PCB Frekuensi Tinggi: Manufaktur, Desain, dan Optimasi Kinerja RF

Citra-citra yang dibuat oleh pelanggan

PCB frekuensi tinggi yang didefinisikan sebagai papan yang menangani sinyal di atas 1GHz merupakan tulang punggung teknologi nirkabel modern.memungkinkan segala sesuatu dari jaringan 5G dan komunikasi satelit untuk sistem radar dan perangkat IoTTidak seperti PCB standar, yang memprioritaskan biaya dan fungsionalitas dasar, desain frekuensi tinggi menuntut kontrol yang tepat atas integritas sinyal, pencocokan impedansi, dan meminimalkan kerugian.Bahkan cacat desain kecil atau kesalahan manufaktur dapat menyebabkan signal meredup, refleksi, atau gangguan, mengganggu kinerja seluruh sistem.dan pemilihan bahan yang memastikan PCB frekuensi tinggi memberikan kinerja RF (frekuensi radio) yang dapat diandalkan, bersama dengan aplikasi dunia nyata dan analisis komparatif untuk membimbing insinyur dan produsen.

Apa yang Membuat PCB Frekuensi Tinggi Unik?
Sinyal frekuensi tinggi (1GHz+) berperilaku berbeda dari rekan frekuensi rendahnya, memperkenalkan tantangan unik yang membentuk desain dan pembuatan PCB:
1Efek kulit: Pada frekuensi tinggi, elektron mengalir terutama di sepanjang permukaan jejak tembaga (dalam 1 ¢ 5 μm dari permukaan), meningkatkan resistensi efektif.Hal ini membutuhkan permukaan tembaga halus untuk meminimalkan kerugian.
2.Sinyal Attenuation: Sinyal frekuensi tinggi kehilangan kekuatan saat mereka bepergian, dengan kerugian meningkat secara eksponensial dengan frekuensi.sinyal 60GHz kehilangan ~ 50% dari kekuatannya selama 10 inci dalam FR-4 standar, dibandingkan dengan 10% pada 1 GHz.
3Sensitivitas impedansi: Mempertahankan impedansi karakteristik yang konsisten (biasanya 50Ω untuk RF) sangat penting untuk mencegah refleksi sinyal.10% impedansi ketidakcocokan dapat menyebabkan 1% refleksi masalah yang signifikan dalam sistem kecepatan data tinggi.
4.Crosstalk dan EMI: Sinyal frekuensi tinggi memancarkan energi elektromagnetik, mengganggu jejak yang berdekatan (crosstalk) dan komponen lain (EMI).
Tantangan ini membutuhkan bahan khusus, toleransi yang lebih ketat, dan teknik desain canggih yang tidak diperlukan untuk PCB frekuensi rendah.

Prinsip Desain Utama untuk PCB Frekuensi Tinggi
Mendesain PCB frekuensi tinggi membutuhkan fokus pada meminimalkan kerugian, mengontrol impedansi, dan mengurangi gangguan.
1. Pengendalian impedansi
Impedansi (Z0) ditentukan oleh lebar jejak, ketebalan substrat, dan konstanta dielektrik (Dk).
a. Impedansi Karakteristik: Target 50Ω untuk sebagian besar sirkuit RF (75Ω untuk video, 100Ω untuk pasangan diferensial).
b. Toleransi: Pertahankan impedansi dalam ± 5% dari target untuk meminimalkan refleksi. Ini membutuhkan kontrol yang tepat atas dimensi jejak (± 0,05mm) dan Dk (± 0,1).
c. Alat: Gunakan pemecah medan 3D (misalnya, Ansys HFSS) untuk mensimulasikan impedansi, memperhitungkan geometri jejak dan sifat substrat.

2. Pelacakan Routing
a. Pendek, Jalur Langsung: Meminimalkan panjang jejak untuk mengurangi atenuasi. jejak 1 inci pada 28GHz kehilangan ~ 0.5dB di substrat kehilangan rendah √ menambah dengan cepat dalam desain yang kompleks.
B. Geometri yang konsisten: Hindari tikungan mendadak, vias, atau perubahan lebar, yang menyebabkan diskontinuitas impedansi. Gunakan sudut 45° bukan 90° untuk mengurangi refleksi.
c.Lapisan tanah: Tempatkan bidang tanah yang terus menerus langsung di bawah jejak RF untuk menyediakan jalur pengembalian impedansi rendah dan perisai terhadap gangguan.
Praktik Terbaik: Rute jejak frekuensi tinggi pada lapisan atas dengan bidang tanah khusus langsung di bawahnya, dipisahkan oleh dielektrik tipis (0,2 ∼ 0,5 mm) untuk kopling ketat.

3. Melalui Desain
Via (terutama via melalui lubang) mengganggu impedansi dan menyebabkan refleksi sinyal pada frekuensi tinggi.
a. Mikrovia: Gunakan mikrovia buta/terkubur (diameter ≤0,15mm) untuk meminimalkan panjang stub (bagian via yang tidak digunakan).
b. Via Shielding: Mengelilingi vias dengan vias tanah (vias dijahit) untuk menahan radiasi dan mengurangi crosstalk.
Optimasi Anti-Pad: Ukuran anti-pad (clearance di sekitar vias di bidang tanah) untuk menjaga kontinuitas impedansi.

