במכשירים אלקטרוניים-מתקדמים כגון תקשורת 5G, מכ"ם גלי מילימטר נהיגה אוטונומית ומתגי מהירות-גבוהים במרכזי נתונים בינה מלאכותית, מעגלים מודפסים בתדר גבוה-במהירות גבוהה כבר הפכו לנושא הליבה שקובע את היציבות של העברת אותות המערכת. בניגוד לרגילמעגלים fr4שעומדים רק בדרישות חיבור המעגל הבסיסיות, בחירת החומר שלתדירות גבוההומעגלים מודפסים-במהירות גבוהה קובעים ישירות את בקרת האובדן, דיוק העכבה והאמינות-לטווח ארוך של אותות בפס התדרים של ה-GHz. היום, נפרק באופן שיטתי את ההיגיון המרכזי של בחירת חומרי PCB בתדירות גבוהה ובמהירות-גבוהה, ממחווני ליבה, בחירת מוצר מיינסטרים ועד תרחישי יישומים טיפוסיים.
6 מחווני ליבה לבחירת חומרי PCB בתדירות גבוהה-במהירות גבוהה
מהנדסים רבים נוטים ליפול לתפיסה המוטעית של "להסתכל רק על המותג ולא על הפרמטרים" בעת בחירת החומרים. למעשה, ששת האינדיקטורים הבאים הם הקריטריונים המרכזיים לקביעת תאימות הלוח:
1. קבוע דיאלקטרי (Dk) ויציבות: זהו פרמטר הליבה הבסיסי ביותר של גיליון מתכת בתדירות גבוהה, הדורש ערך Dk נמוך ותנודות מינימליות בטמפרטורה ובתדר. בתרחישים בתדר גבוה, יש לשלוט בסובלנות Dk בתוך ± 0.1 כדי למנוע סטייה בלתי נשלטת במהירות שידור האות. לדוגמה, לוח ה-Dk של Rogers RO4350B נשלט ביציבות ב-3.48, עם תנודות של פחות מ-±2% בטווח טמפרטורות רחב של -50 מעלות עד 150 מעלות, ועומד במלוא הדרישות הסביבתיות הקשות של מכ"ם רכב.
2. גורם הפסד דיאלקטרי (Df): הוא קובע ישירות את אובדן האנרגיה של האות במהלך השידור. בתרחישים בתדר גבוה מעל 10GHz, יש לשלוט על ערך Df מתחת ל-0.005 כדי למנוע את הבעיה של הנחתה מופרזת של משרעת ויחס אות{4}}ל-לא מספיק רעש של אותות בתדר גבוה לאחר חיווט-למרחק ארוך. ה-Df של לוח FR-4 רגיל הוא בדרך כלל מעל 0.02, וזה לחלוטין לא מתאים להעברת אותות SerDes במהירות גבוהה מעל 25Gbps.
3. התאמת מקדם התפשטות תרמית (CTE): לוחות מעגלים מודפסים במהירות גבוהה-מגיעים לרוב עם עיצובי נחושת עבים-רב-שכבתיים, ומקדם ההתפשטות התרמית של ציר Z- של הלוח צריך להתאים למאפייני ה-CTE של רדיד הנחושת. אחרת, בעיות כשל כגון שבר חור מתכת וחוסר יישור בין-שכבות נוטות להתרחש במהלך תהליכי הלחמה חוזרת מרובים. לוחות בתדר גבוה באיכות גבוהה ישונו באמצעות טכנולוגיית מילוי קרמיקה כדי לשלוט בציר Z-CTE תוך 30ppm/מעלה, מה שישפר מאוד את האמינות-לטווח הארוך של לוחות מרובי-שכבות.
4. חספוס של נייר נחושת: בהעברת אותות בתדר גבוה, אפקט העור יגרום לזרם להתרכז בשכבה דקה מאוד על פני נייר הנחושת. חספוס מוגזם של רדיד נחושת יגדיל באופן משמעותי את אובדן המוליך. לוחות מעגלים מודפסים עם תדר גבוה ומהירות גבוהה- ישתמשו ברדיד נחושת בפרופיל נמוך (HVLP) כדי לשלוט בחספוס פני השטח בטווח של 0.2 מיקרומטר, מה שיכול להפחית את אובדן המוליכים ביותר מ-30% בפס תדר הגל המילימטרי.
5. קצב ספיגת מים: לאחר ספיגת מים, אחידות הקבוע הדיאלקטרי של הלוח תשתנה ישירות, וכתוצאה מכך שינויים פתאומיים בעכבה ואיבוד אות מוגבר. בתרחישים בתדירות גבוהה, קצב ספיגת המים של הלוח נדרש להיות פחות מ-0.1%. חומרים מבוססי PTFE בתדר גבוה מתפקדים הרבה יותר מאשר מצעי שרף אפוקסי רגילים במדד זה.
