Mire figyeljünk mikrohullámú alkatrészek beszerzésekor

Anyagkiválasztás mikrohullámú alkatrészekhez: Dk, Df és aljzatlehetőségek

Miért fontos a dielektromos állandó (Dk) a mikrohullámú NYÁK-anyagok kiválasztásánál

A dielektromos állandó, amit az mérnökök Dk-ként emlegetnek, alapvetően meghatározza, hogyan haladnak az elektromágneses hullámok különböző anyagokon keresztül, ami mikrohullámú áramkörök tervezése szempontjából igen fontos. Amikor olyan stabil Dk-értékekről beszélünk, amelyek nagyjából ±0,05 tartományban mozognak, az segít tisztán és élesen tartani a magas frekvenciás jeleket 10 GHz felett. Vegyük például a kerámia töltelékű PTFE kompozitokat: ezek az anyagok képesek Dk-értéküket körülbelül 2,94 és 3,2 között tartani akkor is, ha a hőmérséklet drasztikusan változik mínusz 50 Celsius-foktól egészen plusz 150 Celsius-fokig. Ilyen stabilitás teszi őket kitűnő választássá az impedancia szabályozásában az új 5G milliméterhullámú rendszerekben, ahol a jel integritása különösen fontos.

Ezek a változatok szemléltetik, hogy miért kerülik a magas frekvenciás alkalmazások a szabványos FR-4 anyagot, amelynek dielektromos állandója (Dk) jelentősen csökken a frekvencia növekedésével, így impedancia-változáshoz és jelromláshoz vezet.

Alacsony disszipációs tényező (Df) és veszteségi szög a jel integritásának fenntartásához

Az alacsony disszipációs tényezőjű (Df) anyagok segítenek a jelminőség fenntartásában, mivel nem pazarolnak el sok energiát dielektromos veszteségek formájában. Amikor körülbelül 28 GHz-es frekvencián dolgozunk, jelentős javulást tapasztalhatunk, ha olyan hordozókat használunk, amelyek Df értéke 0,004 alatti, szemben a szokásos FR-4 lemezekkel, csökkentve az illesztési veszteséget körülbelül 22%-kal. Néhány speciális, szénhidrogénből készült kerámiás anyag ténylegesen 0,0015-ös Df értékig is képes eljutni, ami ideálissá teszi őket olyan radaralkalmazásokhoz, ahol a jel erőssége különösen fontos. Ezek a rendszerek 77 GHz-es frekvenciánál egylángyolmányonként 0,1 dB-nél kisebb veszteséget igényelnek. Ha figyelembe vesszük a nagyfrekvenciás nyomtatott áramkörök tervezéséhez ajánlott anyagokat, a Dk és a Df szigorú szabályozása körülbelül 18%-os teljesítményjavulást eredményezhet műholdas kommunikációs rendszerekben. Ilyen hatékonyságnövekedés idővel jelentős előnyt jelent ezekben a követelőző alkalmazásokban.

PTFE, Rogers és kerámiabetétes hordozók összehasonlítása mikrohullámú alkalmazásokhoz

• PTFE : Ultral alacsony veszteséget kínál (Df=0,002), de rossz mechanikai stabilitással rendelkezik (CTE=70 ppm/°C), ami bonyolítja az összeszerelést.
• Kerámia töltőanyagú laminátumok : Kiváló hővezető-képességet biztosítanak — akár 3 W/mK-ig, szemben a PTFE 0,2 W/mK-jával — ideálisak nagyteljesítményű RF tervezésekhez.
• Szénhidrogén-alapú anyagok : Kiegyensúlyozott elektromos és mechanikai tulajdonságokat nyújtanak, Dk=3,5±0,05 értékkel és 0,02% alatti nedvességfelvétellel.

A Rogers 4003-as sorozatú laminátumokat széles körben használják autóipari radarokban (76–81 GHz), kiváló méretstabilitásuk miatt (<0,3%) a rétegeltetés során, így hosszú távú megbízhatóságot biztosítva biztonságkritikus rendszerekben.

