نکات مهم در تهیه قطعات ماکروویو

انتخاب مواد برای قطعات مایکروویو: گزینه‌های ثابت دی الکتریک (Dk)، ضریب تلف (Df) و زیرلایه

اهمیت ثابت دی‌الکتریک (Dk) در انتخاب مواد برد مدار چاپی مایکروویو

ثابت دی‌الکتریک، یا همان Dk که مهندسان آن را این‌گونه می‌خوانند، در واقع تعیین‌کننده نحوه حرکت امواج الکترومغناطیسی از داخل مواد مختلف است که این موضوع هنگام طراحی مدارهای مایکروویو بسیار مهم می‌باشد. وقتی صحبت از مقادیر پایدار Dk در محدوده حدود ±0.05 باشد، این امر به حفظ تمیزی و وضوح سیگنال‌های فرکانس بالا در فرکانس‌های بالاتر از 10 گیگاهرتز کمک شایانی می‌کند. به عنوان مثال، مواد مرکب PTFE پر شده با سرامیک می‌توانند مقدار Dk خود را در محدوده تقریبی 2.94 تا 3.2 حفظ کنند، حتی زمانی که دما به شدت از 50- درجه سانتی‌گراد تا 150+ درجه سانتی‌گراد نوسان داشته باشد. این نوع پایداری، این مواد را به انتخاب‌های عالی برای کنترل امپدانس در سیستم‌های جدید موج میلی‌متری 5G تبدیل می‌کند که در آن یکپارچگی سیگنال واقعاً اهمیت دارد.

این تغییرات دلیل آن را روشن می‌کنند که چرا کاربردهای با فرکانس بالا از FR-4 استاندارد اجتناب می‌ورزند، زیرا ثابت دی‌الکتریک (Dk) آن با افزایش فرکانس به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و این امر منجر به تغییر امپدانس و تخریب سیگنال می‌شود.

عوامل تلفات کم (Df) و زاویه تلفات پایین برای حفظ یکپارچگی سیگنال

مواد با عامل تلفات کم (Df) به حفظ کیفیت سیگنال کمک می‌کنند، زیرا انرژی زیادی از طریق تلفات دی‌الکتریک اتلاف نمی‌شود. هنگام کار در فرکانس‌های حدود 28 گیگاهرتز، استفاده از زیرلایه‌هایی با مقادیر Df کمتر از 0.004 در مقایسه با برد FR-4 معمولی بهبود قابل توجهی ایجاد می‌کند و تلفات القایی را تقریباً 22 درصد کاهش می‌دهد. برخی از مواد سرامیکی پیشرفته مبتنی بر هیدروکربن واقعاً به سطح Df حدود 0.0015 می‌رسند که آن‌ها را برای کاربردهای راداری که در آن قدرت سیگنال اهمیت زیادی دارد، ایده‌آل می‌سازد. این سیستم‌ها نیازمند تلفات کمتر از 0.1 دسی‌بل در اینچ در فرکانس‌های 77 گیگاهرتز هستند. با توجه به توصیه‌های موجود در طراحی برد مدار چاپی با فرکانس بالا، کنترل دقیق همزمان Dk و Df می‌تواند عملکرد تقویت‌کننده قدرت را در سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای حدود 18 درصد افزایش دهد. این نوع بهبود کارایی در کاربردهای پرمخاطبه و طولانی‌مدت به شدت مؤثر است.

مقایسه زیرلایه‌های مبتنی بر PTFE، روگرس و سرامیک برای کاربردهای مایکروویو

• PTFE : از دست دادن بسیار کم (Df = 0.002) را ارائه می دهد اما از ثبات مکانیکی ضعیف رنج می برد (CTE = 70 ppm / ° C) ، پیچیده سازی را پیچیده می کند.
• لایه های سرامیکی : رسانایی حرارتی برترتا 3 W/mK در مقابل 0.2 W/mK برای PTFEبهترین برای طرح های RF با قدرت بالا.
• مواد مبتنی بر هیدروکربن : داشتن خواص الکتریکی و مکانیکی متعادل با Dk=3.5±0.05 و جذب رطوبت کمتر از 0.02٪

لایه های Rogers 4003 به طور گسترده ای در رادار خودرو (76 81 گیگاهرتز) به دلیل ثبات ابعاد استثنایی (< 0.3٪) در طول لایه بندی استفاده می شود و اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت در سیستم های ایمنی حیاتی است.

