保持混合堆疊射頻 PCB 的成本合理

在當今射頻技術(shù)的進步和各種新興射頻應(yīng)用的推動下，該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向混合分層或堆疊式 PCB。

然而，出現(xiàn)了關(guān)鍵的問題：您應(yīng)該在哪一層使用哪種材料才能將成本保持在合理的水平以及特定材料在給定層上的有效性如何?有哪些權(quán)衡?

除了這些有問題的領(lǐng)域之外，射頻系統(tǒng) OEM 采取額外的謹慎措施也是明智的，因為每一層都有不同的頻率。因此，您必須在每一層使用某些精心挑選的 PCB 材料。當某些層使用錯誤的材料時，可能會產(chǎn)生成本和缺陷。

目前的PCB材料有FR-4、復(fù)合環(huán)氧材料(CEM)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亞胺材料、液晶聚合物(LCP)，如圖1表所示，以及銅、鋁、鐵等金屬。 RF 系統(tǒng) OEM 需要很好地掌握在特定層使用正確和錯誤的材料。否則，它們可能會產(chǎn)生額外的總體成本以及性能問題和缺陷。

圖 1：當前 PCB 材料

多年來，F(xiàn)R-4 一直是各種 PCB 應(yīng)用的傳統(tǒng)材料。然而，它僅限于 10 GHz，并且具有一些固有的限制。超過 10 GHz 時，F(xiàn)R-4 由于以下因素開始失效。

FR-4 在較高頻率下的阻抗控制較差。在較高頻率下，阻抗變得不穩(wěn)定，介電常數(shù) (Dk) 值可能變化高達 10%，而使用合適的材料時介電常數(shù) (Dk) 值變化為 2%。

它還具有高耗散損耗 (Df)，導(dǎo)致高頻下的高信號損耗。 FR-4 的 Df 值為 0.02，而高速材料的 Df 值為 0.004。 FR-4中的Df隨著頻率的增加而增加，從而導(dǎo)致更高的損耗。

另一方面，PTFE 高速材料的 Dk 與 FR-4 相當，但絕緣穩(wěn)定性高且 Df 低，從而導(dǎo)致信號損失低，尤其是在較高頻率下。

第三，金屬材料有鐵、鋁、銅等，但銅仍然是最常用的金屬材料。

介電材料選擇

正如我們所說，F(xiàn)R-4 是一種使用率很高、用途廣泛的 PCB 材料。它易于使用且經(jīng)濟高效，但具有一定的性能限制。其他材料更昂貴，不易獲得，并且許多供應(yīng)商不提供以及其他可能的限制。

一種折衷方案是在 PCB 疊層中使用多種材料。在適用的情況下使用 FR-4，并在具有高頻電路的層上使用高頻材料，例如 PTFE。這似乎是一個很好的解決方案。根據(jù)層總數(shù)和其他幾個關(guān)鍵因素，具有兩層 PTFE 層和兩層 FR-4 層的混合 PCB 的成本可能比所有四層 FR-4 層高出幾倍。

然而，這種方法也存在挑戰(zhàn)。成本還是比單純使用FR-4高很多。很少有供應(yīng)商提供混合堆疊，而能夠在整個過程中選擇和控制混合堆疊的供應(yīng)商就更少了。在疊層中混合具有不同熱膨脹系數(shù) (CTE) 的兩種不同介電材料會給控制 PCB 上可接受的翹曲和保持光滑表面帶來挑戰(zhàn)，這會影響材料的 Dk 值。

某些層使用了錯誤的材料

疊層中的某一層可能會意外使用錯誤的材料。例如，假設(shè)一位經(jīng)驗不足的工程師可能無意中使用了 FR-4，而實際上應(yīng)該使用更有效的材料，那么 RF 信號惡化將會非常嚴重。性能將受到不利影響。

此外，創(chuàng)建堆棧時可能會出現(xiàn)以下錯誤。不正確的層數(shù)可能會影響成本、信號完整性、熱管理和工作頻率等因素。

材料選擇不當會影響成本、散熱、信號損失、均勻性能和長期可靠性。電源、接地和相鄰層可能會受到去耦的影響。您可能正在處理不正確的電源層和接地層。除了其他幾個關(guān)鍵功能外，這些層還提供高頻和時變信號返回部分以及去耦噪聲。

