PCB à haute fréquence pour les applications RF: le guide ultime pour la fabrication et la conception (2024)

À l'ère de la 5G, de l'IdO et des systèmes radar, les PCB haute fréquence sont les héros méconnus de la communication sans fil rapide et fiable.Ces plaques spécialisées transmettent des signaux RF (300 MHz~300 GHz) avec une perte minimale, mais seulement si elles sont correctement conçues et fabriquées.Une seule erreur (par exemple, mauvais matériau, mauvaise correspondance d'impédance) peut rendre le signal d'une station de base 5G déformé ou rendre un système radar inutile.

Les enjeux sont élevés, mais les récompenses aussi: les PCB haute fréquence bien conçus offrent 3 fois moins de perte de signal, 50% moins d'EMI et 2 fois plus de durée de vie que les PCB standard.Ce guide détaille tout ce que vous devez savoir, du choix des matériaux à faible perte (comme le Rogers RO4003C) à la maîtrise de l'adaptation et du blindage des impédancesQue vous construisiez un module 5G ou un système RF par satellite, voici votre feuille de route vers le succès.

Les principaux enseignements
1Le matériau est à la mode: choisir des substrats avec une constante diélectrique faible (Dk: 2,2 ∼3,6) et une tangente de perte (Df < 0,005) afin de minimiser la perte de signal ∼Rogers RO4003C (Dk=3.38, Df=0,0027) est la norme d'or pour la RF.
2La correspondance d'impédance n'est pas négociable: les traces d'impédance contrôlée de 50Ω éliminent les réflexions du signal, ce qui maintient le VSWR < 1,5 (critique pour 5G/mmWave).
3.Des questions de précision de fabrication: le forage au laser (pour les microvias) et le collage par SAB (résistance à l'écaillage: 800 à 900 g/cm) assurent des connexions fiables et à faible perte.
4.Le blindage arrête les interférences: les plans au sol solides + les boîtes de blindage métalliques réduisent l'EMI de 40% et le bruit croisé de 60% dans les conceptions RF surpeuplées.
5.LT CIRCUIT's edge: Leur procédé certifié IPC Classe 3 et les matériaux Rogers/Megtron fournissent des PCB avec une perte de signal < 0,7 dB/in à 10 GHz.

Partie 1: Capacité de fabrication de PCB à haute fréquence
Les PCB haute fréquence ne sont pas seulement des PCB standards plus rapides, ils nécessitent des processus, des matériaux et un contrôle de qualité spécialisés pour gérer les signaux RF.Voici comment les fabricants comme LT CIRCUIT offrent fiable, des tables à faible perte.

1.1 Équipement et procédés spécialisés
Les circuits imprimés RF exigent une précision supérieure à ce que peuvent offrir les machines de circuits imprimés standard.

Exemple: LT CIRCUIT utilise des perceuses laser pour créer des microvias de 6 millilitres pour les PCB 5G, ce qui leur permet d'intégrer 2 fois plus de traces RF dans le même espace, tandis que SPC maintient l'impédance constante sur plus de 10 000 cartes.

1.2 Sélection du matériau: faible perte = signal RF fort
Le substrat (matériau de base) d'un PCB haute fréquence a un impact direct sur la perte de signal.
a.Constante diélectrique basse (Dk): 2,2 ∼ 3,6 (propagation du signal plus lente = perte moindre).
b. Tangente de perte faible (Df): < 0,005 (moins d'énergie gaspillée sous forme de chaleur).
c. Haute transition en verre (Tg): > 180°C (stabilité dans les systèmes RF à haute température tels que les stations de base).

Voici comment les meilleurs matériaux RF s'empilent:

Avertissement critique: les revendications du fournisseur ne correspondent souvent pas aux performances réelles.Les essais montrent que la Df mesurée peut être de 33 à 200% supérieure à celle annoncée. Demandez toujours des données d'essai de tiers (LT CIRCUIT fournit cela pour tous les matériaux)..