PCB های هیبریدی: ترکیب مواد RF و استاندارد (به عنوان مثال Rogers + FR4)

استیک اپ های هیبریدی مواد RF با عملکرد بالا را با لایه های دیجیتال مقرون به صرفه ادغام می کنند و هزینه های کلی را بدون قربانی کیفیت سیگنال 30٪ تا 40٪ کاهش می دهند. یک پیکربندی معمولی شامل:

1. لایه های RF : 24 لایه از Rogers RO4350B (Dk=3.48) برای تغذیه آنتن و اتصال های بین المللی با سرعت بالا
2. لایه‌های دیجیتال : FR-4 برای مدارهای کنترلی و مدیریت توان
3. مناطق انتقال : انتقال‌های امپدانس کنترل‌شده با استفاده از پیش‌آغشته‌های خازنی دفن‌شده جهت مدیریت مسیرهای بازگشتی

این روش رابط‌های موجبری 94 گیگاهرتز را در سیستم‌های هوافضایی پشتیبانی می‌کند و در عین حال با استانداردهای قابلیت اطمینان IPC-6018 کلاس 3 سازگار است.

عملکرد حرارتی و الکتریکی در قطعات مایکروویو فرکانس بالا

ویژگی های حرارتی مواد مایکروویو تحت عملکرد فرکانس بالا

کار در فرکانس‌های بالا مقدار زیادی گرما تولید می‌کند، که به این معنی است که اگر بخواهیم از انبساط حرارتی جلوگیری کنیم و سیگنال‌ها دچار تخریب نشوند، واقعاً به موادی نیاز داریم که هدایت گرمایی بهتری از 0.5 وات بر متر کلوین داشته باشند. زیرلایه‌های سرامیکی در این زمینه عملکرد خوبی دارند و به حدود 24 وات بر متر کلوین می‌رسند، بنابراین در تجهیزات پایگاه‌های قدرتمند 5G و ارتباطات ماهواره‌ای که مدیریت دما حیاتی است، به خوبی کار می‌کنند. تحقیق منتشر شده در سال گذشته به بررسی نحوه تولید گرما توسط امواج مایکروویو پرداخته است و یافته‌های آن بسیار گویا بود: فراتر از حدود 10 گیگاهرتز، بیشتر انرژی از طریق اثرات دی الکتریک به صورت گرما از دست می‌رود. این موضوع روشن می‌کند که چرا مواد زیرلایه باید ضریب تلفات بسیار پایینی داشته باشند، ایده‌آل آن است که کمتر از 0.002 باشد، در غیر این صورت قطعات بیش از حد گرم شده و زودتر از موعد دچار خرابی می‌شوند.

امپدانس کنترل‌شده در طراحی فرکانس بالا برای عملکرد ثابت سیگنال

حفظ امپدانس دقیق (با تحمل ±5٪) برای جلوگیری از بازتاب‌هایی که سیگنال‌ها را در فرکانس‌های 28 گیگاهرتز و بالاتر تخریب می‌کنند، امری حیاتی است. دستیابی به این هدف نیازمند موارد زیر است:

• انتخاب موادی مانند روگرز 4350B با ثابت دی‌کی پایدار در برابر تغییرات دما
• اعمال الگوریتم‌های جبران اچ برای عرض خطوط ظریف (تا 0.1 میلی‌متر)
• اطمینان از کنترل دقیق ضخامت لایه‌ها (<3% تغییرات)

این روش‌ها انحراف امپدانس را در سرتاسر تولید به حداقل می‌رساند و انتقال سیگنال قوی در سیستم‌های میلی‌متری را پشتیبانی می‌کند.