還有一個不正確的圖層分配。接地層或電源層用作高速射頻電路中的參考層。沒有參考平面或分割平面的信號層可能會導(dǎo)致意外的信號完整性問題。最后，不正確的通過分配可能會導(dǎo)致幾個問題，

圖 2 顯示了較差的 RF 層疊。請注意，當僅在頂層和底層使用 RF 電介質(zhì)就足夠時，在兩個中間層上不必要使用 RF 電介質(zhì)。不必要地使用射頻電介質(zhì)會使 PCB 的成本增加數(shù)倍。另請注意，L5 和 L6 都是信號層，中間沒有參考地或電源層。這會導(dǎo)致 L6(射頻信號層)的射頻性能較差。

圖 2：較差的射頻堆疊

最終光潔度和翹曲

除了所選材料之外，混合堆疊射頻 PCB 還需要考慮最終的表面光潔度。它們位于 PCB 的頂部和底部層。

射頻高性能電路大部分采用沉銀。它比無鉛 PCB 標準化學(xué)鍍鎳沉金 (ENIG) 具有更好的導(dǎo)電性和性能。 然而，浸銀也存在一些問題。

首先，它很容易失去光澤，問題是它的外觀是否會對性能產(chǎn)生不利影響。 此外，PCB 工廠通常不提供浸銀，這是另一個缺點。

由于不同的材料類型在不同的PCB層中具有不同的 CTE，因此板翹曲也是一個問題。這些 PCB 必須完全平坦;不能有翹曲。值得注意的是，所有 RF PCB 均用螺釘固定在重型金屬屏蔽板上，如圖 3 所示。

當 PCB 用螺釘固定到防護罩上時，翹曲可能會導(dǎo)致問題。隨著PCB翹曲，板走線和過孔開裂的可能性很高。

因此，在安裝屏蔽之前采取措施防止組裝好的 PCB 變形非常重要。

圖 3：PCB 用螺釘固定在重型金屬屏蔽板上

檢查正確的堆疊

圖 4 顯示了正確且適當?shù)幕旌狭鶎佣询BRF PCB。在最后一列中，它顯示了每層不同但正確的 PCB 介電材料。 它的設(shè)計和組裝需要精確的團隊合作。在這里，PCB 疊層由 RF 設(shè)計和布局工程師以及 PCB 工廠定義，所有這些結(jié)合起來以實現(xiàn)正確的疊層。

高頻電介質(zhì)和表面光潔度選擇的成本可能會使 PCB 成本增加數(shù)倍。與在所有層上使用 FR-4 相比，在所有層上使用 PTFE 的 PCB 的成本可能是 10 倍或更高。

圖 4：正確且正確的混合六層堆疊 RF PCB

一般來說，有電源層和接地層、標準性能走線層介電層，然后是“高性能”層。通常，F(xiàn)R-4 可用于除預(yù)期信號速度超過 10 GHz 的性能層之外的所有層。電路示例可以是任何家用電器，甚至是 WiFi 設(shè)備。信號損耗、回波損耗、噪聲和反射成為射頻、微波和其他高頻設(shè)備的關(guān)鍵性能標準。產(chǎn)生最佳效果的最佳解決方案是在所有層上使用高頻材料。然而，這成本高昂。另一種解決方案是使用混合堆疊。

創(chuàng)建堆疊和層方向時應(yīng)考慮以下堆疊預(yù)防措施和指南，以防止信號丟失、回波損耗、串擾和噪聲。

參考平面層應(yīng)放置在信號層旁邊。參考層是全銅層，通常是接地層或電源層，提供到信號層的返回路徑。參考平面通過創(chuàng)建低阻抗環(huán)路有助于減少噪聲、串擾和反射。應(yīng)避免分割或切割參考平面。

應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求和約束來優(yōu)化層順序和方向。最關(guān)鍵的信號層應(yīng)放置在頂部或底部，以實現(xiàn)最小干擾和最短走線。一些關(guān)鍵信號層可以交替(一層水平，另一層垂直)以減少耦合和串擾。應(yīng)仔細放置阻抗控制層并仔細計算阻抗。

高速電路經(jīng)常產(chǎn)生高熱量。在布局和疊層審查期間應(yīng)考慮散熱和分布。這涵蓋了實現(xiàn)正確的混合堆疊射頻 PCB 的正確方法。重要的是要記住，開發(fā)它需要 OEM RF 設(shè)計和布局工程與經(jīng)驗豐富的 PCB 工廠合作的團隊努力。