1.3 Collage et stratification avancés
Une mauvaise liaison provoque une délamination (séparation des couches) et une perte de signal dans les PCB RF. Des méthodes modernes telles que SAB (Surface Activated Bonding) résolvent ce problème:
a.Comment fonctionne-t-il: Le plasma traite le LCP (polymère à cristaux liquides) et les surfaces de cuivre, créant des liaisons chimiques sans adhésif.
b.Résultats: résistance à l'écaillage de 800 à 900 g/cm (contre 300 à 400 g/cm pour le collage traditionnel) et rugosité de surface < 100 nm (réduction de la perte de conduction de 3 fois).
c. Analyses XPS: confirme une "fracture de masse" dans le stratifié (pas à la ligne de liaison) une preuve de fiabilité à long terme.

La stratification exige également une précision:
a.Préssion/température: 200 ‰ 400 PSI à 170 ‰ 190 °C pour les matériaux Rogers afin d'éviter les poches d'air (qui provoquent des réflexions du signal).
b. Uniformité diélectrique: variation d'épaisseur < 5% pour maintenir l'impédance constante, critique pour les traces RF de 50Ω.

1.4 Contrôle de la qualité: essais de qualité RF
Les tests standard de PCB ne suffisent pas pour les RF, il faut des contrôles spécialisés pour assurer l'intégrité du signal:

LT CIRCUIT effectue tous ces tests pour chaque lot de PCB RF, leur taux de rendement de 99,8% est 2 fois supérieur à la moyenne de l'industrie.

Partie 2: Considérations de conception pour les PCB haute fréquence RF
Même la meilleure fabrication ne peut pas corriger une mauvaise conception. Les PCB RF ont besoin de stratégies de mise en page, de mise à la terre et de routage adaptées aux hautes fréquences.

2.1 Matching d'impédance: éliminer les réflexions du signal
Pour la plupart des systèmes RF (5G, Wi-Fi, radar), la cible est une impédance contrôlée de 50Ω correspondant à la source (par exemple, la puce RF) et à la charge (par exemple, l'antenne).

Comment obtenir une impédance de 50Ω
1Utilisez des calculatrices d'impédance: des outils comme le Polar SI9000 calculent la largeur/l'espacement des traces en fonction:
a. Substrate Dk (par exemple, 3,38 pour le RO4003C de Rogers).
b. épaisseur des traces (1 oz = 35 μm).
c. épaisseur diélectrique (0,2 mm pour les PCB à 4 couches).
2Choisissez la géométrie des traces:
a. Microstrip: trace sur la couche supérieure, plancher au sol en dessous (facile à fabriquer, bon pour 1 ′ 10 GHz).
b.Stripline: trace entre deux plans au sol (meilleur blindage, idéal pour une fréquence supérieure à 10 GHz/mmWave).
3Évitez les discontinuités d'impédance:
a. Aucune courbure nette (utilisez des angles ou des courbes de 45° ̇ les courbures de 90° entraînent une perte de 0,5 ̇ 1 dB à 28 GHz).
b.Combiner les longueurs de trace pour les paires différentielles (par exemple, 5G mmWave) afin d'éviter les changements de phase.

Exemple: une microbande de 50Ω sur Rogers RO4003C (0,2 mm diélectrique) a besoin d'une largeur de trace de 1,2 mm. Toute variation (> ± 0,1 mm) provoque la dérive de l'impédance, augmentant la perte de retour.

2.2 mise à la terre et blindage: arrêt de l' EMI et de l' écoute transversale
Les signaux RF sont sensibles aux interférences. Une bonne mise à la terre et un bon blindage réduisent l'EMI de 40% et le bruit croisé de 60%.

Mettre en place les meilleures pratiques
a.Plaines de sol solides: couvrir plus de 70% de l'espace inutilisé avec du cuivre, ce qui permet aux signaux RF d'avoir un chemin de retour à faible impédance (critique pour la 5G).
b.Place de mise à la terre à un seul point: connectez les points analogiques et numériques à un seul point (éviter les boucles de mise à la terre qui causent du bruit).
c.Via de couture au sol: placez des vias tous les 5 mm le long des bords du plan au sol, ce qui crée une "cage de Faraday" qui bloque l'EMI externe.