4. Penempatan komponen
a.Komponen RF kelompok: amplifier, mixer, dan antena cluster untuk meminimalkan panjang jejak di antara mereka.
b. Mengisolasi Bagian Analog dan Digital: Memisahkan sirkuit RF frekuensi tinggi dari logika digital untuk mencegah EMI. Gunakan bidang tanah yang terbagi dengan jembatan penghubung di satu titik.
c. Hindari Sumber Kebisingan: Jauhkan catu daya, osilator, dan jejak arus tinggi dari jalur RF untuk mengurangi gangguan.

Bahan Kritis untuk PCB Frekuensi Tinggi
Pilihan material adalah faktor terpenting dalam kinerja PCB frekuensi tinggi, karena sifat dielektrik secara langsung mempengaruhi kerugian dan integritas sinyal.
1. Bahan substrat

Metrik Kunci:
Stabilitas Dk: Dk rendah (3.0 ∼3.5) meminimalkan keterlambatan sinyal; Dk yang stabil di seluruh suhu (± 0.05) memastikan impedansi yang konsisten.
Df (Faktor Dissipasi): Df yang lebih rendah mengurangi kerugian dielektrik. Pada 28GHz, Df 0,002 (RO4350B) menghasilkan 50% lebih sedikit kerugian daripada Df 0,004 (Megtron 6).

2. Foil tembaga
a.Kelapisan permukaan: Tembaga halus (Rz <1μm) mengurangi hilangnya efek kulit. Tembaga Very Low Profile (VLP) (Rz 0,3~0,8μm) sangat ideal untuk > 28GHz.
b. Ketebalan: 0,5 ‰ 1 oz (17 ‰ 35 μm) menyeimbangkan konduktivitas dan efek kulit. Tembaga yang lebih tebal tidak memberikan manfaat pada frekuensi tinggi karena efek kulit.
c. Anil: Tembaga anil yang digulung meningkatkan fleksibilitas untuk desain melengkung (misalnya, antena) tanpa meningkatkan kerugian.

3. Soldermask dan Coverlay
a. Soldermask: Gunakan soldermask tipis (10 ‰ 20 μm), low-Dk (misalnya, cairan fotoimageable) untuk menghindari peningkatan efektif Dk.
b.Coverlay (PCB Flex): Polyimide coverlay dengan Dk <3.0 menjaga integritas sinyal dalam desain frekuensi tinggi yang fleksibel.

Teknik manufaktur untuk PCB Frekuensi Tinggi
PCB frekuensi tinggi membutuhkan toleransi yang lebih ketat dan proses khusus untuk mempertahankan kinerja:
1. Pengetikan presisi
a. Toleransi Etch: Mencapai kontrol lebar jejak ± 0,01 mm untuk mempertahankan impedansi. Ini membutuhkan mesin etching canggih dengan kontrol tekanan semprotan.
b.Minimalisasi Undercut: Gunakan kimia faktor etch rendah untuk mengurangi undercut (perbedaan antara lebar jejak atas dan bawah), memastikan impedansi yang konsisten.

2Pengeboran
a. Pengeboran Mikrovia: Pengeboran laser (laser UV atau CO2) menciptakan microvias 0,05 ~ 0,15 mm dengan akurasi posisi ± 2 μm, penting untuk desain RF kepadatan tinggi.
b. Pengeboran melalui lubang: Gunakan bor karbida dengan sudut titik 118 ° untuk meminimalkan noda resin, yang dapat meningkatkan kerugian jika tidak dihapus.

3. Laminasi
a.Kontrol suhu dan tekanan: Laminat harus diikat dengan tekanan yang tepat (20-30 kgf/cm2) dan suhu (180-220°C) untuk memastikan ketebalan dielektrik yang seragam (± 5μm).
b.Pencegahan kekosongan: Laminasi vakum menghilangkan gelembung udara, yang menyebabkan variasi Dk dan kehilangan sinyal.

4. Pengujian dan Inspeksi
a. Time-Domain Reflectometry (TDR): Mengukur diskontinuitas impedansi di seluruh PCB, mengidentifikasi masalah seperti variasi lebar jejak atau via stubs.
b.Pengujian Analis Jaringan: Mengkarakterisasi kehilangan penyisipan (S21) dan kehilangan pengembalian (S11) hingga 100 GHz untuk memverifikasi kinerja.
c. Pemeriksaan sinar-X: Pemeriksaan kualitas melalui penyelarasan dan sendi solder pada komponen BGA/RFIC.

Aplikasi: PCB Frekuensi Tinggi dalam Aksi
PCB frekuensi tinggi memungkinkan berbagai teknologi mutakhir, masing-masing dengan persyaratan yang unik:
1. Infrastruktur 5G
a. Stasiun dasar: Array gelombang mm 28 GHz dan 39 GHz menggunakan substrat RO4350B dengan ketebalan dielektrik 0,5 mm untuk meminimalkan kerugian.
b.Sel kecil: Sel kecil 5G yang kompak bergantung pada FR-4 (Megtron 6) dengan Tg tinggi untuk efisiensi biaya dalam pita sub-6GHz.
c.Syarat: <0,3dB kehilangan penyisipan per inci pada 28GHz; toleransi impedansi ± 3%.