ثابت دی‌الکتریک و عملکرد سیگنال در کاربردهای واقعی

دی‌کی مستقیماً بر پایداری فاز، تأخیر انتشار و تلفات نفوذ تأثیر می‌گذارد. مقایسه زیر مهم‌ترین معاوضه‌ها را نشان می‌دهد:

در کاربردهای هوافضا، زیرلایه‌های پر شده با سرامیک بر اساس داده‌های تحقیقات پایک از سال 2023، مقایسه با FR4 استاندارد، دلمیناسیون ناشی از عدم تطابق حرارتی را 73٪ کاهش می‌دهند.

تکنیک‌های تولید پیشرفته برای قطعات دقیق مایکروویو

تکنیک‌های آبکاری و سوراخ‌کاری دقیق برای برد مدار چاپی مایکروویو با چگالی بالا

رسیدن به تحملات ویژگی‌های زیر ۱۵ میکرومتر واقعاً نیازمند تکنیک‌های ساخت پیشرفته‌ای است. سیستم‌های LDI موجود امروزه می‌توانند با دقتی کمتر از ۲۵ میکرومتر هم‌راستا شوند، که این امر امکان ایجاد الگوهای پیچیده مسیرها را در برد‌های ۵G و کاربردهای موج میلی‌متری ما فراهم می‌کند. در مورد ایجاد ویاس (via)، شرکت‌ها در حال حاضر به جای مته‌کاری مکانیکی قدیمی، به استفاده از تنظیمات دقیق لیزر UV روی آورده‌اند. مزیت این روش چیست؟ حدود ۴۰٪ آسیب کمتر به ماده دی‌الکتریک، که به معنای بازتاب سیگنال کمتر و افت القایی پایین‌تر در کل است. تمام این بهبودها که شاهد آن هستیم، در واقع حاصل نوآوری مداوم در فناوری ماشین‌کاری دقیق در سراسر صنعت هستند.

روش‌های لایه‌چینی برای برد‌های مایکروویو چندلایه

هنگام کار با برد‌های چندلایه مایکروویو، تولیدکنندگان نیاز به تکنیک‌های لایه‌چینی خاصی دارند تا بتوانند تنش حرارتی زیاد در حین کار را مدیریت کنند. برای دستیابی به بهترین نتایج، بسیاری از واحدها از لایه‌چینی با فشار پایین حدود ۵ psi یا کمتر استفاده می‌کنند و مراحل اتصال را به صورت متوالی انجام می‌دهند. این روش به پخش یکنواخت ماده دی الکتریک در سراسر برد کمک می‌کند که در مواردی که از ترکیب مواد مختلف در ساختار لایه‌ای (hybrid stackups) استفاده می‌شود، اهمیت بسیاری دارد. صنعت دریافته است که استفاده از پره‌گرِیگ‌هایی با محتوای تقریباً بدون حفره (کمتر از ۱٪) همراه با هسته‌های مس-اینوار-مس عملکرد بسیار خوبی دارد. این ترکیب‌ها باعث کاهش تفاوت ضریب انبساط حرارتی به کمتر از ۲ قسمت در میلیون در هر درجه سانتی‌گراد می‌شود. این کنترل دقیق نقش تعیین‌کننده‌ای در حفظ یکپارچگی سیگنال در قطعات پیشرفته هوافضا دارد که روزانه با شرایط سختی مواجه می‌شوند.