6. מוליכות תרמית: בתרחישים כגון מגברי RF 5G וכרטיסי האצת בינה מלאכותית, צפיפות שטף החום המקומית של לוחות מודפסים בתדר גבוה- גבוהה במיוחד, הדורשת מקדם מוליכות תרמית של מצע של 0.8W/m · K ומעלה. תרחישי הספק מסוימים אפילו דורשים שימוש בלוחות מוליכות תרמית גבוהה עם מקדם מוליכות תרמית העולה על 2W/m · K כדי למנוע סחף אות הנגרמת על ידי התחממות יתר מקומית.
לוח מעגלים מודפסים במהירות גבוהה של-אריזה של שבב מיקרו-ננו: מותאם במיוחד לתרחישי שילוב של אותות דיגיטליים ומכשירים אופטו-אלקטרוניים, תוך הסתמכות על טכנולוגיית אריזה ברמת מיקרו ננו כדי להשיג דיוק חיבורים גבוה במיוחד, ביצועים מצוינים בהעברת אותות-במהירות גבוהה של מודולים אופטיים של 100G במודולים האופטיים של מודולים מודפסים ומשקף את המעגלים המודפסים של המעגל האופטי, ופתרון המעגל המודפס.
לוח סליל נחושת 14 שכבות 4oz עבה: פותח עבור תרחישים של טעינה אלחוטית ומודול RF גבוה-בכלי רכב אנרגיה חדשים, תוך שימוש במצע נחושת עבה בתדר גבוה בשילוב עם טכנולוגיית לחץ מעורב לשאת זרם גבוה תוך הבטחת שידור נמוך של הפסד נמוך של אותות-תדר גבוה, פתרון נקודת הכאב של התעשייה של זרם גבוה ואיזון תדר גבוה{4}.
לוח רב-שכבתי בלחץ מעורב של Rogers: על ידי ערבוב בין-שכבתי של חומרים בתדר גבוה כגון RO4350B עם חומרים fr4 רגילים, משתמשים במצעי תדירות עם אובדן נמוך- בשכבת אות המפתח, ומוליכות תרמית גבוהה fr4 משמשת בשכבות הכוח והאדמה. זה מפחית באופן משמעותי את עלות הלוח הכוללת תוך הבטחת ביצועי-תדרים גבוהים, וכרגע הוא פתרון הבחירה המרכזי עבור לוחות RF של תחנות בסיס מאקרו 5G.
היגיון בחירה עבור אזורי יישום טיפוסיים
לבחירה של חומרי PCB בתדירות גבוהה-במהירות גבוהה בתעשיות שונות יש מוקדים שונים לחלוטין, וככל שהביצועים של הלוח גבוהים יותר, כך הוא מתאים יותר
בתחום תקשורת 5G, לוחות מילוי קרמיים מסדרת Rogers RO4000 מועדפים עבור אנטנות תחנות בסיס ומודולים קדמיים של RF- כדי לאזן בין יציבות דיאלקטרית ותאימות עיבוד; הלוח האחורי של 200G/400G במהירות גבוהה-במרכז הנתונים ישתמש במצעים בעלי מהירות Df נמוכה במיוחד- כגון Panasonic Megtron 7, עם התמקדות בשליטה באובדן השידור של אותות טוריים מעל 25Gbps.
בתחום האלקטרוניקה לרכב: מכ"ם גל מילימטר 77GHz חייב להשתמש בלוחות בתדר גבוה עם מקדם טמפרטורה קבוע דיאלקטרי של פחות מ-50ppm/מעלה כדי להבטיח שטווח זיהוי המכ"ם לא משתנה באופן משמעותי בתוך טווח הטמפרטורות המלא של הרכב של -40 מעלות עד 85 מעלות; ה-PCB של השער המהיר המותקן במכונית ישתמש בלוח fr4 שונה בתדר גבוה, המאזן בין עלות ושלמות האות, תוך עמידה בדרישות האמינות של תקני הרכב IATF16949.
בתחומי התעופה והחלל וההגנה, מועדפים מעגלים מודפסים בתדר גבוה עם מצע PTFE עבור ציוד תקשורת לווייני, משבשי מכ"ם ותרחישים אחרים. הם שומרים על ביצועים דיאלקטריים יציבים בסביבות חלל קיצוניות ומתנגדים להשפעות רטט חזקות באמצעות תהליכי חיזוק בין-שכבתיים מיוחדים.
בתחום המכשור הרפואי והבדיקות, לוחות מודפסים בתדר גבוה עבור סלילי MRI RF, מנתחי ספקטרום וציוד אחר דורשים אחידות גבוהה במיוחד של קבוע דיאלקטרי. לוחות תדירות גבוהים מיובאים-נבחרים בדרך כלל כדי למנוע חריגה מתוצאות הבדיקה הנגרמת על ידי פרמטרים מקומיים לא אחידים של הלוח.
מעגלים fr4, PCB בתדר גבוה