2. Aerospace dan Pertahanan
a. Sistem radar: Radar otomotif 77GHz dan radar militer 100GHz menggunakan substrat PTFE (RT/duroid 5880) untuk kehilangan minimal.
b.Komunikasi satelit: Transceiver pita Ka (26,5~40GHz) membutuhkan bahan tahan radiasi dengan Dk stabil di atas -55°C sampai 125°C.

3. Elektronik Konsumen
a.Smartphone: Smartphone 5G mengintegrasikan FR-4 dan LCP (liquid crystal polymer) PCB untuk antena sub-6GHz dan mmWave, menyeimbangkan biaya dan kinerja.
b.Wi-Fi 6E: router Wi-Fi 6GHz menggunakan FR-4 dengan Tg tinggi dengan microvias untuk mendukung desain MIMO multi-antenna.

4. Perangkat medis
a.MRI Coil: Koil MRI frekuensi tinggi (64MHz 3T) menggunakan substrat rendah Dk untuk meminimalkan gangguan sinyal dan meningkatkan kualitas gambar.
Sensor nirkabel: Monitor kesehatan yang dapat dipakai menggunakan PCB LCP yang fleksibel untuk konektivitas Bluetooth 2,4 GHz, menggabungkan kesesuaian dengan kehilangan rendah.

Analisis Perbandingan: PCB Frekuensi Tinggi vs PCB Standar

Tren Masa Depan dalam Teknologi PCB Frekuensi Tinggi
Kemajuan dalam bahan dan desain mendorong kinerja PCB frekuensi tinggi lebih lanjut:
1. Substrat Graphene-Enhanced: Dielektrik infus Graphene dengan Dk <2.0 dan Df <0.001 sedang dikembangkan, yang menargetkan aplikasi 100+ GHz.
2.Manufaktur Aditif: Struktur RF cetak 3D (misalnya, antena, pembimbing gelombang) yang terintegrasi dengan PCB mengurangi kerugian dan meningkatkan integrasi.
3.AI-Driven Design: Alat pembelajaran mesin mengoptimalkan rute jejak dan pemilihan bahan, mengurangi waktu desain sebesar 40% sambil meningkatkan kinerja.

FAQ
T: Apa frekuensi maksimum yang dapat ditangani PCB?
A: PCB frekuensi tinggi saat ini dapat diandalkan mendukung hingga 100GHz menggunakan substrat PTFE. Penelitian sedang berlangsung untuk memperluas ini ke frekuensi terahertz dengan bahan baru.

T: Dapatkah standar FR-4 digunakan untuk desain frekuensi tinggi?
A: FR-4 standar terbatas pada <1GHz karena variasi Df dan Dk yang tinggi. FR-4 Tg tinggi canggih (misalnya, Megtron 6) bekerja hingga 10GHz untuk aplikasi yang sensitif terhadap biaya.

T: Bagaimana suhu mempengaruhi kinerja PCB frekuensi tinggi?
A: Perubahan suhu mengubah substrat Dk (biasanya +0,02 per 10 °C), mempengaruhi impedansi.

T: Apa perbedaan biaya antara PCB frekuensi tinggi dan standar?
A: PCB frekuensi tinggi biaya 2 ¢ 5x lebih karena bahan khusus (misalnya, PTFE), toleransi yang lebih ketat, dan pengujian lanjutan.

T: Apakah PCB fleksibel cocok untuk frekuensi tinggi?
A: Ya, PCB fleksibel LCP (polimer kristal cair) mendukung hingga 60GHz dengan kehilangan rendah, menjadikannya ideal untuk antena melengkung dan perangkat yang dapat dipakai.

Kesimpulan
PCB frekuensi tinggi adalah pengaktif penting dari teknologi nirkabel generasi berikutnya, yang membutuhkan perpaduan presisi desain, ilmu material, dan keahlian manufaktur.Dengan memprioritaskan kontrol impedansi, meminimalkan kerugian melalui bahan rendah Dk / Df, dan menggunakan teknik manufaktur canggih, insinyur dapat membuat PCB yang memberikan kinerja yang dapat diandalkan pada 1GHz dan seterusnya.
Baik untuk stasiun pangkalan 5G, sistem radar, atau perangkat medis, kuncinya adalah mencocokkan pilihan material dan desain dengan frekuensi aplikasi, biaya, dan persyaratan lingkungan.Sebagai teknologi nirkabel terus mendorong ke arah frekuensi yang lebih tinggi (6G, terahertz), inovasi PCB frekuensi tinggi akan tetap menjadi landasan kemajuan.

Kunci: PCB frekuensi tinggi bukan hanya versi yang lebih cepat dari PCB standar mereka adalah sistem khusus di mana setiap bahan, jejak,dan via dirancang untuk menjaga integritas sinyal dalam menghadapi tantangan frekuensi tinggi yang unik.