چگونه فناوری‌های پیشرفته تولید، بازده و یکنواختی را بهبود می‌بخشند

هنگام استفاده از سیستم‌های بازرسی نوری خودکار مبتنی بر هوش مصنوعی برای تشخیص نقص‌ها، تولیدکنندگان می‌توانند نرخ ضایعات خود را به‌طور قابل توجهی کاهش دهند و گاهی هدررفت را حدود ۳۰ درصد کاهش دهند. در طول فرآیندهایی مانند حکاکی و آبکاری، نظارت لحظه‌ای به حفظ سطوح امپدانس به‌نسبت ثابت بین دسته‌های مختلف تولید کمک می‌کند و معمولاً در محدوده حدود مثبت و منفی ۲ درصد قرار می‌گیرد. روش‌های جدید تولید افزایشی نیز در حال تغییر وضعیت هستند. اکنون امکان چاپ ساختارهای محافظتی RF مستقیماً روی مواد زیرلایه وجود دارد، بجای وابستگی به مونتاژ دستی. این رویکرد نه تنها خطاهای انسانی آزاردهنده را حذف می‌کند، بلکه اثربخشی اتصال به زمین را نیز به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و بهبودی در حدود ۱۸ دسی‌بل در فرکانس‌هایی تا ۴۰ گیگاهرتز ایجاد می‌کند. تمام این پیشرفت‌های فناوری امکان تولید مقادیر زیادی از قطعات مایکروویو را فراهم می‌کنند، در حالی که همچنان الزامات سختگیرانه عملکردی را برآورده می‌کنند که قبلاً در مقیاس بزرگ دستیابی به آن‌ها دشوار بود.

طراحی مدار و شبیه‌سازی برای عملکرد قابل اعتماد قطعات مایکروویو

ملاحظات کلیدی طراحی مدار در فرکانس‌های بالا

هنگام کار با فرکانس‌های مایکروویو در محدوده ۱ تا ۳۰۰ گیگاهرتز، انتخاب هندسه مناسب خط انتقال بسیار مهم می‌شود تا بتوان اثرات ناخواسته متداول را به حداقل رساند. امپدانس باید حدود ۵۰ اهم باقی بماند تا همه چیز به درستی کار کند. حتی انحراف‌های بسیار کوچک، شاید تنها ۵ درصد، می‌تواند باعث مشکلاتی مانند تلفات القایی ۰٫۵ دسی‌بل در فرکانس‌های ۲۴ گیگاهرتز شود. مطالعه‌ای که سال گذشته توسط انجمن نظریه و فن‌آوری مایکروویو IEEE منتشر شد، نشان داد که برد‌هایی که زمین‌بندی نامتقارن دارند، در مقایسه با برد‌هایی که آرایش زمین‌بندی متقارن دارند، حدود ۱۸ درصد بیشتر سیگنال‌ها را بازتاب می‌دهند. مهندسانی که رویکرد «رادیویی-اول» (RF-first) را دنبال می‌کنند، معمولاً قطعات حساس مانند تقویت‌کننده‌ها و فیلترها را دور از مناطق دیگر برد قرار می‌دهند که ممکن است تداخل دیجیتالی از اجزای مجاور در آنجا ایجاد شود. این کار به جلوگیری از ایجاد نویز ناخواسته و تخریب سیگنال‌های ظریف مایکروویو کمک می‌کند.

شبیه‌سازی و آزمایش مدارهای مایکروویو قبل از تولید

ابزارهایی مانند ANSYS HFSS و Keysight ADS اکنون توانسته‌اند پارامترهای S پیچیده را با خطایی کمتر از ۲٪ تا فرکانس‌های ۱۱۰ گیگاهرتز پیش‌بینی کنند. در زمینه توسعه فیلترهای فناوری ۵G، حل‌کننده‌های میدان الکترومغناطیسی تعداد دفعات لازم برای ساخت نمونه‌های اولیه را به‌طور قابل توجهی کاهش داده‌اند. برخی گزارش‌های صنعتی در اواخر سال ۲۰۲۳ حاکی از حدود ۴۰٪ کاهش در این چرخه‌ها برای تقویت‌کننده‌های حالت جامد بوده است. همچنین نباید تحلیل حرارتی-ساختاری را فراموش کرد. تنها تغییرات دما می‌تواند خسارت قابل توجهی به سیستم‌های ما وارد کند. مواردی دیده شده است که تنها تغییر ۱۵ درجه سانتی‌گراد باعث تغییر حدود ۰٫۳٪ در فرکانس‌های تشدید در مواد سرامیکی مورد استفاده در ساخت زیرلایه می‌شود. چنین اتفاقی در صورت عدم کنترل، می‌تواند کالیبراسیون مناسب سیستم را به‌شدت مختل کند.

