Высокочастотная печатная плата представляет сложную интеграцию материалов, конструкции и производства, необходимую для современных RF и микроволновых систем. Эти платы объединяют специализированные материалы, 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 высокочастотной печатной платы — конструкцию stackup, структуры линии передачи, инженерию via, гибридные материалы и требования к производству — 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.
Структура stackup типичного
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
Материальные комбинации
Высокочастотные платы часто используют комбинации материалов:
- Слои RF: Материалы PTFE или заполненные керамикой для низких потерь
- Слои цифровые: Стандартные материалы для экономии
- Переходные слои: Совместимые материалы для надежного ламинирования
Соображения симметрии
Симметричная конструкция stackup минимизирует деформацию во время производства:
- Равные толщины выше и ниже центра
- Равные материалы выше и ниже центра
- Минимизирует коробление и напряжение
Реализация структур линии передачи
Высокочастотные печатные платы реализуют различные геометрии линии передачи.
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
Оптимизация переходов
Переходы между типами линии передачи требуют тщательного проектирования:
- Постепенные переходы минимизируют разрывы импеданса
- Позиционирование via для путей возврата низкой индуктивности
- Анализ решателя полей валидирует переходы
Инженерия via для высокочастотных 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:
- 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
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
Гибридные материальные конструкции
Гибридные stackup объединяют различные материалы для оптимизации производительности и затрат.
Комбинации материалов
- RF слои: PTFE для низких потерь
- Цифровые слои: Стандартные материалы для экономии
- Переходные слои: Совместимые материалы для ламинирования
Совместимость ламинирования
- Выбор материалов ламинирования, поддерживающих надежное соединение
- Тестирование совместимости перед производством
- Валидация через микросечение
Оптимизация затрат
- Использование дорогостоящих материалов только где необходимо
- Стандартные материалы в других местах
- Баланс производительности и затрат
Требования к производству высокочастотной печатной платы
Производство требует специализированных процессов и опыта.
Обработка материалов
Сверление:
- Параметры, оптимизированные для типа материала
- Контролируемая подача и скорость мандреля
- Обработка удаления размазывания для материалов PTFE
Ламинирование:
- Циклы, специфичные для материала
- Контроль потока prepreg для последовательной толщины
- Вакуумные системы для удаления воздуха
Подготовка поверхности:
- Активация для адгезии меди
- Промоторы адгезии, специфичные для материала
Контроль импеданса
- Прецизионное травление: Допуск ±0.5 mil для контроля импеданса ±5%
- Контроль толщины диэлектрика: Через процессы ламинирования
- Верификация coupon: Тестирование TDR на производстве
Финишные процессы
- Покрытие меди: Однородность толщины ±10%
- Финишное покрытие: Выбор ENIG, серебро погружением или OSP
- Контроль качества: Проверка размеров и поверхности
Тестирование и верификация качества
Полное тестирование подтверждает производительность и соответствие спецификациям.
Тестирование импеданса
- Измерение TDR: Характеристический импеданс вдоль линий передачи
- Дизайн coupon: Структуры, представляющие реальные геометрии
- Статистический анализ: Cpk и тренд-анализ
Проверка размеров
- Ширина проводника: Разрешение ±0.25 mil
- Размеры gap: Для связанных структур
- Выравнивание слоя: Позиционирование via
Анализ структуры
- Микросечение: Выравнивание слоя, качество покрытия
- Рентгеновская визуализация: Скрытые соединения
- Анализ сечения: Верификация целостности
Применение высокочастотной печатной платы
Высокочастотные печатные платы служат разнообразным приложениям.
Беспроводная коммуникация
- Инфраструктура 5G: Базовые станции, small-cell
- Спутниковая коммуникация: Наземные и космические сегменты
- WiFi и Bluetooth: Модули потребителя
Системы радара
- Радар автомобильный: 77 ГГц для ADAS
- Радар метеорологический: Системы наблюдения
- Аэрокосмический радар: Системы сетей в фазе
Оборудование испытания
- Анализаторы сети: Стандарты и калибровочные приспособления
- Генераторы сигнала: Рабочие сети
- Системы зондирования: Характеризация на уровне wafer
Для полной информации о производстве, см. наше руководство по Производство высокочастотной печатной платы.