Hibrid NYÁK-rétegződések: RF és szabványos anyagok kombinációja (pl. Rogers + FR4)

A hibrid rétegződések magas teljesítményű RF-anyagokat integrálnak költséghatékony digitális rétegekkel, csökkentve az összköltséget 30–40%-kal anélkül, hogy a jelminőséget áldoznák fel. Egy tipikus konfiguráció a következőt tartalmazza:

1. RF rétegek : 2–4 réteg Rogers RO4350B (Dk=3,48) antennacsatlakozókhoz és nagysebességű összeköttetésekhez
2. Digitális rétegek : FR-4 vezérlőkörök és teljesítménykezelés céljára
3. Átmeneti zónák : Vezérelt impedanciájú átmenetek eltemetett kapacitású prepreg anyagokkal a visszatérő utak kezeléséhez

Ez a módszer támogatja a 94 GHz-es hullámvezető csatlakozásokat légi és űrrendszerekben, miközben teljesíti az IPC-6018 Class 3 megbízhatósági szabványokat.

Hő- és elektromos teljesítmény magasfrekvenciás mikrohullámú alkatrészeknél

Mikrohullámú anyagok hőmérsékleti jellemzői magasfrekvenciás üzemmódban

A magas frekvenciákon történő működés sok hőt termel, ami azt jelenti, hogy olyan anyagokra van szükségünk, amelyek jobban vezetik a hőt, mint 0,5 W/m·K, ha kontrollálni akarjuk a hőtágulást, és meg akarjuk akadályozni a jelek minőségének romlását. A kerámia alapanyagok itt elég jók, körülbelül 24 W/m·K-os hővezető képességet érnek el, így jól működnek azokban a teljesítményerős 5G bázisállomásokban és műholdas kommunikációs berendezésekben, ahol a hőmérséklet-szabályozás kritikus fontosságú. Egy tavaly publikált kutatás azt vizsgálta, hogyan keletkezik hő mikrohullámok hatására, és az eredmény elég tanulságos volt: nagyjából 10 GHz felett a legtöbb energia dielektromos hatás miatt hőként veszik el. Ez világossá teszi, miért kell az alapanyagoknak olyan alacsony veszteségi tangenssel rendelkezniük, ideálisan 0,002 alatti értékkel, különben az alkatrészek túl melegek lesznek, és előbb idő előtt elkezdenek hibásodni.

Impedanciavezérlés magasfrekvenciás tervezésben a jelminőség állandósága érdekében

Pontos impedancia fenntartása (±5%-os tűrés) elengedhetetlen ahhoz, hogy elkerüljük a visszaverődéseket, amelyek a 28 GHz-es és annál magasabb frekvenciájú jeleket lerontják. Ennek eléréséhez szükséges:

• Olyan anyagok kiválasztása, mint a Rogers 4350B, amelyek hőmérsékletfüggetlenül stabil Dk értékkel rendelkeznek
• Marási kompenzációs algoritmusok alkalmazása finom nyomvonal-szélességekhez (akár 0,1 mm-ig)
• A rétegelt lemez vastagságának szigorú ellenőrzése (<3% eltérés)

Ezek a gyakorlatok minimális impedancia-elhajlást biztosítanak a termelési sorozatok során, megbízható jelátvitelt támogatva mmHullámú rendszerekben.

Dielektrikus állandó és jelminőség valós alkalmazásokban

A Dk közvetlen hatással van a fázisstabilitásra, terjedési késleltetésre és a besugárzási veszteségre. Az alábbi összehasonlítás a fő kompromisszumokat mutatja be:

A légi alkalmazásokban a kerámia kitöltésű alapanyagok 73%-kal csökkentik a hő okozta feszültségből eredő rétegződést az FR4 szabványos típushoz képest, a Pike Research 2023-as adatai szerint.

Pontos mikrohullámú alkatrészek előállításának fejlett gyártási technikái

Pontos marási és fúrási technikák nagy sűrűségű mikrohullámú nyomtatott áramkörökhez

Az 5 mikrométernél kisebb méretű elemek gyártása valóban kifinomult gyártási technikákat igényel. A jelenlegi LDI rendszerek kevesebb, mint 25 mikrométeres pontossággal tudnak illeszteni, ami lehetővé teszi az összetett nyomkövetési minták létrehozását az 5G-alapú áramkörökben és milliméterhullámú alkalmazásokban. Átmenőfuratok (vias) készítése során a vállalatok egyre inkább elmozdulnak a mechanikus fúrás klasszikus módszere felől, és pontos UV-lézeres berendezéseket használnak. Mi az előnyük? Körülbelül 40%-kal kisebb károsodás a dielektrikus anyagban, ami csökkenti a jelvisszaverődést, és alacsonyabb besugárzási veszteségeket eredményez. Mindezek a javulások lényegében az iparág egészében folyamatos mikromegmunkálási innováció következményei.