Stratégies de défense

Astuce professionnelle: pour les circuits imprimés 5G, placez des boîtes de blindage sur les émetteurs-récepteurs RF avant d'acheminer des traces numériques, ce qui évite le croisement de voies RF sensibles avec des signaux numériques bruyants.

2.3 Optimisation de la mise en page: minimiser les pertes de signal
La perte de signal RF augmente avec la longueur de la trace. Optimisez votre disposition pour garder les chemins courts et directs.

Principales règles de mise en page
1. Route RF d'abord: donner la priorité aux traces RF (les garder < 50 mm pour 28 GHz) avant les traces numériques/puissance.

2. Domaines de signaux séparés:
Gardez les traces RF à 3 fois leur largeur loin des traces numériques (par exemple, une trace RF de 1,2 mm nécessite un écart de 3,6 mm).
Placer les composants d'alimentation (régulateurs) à l'écart des pièces RF ̇ le bruit des régulateurs perturbe les signaux RF.

3.Etapage de couche pour RF:
4-couche: haut (traces RF) → couche 2 (sol) → couche 3 (puissance) → bas (numérique).
8 couches: Ajouter des couches RF internes pour les conceptions denses (par exemple, émetteurs-récepteurs par satellite) avec des plans au sol entre les deux.

Placement des composants
a. Grouper les composants RF: placer les antennes, les filtres et les émetteurs-récepteurs proches les uns des autres afin de minimiser la longueur des traces.
b.Évitez les voies dans les voies RF: chaque voie ajoute une perte de 0,1 à 0,3 dB à 10 GHz·Utilisez des voies aveugles/enterrées si nécessaire.
c.Composants orientés pour les traces courtes: aligner les puces RF de manière à ce que leurs broches tournent vers l'antenne, réduisant la longueur de la trace de 20%.

2.4 Routage de trace: éviter les erreurs fréquentes en RF
Même de petites erreurs de routage peuvent ruiner les performances RF.
a. Traces parallèles: l'exécution parallèle de traces RF et numériques provoque une transmission croisée à 90° si elles doivent s'intersecter.
b. Traces de chevauchement: les traces sur les couches adjacentes qui se chevauchent agissent comme des condensateurs, provoquant un couplage du signal.
c.Stubs via: non utilisés via longueur (stubs) provoquent des réflexions du signal  utiliser le forage arrière pour enlever les stubs > 0,5 mm.

Partie 3: Résoudre les problèmes courants des PCB à haute fréquence
Les PCB RF sont confrontés à des défis uniques - voici comment les résoudre avant qu'ils n'aient une incidence sur les performances.

3.1 Perte de signal: diagnostic et réparation
Une perte de signal élevée (IL > 1 dB/in à 10 GHz) est généralement causée par:
a.Matériau incorrect: échangez Megtron6 (0,95 dB/in) contre Rogers RO4003C (0,72 dB/in) pour réduire les pertes de 24%.
b.Géométrie des traces médiocres: les traces étroites (0,8 mm au lieu de 1,2 mm) augmentent la résistance·utilisez des calculatrices d'impédance pour confirmer la largeur.
c. Contamination: le masque de soudure ou les résidus de flux sur les traces RF augmentent les pertes de fabrication des salles blanches (LT CIRCUIT utilise des salles blanches de classe 1000).

3.2 Interférences de l'IME
Si votre PCB RF capte du bruit:
a. Vérifiez la mise à la terre: Utilisez un multimètre pour tester la continuité du plan de mise à la terre. Les ruptures provoquent une impédance élevée et un EMI.
b. Ajouter des perles de ferrite: placer des perles sur les lignes électriques pour bloquer le bruit à haute fréquence des régulateurs.
c.Réconstruire le blindage: étendre les canettes de blindage pour couvrir les trous de couture au sol et permettre à l'EMI de s'infiltrer.

