Системы спутниковой коммуникации
Высокоскоростные цифровые системы
- Серверы и системы обработки данных
- Сетевое оборудование с высокоскоростными интерфейсами
- Системы хранения данных
Смешанные приложения
- Комбинация RF и цифровых функций на одной плате
- Интеграция аналоговых и цифровых сигналов
- Системы с требованиями управления теплом
Для полной информации о производстве, см. наше руководство по Производство высокочастотной печатной платы.