آزمون امپدانس و کنترل کیفیت در مونتاژ نهایی

تأیید نهایی به آزمون بازتاب‌سنجی دامنه زمانی (TDR) بستگی دارد که تضمین می‌کند تحمل امپدانس در تمام خطوط انتقال مایکروویو کمتر از 1٪ باشد. مطابق با IPC-6012E (به‌روزرسانی 2023)، رعایت استاندارد مستلزم موارد زیر است:

• انحراف فاز ±3٪ در جفت‌های دیفرانسیلی تا 40 گیگاهرتز
• تغییرات کمتر از 0.25 دسی‌بل در اتلاف درج در بین واحدهای تولیدی

سیستم‌های مدرن AOI قادر به تشخیص 99.98٪ نقص‌های خاص مایکروویو از جمله حفره‌های ریز در سوراخ‌های فلزی‌شده هستند و تضمین می‌کنند که تنها واحدهای کاملاً مطابق به مرحله بهره‌برداری می‌رسند.

آزمون قابلیت اطمینان و اعتبارسنجی محیطی قطعات مایکروویو

آزمون قابلیت اطمینان در شرایط چرخه‌دهی حرارتی و تنش رطوبتی

در مورد قطعات ماکروویو، این قطعات باید قبل از بهره‌برداری، از آزمون‌های بسیار سختی عبور کنند. چرخه‌دهی حرارتی بین دمای منفی ۴۰ درجه سلسیوس و مثبت ۱۲۵ درجه سلسیوس هزاران بار انجام می‌شود تا مشخص شود که آیا مواد در برابر تنش پایدار می‌مانند یا خیر. سپس آزمون رطوبت انجام می‌شود که در آن قطعات به مدت صدها یا حتی هزار ساعت مداوم در دمای ۸۵ درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ۸۵٪ قرار می‌گیرند. این آزمون به شناسایی مشکلاتی مانند جدایش لایه‌ها در زیرلایه‌های ترکیبی PTFE و سرامیکی کمک می‌کند که کار با آنها اغلب بسیار دشوار است. تحقیقات اخیر منتشر شده در سال گذشته به بررسی قابلیت اطمینان مواد مختلف پرداخته و یافته‌های جالبی درباره ورق‌های فرکانس بالا ارائه کرده است. این مواد تنها حدود ۳٪ تغییر در ثابت دی‌الکتریک خود پس از تحمل ۷۰۰ ضربه حرارتی نشان می‌دهند که در واقع عملکرد بهتری نسبت به حداقل الزامات استاندارد IEC 61189-3 دارد. این موضوع در نظر گرفتنی است، با توجه به شرایط سختی که این قطعات در طول کار عادی با آن مواجه می‌شوند.

نظارت بلندمدت بر یکپارچگی سیگنال در محیط‌های سخت

هنگامی که قطعات باید در محیط‌هایی عمل کنند که خوردگی یا تنش مکانیکی در آن‌ها مطرح باشد، باید قادر به تحمل پروتکل آزمون MIL-STD-202 روش 107 باشند. مواد سری RO4000 از روگرس نیز ثبات چشمگیری نشان می‌دهند و حتی پس از 5000 ساعت قرار گرفتن در معرض رطوبت 95 درصد، تغییرات ضریب دی الکتریک را در حدود 1.5 درصد حفظ می‌کنند. این امر باعث می‌شود که این زیرلایه‌ها به‌ویژه برای کاربردهایی مانند سیستم‌های رادار آرایه فازی و ارتباطات ماهواره‌ای که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، مناسب باشند. با بررسی مداوم عملکرد در مقابل استانداردهای محیطی تعیین‌شده، مهندسان می‌توانند افت سیگنال را در فرکانس‌های تا 40 گیگاهرتز به زیر آستانه بحرانی 0.15 دسی‌بل در اینچ نگه دارند. چنین نتایجی با مشخصات دقیق IPC-6018 کلاس 3A مطابقت دارد که برای کاربردهای واقعاً حیاتی که شکست در آن‌ها مجاز نیست، الزامی است.