3.3 Gestion thermique
Les composants RF (p. ex. les amplificateurs de puissance 5G) génèrent de la chaleur, la surchauffe augmente le Df et la perte de signal.
a.Via thermiques: ajouter 4 ̇6 via sous les composants chauds pour déplacer la chaleur vers le plan au sol.
b. dissipateurs de chaleur: utiliser des dissipateurs de chaleur en aluminium pour les composants dont la dissipation de puissance est supérieure à 1 W.
c. Choix de matériau: Rogers RO4003C (conductivité thermique: 0,71 W/m·K) dissipe la chaleur 2 fois mieux que le FR4 standard.

Partie 4: Pourquoi choisir un circuit LT pour les PCB RF haute fréquence
LT CIRCUIT n'est pas seulement un fabricant de circuits imprimés, ils sont des spécialistes de la RF avec une expérience dans la fourniture de cartes pour les systèmes 5G, aérospatiale et radar.

4.1 Matériaux et certifications de qualité RF
a. Partenaire autorisé de Rogers/Megtron: ils utilisent des matériaux authentiques Rogers RO4003C/RO4350B et Megtron6® sans contrefaçon qui causent une perte de signal.
b.certifié IPC de classe 3: la norme de qualité des PCB la plus élevée, garantissant que les PCB RF répondent aux exigences en matière de fiabilité aérospatiale/télécommunications.

4.2 Compétences techniques
a.Support de conception RF: leurs ingénieurs aident à optimiser la correspondance d'impédance et le blindage, vous économisant 4 à 6 semaines de refonte.
b.Épreuves avancées: les essais internes de TDR, IL/RL et de cycle thermique valident les performances RF avant expédition.

4.3 Résultats prouvés
a.5G stations de base: PCB avec une perte de < 0,7 dB/in à 10 GHz utilisés par les principales entreprises de télécommunications.
b.RF par satellite: PCB qui survivent à plus de 1 000 cycles thermiques (-40 °C à 125 °C) sans dégradation des performances.

Questions fréquentes
1Quelle est la différence entre les PCB à haute fréquence et les PCB à grande vitesse?
Les circuits imprimés à haute fréquence traitent des signaux RF (300 MHz à 300 GHz) et se concentrent sur une faible perte / Df. Les circuits imprimés à haute vitesse traitent des signaux numériques (par exemple, PCIe 6.0) et se concentrent sur l'intégrité du signal (squelette, jitter).

2Puis-je utiliser le FR4 standard pour les applications RF?
Le FR4 a un Df élevé (0,01 ∼0,02) et une perte de signal (> 1,5 dB/in à 10 GHz), ce qui le rend impropre à la RF. Utilisez des matériaux Rogers ou Megtron à la place.

3Combien coûte un PCB RF haute fréquence?
Les circuits imprimés à base de Rogers coûtent 2×3 fois plus cher que le FR4, mais l'investissement en vaut la peine: une perte de signal plus faible réduit les pannes de champ de 70%.

4Quelle est la fréquence maximale qu'un PCB haute fréquence peut supporter?
Avec des substrats en téflon et une géométrie de ligne, les PCB peuvent gérer des ondes allant jusqu'à 300 GHz (mmWave) utilisées dans les communications par satellite et la R&D 6G.

5Combien de temps faut-il pour fabriquer des PCB RF haute fréquence?
LT CIRCUIT livre des prototypes en 5 à 7 jours et la production de masse en 2 à 3 semaines, plus rapidement que la moyenne de l'industrie (10 à 14 jours pour les prototypes).

Conclusion: les PCB à haute fréquence sont l'avenir de la RF
À mesure que la 5G se développe, que l'Internet des objets se développe et que les systèmes radar deviennent plus avancés, les PCB haute fréquence ne feront que gagner en importance.correspondance de l'impédance principale, et investir dans la fabrication de précision.

Le fait de couper les coins - en utilisant le FR4 au lieu de Rogers, en sautant le blindage ou en ignorant l'impédance - entraînera une perte de signal, une EMI et des pannes de champ coûteuses.Mais avec la bonne approche (et des partenaires comme LT CIRCUIT), vous pouvez construire des PCB RF qui fournissent des signaux rapides et fiables pour les applications les plus exigeantes.

L'avenir de la communication sans fil dépend des PCB à haute fréquence.vous serez en avance sur la courbe en fournissant des produits qui alimentent la prochaine génération de technologie RF.