Kuulin, että monet laitteistosuunnittelijat kohtaavat keskeisen kysymyksen projektin valintavaiheessa: miksi meidän on valittava erityisesti RF-piirilevyt korkeataajuisiin{0}}RF-skenaarioihin, vaikka tavanomaisetfr4 piirilevytvoiko tehdä perusjohdotuksen? Molemmat näyttävät olevan elektronisia komponentteja kuljettavia PCB-alustoja, mutta todellisuudessa materiaalien ominaisuuksissa, suunnittelulogiikassa, prosessin tarkkuudessa ja sovellusrajoissa on olennaisia eroja. Väärän levyn valinta voi johtaa liialliseen signaalihäviöön ja pitkittyneisiin projektin virheenkorjausjaksoihin, kun taas vaikeissa tapauksissa se voi suoraan aiheuttaa tuotteen toimintahäiriön ja epäonnistua alan vaatimustenmukaisuustestauksessa.
Keskeiset erot: kattava ero materiaaleista suorituskykyyn
1. Substraatin valinnan logiikka on täysin erilainen
Suurin osa perinteisistä piirilevyistä käyttää fr4-epoksilasikangasalustoja, jotka ovat elektroniikkateollisuuden yleisimmin käytettyjä-yleiskäyttölevyjä. Ne käyttävät epoksihartsia sidosaineena. Ne ovat edullisia ja ovat hyvin yhteensopivia prosessoinnin kanssa ja mukautuvat täysin useimpien matalataajuisten digitaalisten ja tavallisten analogisten piirien tarpeisiin. Sen dielektrisyysvakiolla (Dk) on kuitenkin huono stabiilisuus, se vaihtelee suuresti lämpötilan ja taajuuden mukaan ja sillä on korkea dielektrinen häviökerroin (Df). Yli 100 MHz:n-korkeataajuisissa skenaarioissa signaalienergia heikkenee nopeasti, jolloin se ei pysty täyttämään RF-signaalien lähetysvaatimuksia.
RF-piirilevyissä on käytettävä erityisiä pienihäviöjäkorkea taajuussubstraatit. Tällä hetkellä alan valtavirran levyt on jaettu kolmeen luokkaan:
(1) Polytetrafluorieteeni (PTFE) -substraatti: Edustaviin malleihin kuuluvat Rogers RT/duroid 5880 ja Taicony TLY -sarjat, joilla on erittäin vahva dielektrisyysvakion stabiilisuus ja pieni dielektrisyyshäviö, erityisesti suunniteltu millimetriaalto-ultra{2}}korkeiden taajuuksien skenaarioihin yli 2 GHz;
(2) Hiilivetyhartsikeraaminen täyttösubstraatti: Edustaviin malleihin kuuluvat Rogers RO4350B ja Isola I-Tera MT40, jotka saavuttavat erinomaisen tasapainon suorituskyvyn, prosessoitavuuden ja kustannusten välillä. Se on tällä hetkellä laajimmin käytetty valtavirran RF-levy 5G-tukiasemien ja autoelektroniikan aloilla;
(3) Modifioitu korkean -suorituskyvyn fr4-substraatti: Edustava malli on Isola FR408HR, joka optimoi Dk/Df-parametrit huomattavasti verrattuna tavalliseen FR-4:ään. Kustannukset ovat hallittavissa ja sopivat kustannusherkkään ei-ytimen RF-skenaarioon 2,4 GHz - 6 GHz.
2. Vaatimukset suunnittelulle ja prosessin tarkkuudelle vaihtelevat suuresti
Perinteisen piirilevyn ydinrakenne on suorittaa sähköliitännät, kunhan varmistetaan, että johdotukset ovat päällä ja pois päältä ja täyttävät perusvirran kantavuuden. Impedanssin ohjaukselle ei ole pakollista vaatimusta, ja johdotuksen leveystoleranssin ja kerrosten välisen kohdistustarkkuuden toleranssi on korkea.
RF-piirilevyn suunnittelun ydin on signaalin eheyden varmistaminen, mikä edellyttää siirtolinjan ominaisimpedanssin tiukkaa valvontaa koko prosessin ajan. Teollisuuden standardi on 50 Ω tai 75 Ω, ja impedanssin poikkeamavaatimus on säädetty ± 2 %:sta ± 3 %:iin. Suunnittelussa on noudatettava "lyhimmän johdotuksen polun" periaatetta, säilytettävä vertailumaatason eheys koko prosessin ajan ja saavutettava suojaus ja eristys tiheän maadoituksen kautta ryhmän kautta, jotta vältetään signaalin säteilyvuoto ja ylikuuluminen vierekkäisten johtojen välillä. Valvontavaatimukset kuparifolion karheudelle, dielektrisen kerroksen paksuuden toleranssille ja läpi-reikien loisparametreille tuotantoprosessin aikana ovat erittäin tiukat, eikä tavallisten piirilevytehtaiden prosessikapasiteetti voi kattaa tällaisten huippuluokan levyjen tuotantostandardeja.
Tyypillisiä esimerkkejä tuotteista
Perinteisten piirilevyjen edustavia tuotteita
8-kerroksinen teollisuusohjauskortti fr4 korkea{2}}korkeuslevy: käyttämällä korkeaa TG fr4 -substraattia, joka tukee 4 Oz:n paksuista kuparijohdotusta, kestää suuria virtakuormia teollisissa ohjausskenaarioissa, käytetään laajalti tavallisissa teollisuusrobottiohjaimissa ja älykodin ohjauskorteissa. Kustannukset ovat hallittavissa ja massatuotannossa vakaa.
|
|
14-kerroksinen M6-materiaalista valmistettu piirilevy: Se kuuluu tehokkaaseen-fr4-monikerroslevyyn, jolla on myös tietty nopea-signaalinsiirtokyky. Sitä käytetään yleisesti kulutuselektroniikkapalvelinten emolevyjen ja tavallisten turvakameroiden pääohjauspiirissä, ja se on valtavirran valinta nykyisessä digitaalipiirikentässä.
|
|
4-kerroksinen tavallinen kodinkoneen ohjauskortti: edullinen-hinta FR-4-substraatti, yksinkertainen prosessi, erittäin alhaiset massatuotantokustannukset, sopii kodinkoneiden ja pienten kulutuselektroniikan perusohjaustarpeisiin.
RF-piirilevyä edustava tuote
Uniwell Circuits 16-kerroksinen RO4350B+RO4450F umpireikälevy: Rogersin korkea-taajuisen sekajänniteteknologian avulla jäännöspinoa ohjataan 50,8 μm:n sisällä, impedanssin tarkkuus voi olla ± 2 %, erityisesti suunniteltu 5G:lle Sub-6 GHz:n tukiasemalla ja 3 GHzbm:n teholla. lisäyshäviö Vähemmän tai yhtä suuri kuin 0,4 dB/100 mm;
|
|
77 GHz Automotive Millimeter Wave Radar PTFE RF Board: Valmistettu PTFE-substraatista, mikroliuskaviivan karheus Ra Vähemmän tai yhtä suuri kuin 0,08 μm, impedanssin poikkeama enintään ± 2 %, kokonaiskoko 50 mm × 50 mm, täyttää ajoneuvon tärinänestovaatimukset 0H 20-skenaariossa0H.
|
|
Satelliittiviestinnän PI-pohjainen RF-kortti: korkeataajuista polyimidi-substraattia käytettäessä käyttölämpötila-alue kattaa -60 astetta ~ 125 astetta, MTBF (keskimääräinen aika vikojen välillä) Yli 100 000 tuntia tai yhtä suuri kuin se, ja se voi lähettää vakaasti 15 GHz RF-signaaleja äärimmäisissä avaruusympäristöissä.
Sovellusalueet
Perinteiset piirilevyt, joissa on kehittyneitä prosesseja ja erittäin korkea kustannus{0}}tehokkuus, kattavat suurimman osan matalataajuisista-ei-RF-yleis{2}}käyttöskenaarioista:
Kulutuselektroniikan alalla: tavallinen kodinkoneen ohjauskortti, älykkäiden puettavien laitteiden digitaalinen piiriosa, ei RF älykodin ohjauskortti
Teollisuuden ohjauskenttä: tavalliset PLC-ohjaimet, tehokäyttölevyt teollisuusroboteille, ei-tarkkuus teollisuusanturien signaalinkäsittelylevyt
Kuluttajien turvallisuuskenttä: pääohjauskortti tavallisiin kameroihin, ei-RF-ohjauspiiri kulunvalvontajärjestelmiin
RF-piirilevyt ovat välttämättömiä tuotteita korkeataajuisissa{0}}skenaarioissa, ja ydinsovellukset keskittyvät alueille, jotka vaativat erittäin korkeaa signaalin lähetyslaatua:
Langaton viestintäkenttä: 5G/6G-tukiaseman RF-yksikkö, WiFi 7 -reitittimen RF-moduuli, satelliittiviestinnän lähetin-vastaanotinlaitteet
Autoelektroniikkakenttä: 77 GHz:n millimetriaaltotutka, ajoneuvoon asennettu T-BOX RF -piiri, autokäyttöinen Bluetooth/5G-viestintämoduuli
Ilmailu- ja puolustuskentät: ilmatutkan RF-kortti, ohjusviestintämoduuli, satelliittinavigointisignaalin vastaanottokortti
Lääketieteellisten laitteiden kenttä: signaalinsiirtopiiri magneettiresonanssi-RF-kelalevylle ja korkeataajuisille{0}}hoitolaitteille
Käytännön valintaehdotuksia toimialalle
Älä tavoittele sokeasti "korkean suorituskyvyn kortteja": Jos projektisi toimintataajuus on alle 100 MHz eikä impedanssin hallintavaatimuksia ole tiukkoja, tavallisen fr4-piirilevyn käyttö voi täyttää tarpeitasi täysin. PTFE-korkeataajuuslevyjen väkivaltainen valinta lisää kustannuksia vain 3-5-kertaiseksi, eikä niillä ole käytännön arvoa;
Älä käytä tavallista fr4:ää "lukujen muodostamiseen" RF-skenaarioissa: Monet suunnittelijat yrittävät käyttää tavallista fr4:ää korkean-taajuuslevyn sijasta yli 2 GHz:n RF-projekteissa kustannusten vähentämiseksi. Tämä johtaa kuitenkin lopulta ongelmiin, kuten liialliseen signaalihäviöön, riittämättömään viestintäetäisyyteen ja harmonisiin häiriöihin, jotka voivat merkittävästi lisätä projektin kokonaisvirheenkorjauskustannuksia ja jopa epäonnistua sertifiointitestauksessa.
fr4-piirilevyt, korkea taajuus