Többrétegű mikrohullámú PCB-k rétegeltetési módszerei

Többrétegű mikrohullámú nyomtatott áramkörök gyártása során a gyártóknak speciális laminálási technikákat kell alkalmazniuk, hogy kezelni tudják a működés közben fellépő hőterhelést. A legjobb eredmények érdekében sok gyár alacsony nyomású laminálást választ kb. 5 psi vagy annál kisebb nyomással, szekvenciális kötési lépésekkel. Ez segít az dielektrikum anyag egyenletes eloszlásában az egész lemezen, ami különösen fontos hibrid rétegfelépítésnél, ahol különböző anyagok vannak összekeverve. Az ipar azt tapasztalta, hogy a 1%-nál kisebb üregtartalmú előlaminált anyagok (prepreg) kiválóan működnek a réz-invar-réz maggal párosítva. Ezek a kombinációk a hőtágulási együttható különbségét 2 milliomod fokonként Celsius-fokonként maradék alá csökkentik. Az ilyen szigorú szabályozás döntő fontosságú a jelintegritás stabilitásának fenntartásában olyan magas teljesítményű repülési és űripari alkatrészeknél, amelyek nap mint nap igen kemény körülményekkel szembesülnek.

Hogyan javítják a fejlett gyártástechnológiák a kitermelést és az egységes minőséget

A hibák kimutatására mesterséges intelligenciával működő, automatizált optikai ellenőrző rendszereket használva a gyártók jelentősen csökkenthetik a törmelék arányukat, néha mintegy 30%-kal csökkentve a hulladékot. Az olyan folyamatok során, mint a korzsolás és a bevonat, a valós idejű megfigyelés segít a különböző gyártási menetek közötti elég következetes impedancia szintek fenntartásában, általában kb. plusz vagy mínusz 2%-on belül. A legújabb adalékanyag-gyártási módszerek is megváltoztatják a dolgokat. Most már lehetséges nyomtatni a RF védő szerkezeteket közvetlenül a szubsztrát anyagokra, ahelyett, hogy kézi összeállításra támaszkodnánk. Ez a módszer nemcsak megszabadul az ember által okozott zavaros hibáktól, hanem jelentősen növeli a földelési hatékonyságot, mintegy 18 decibelrel javítva a 40 gigahertz frekvenciát. Mindezek a technológiai fejlődések lehetővé teszik a mikrohullámú alkatrészek nagy mennyiségű gyártását, miközben továbbra is megfelelnek a korábban nehéz méretben megvalósítható szigorú teljesítménykövetelményeknek.

Áramkörtervezés és szimuláció megbízható mikrohullámú alkatrész teljesítményért

Főbb áramkörtervezési szempontok magas frekvencián

Amikor 1 és 300 GHz közötti mikrohullámú frekvenciákkal dolgozunk, nagyon fontos a megfelelő transzmissziós vonal geometria kiválasztása, ha minimalizálni szeretnénk a kellemetlen parazita hatásokat. Az impedanciának kb. 50 ohm körül kell maradnia ahhoz, hogy minden megfelelően működjön. Már az apró eltérések, például csupán 5%, is okozhatnak problémákat, mint például 0,5 dB besugárzási veszteség a 24 GHz-es frekvencián történő működés során. Egy tavaly megjelent tanulmány, amelyet az IEEE Microwave Theory and Techniques Society publikált, kimutatta, hogy a nem egyenletes földeléssel rendelkező nyomtatott áramkörök kb. 18%-kal több jelet vernek vissza, mint a szimmetrikus földelési elrendezéssel rendelkezők. Azok az mérnökök, akik az úgynevezett RF-first (rádiófrekvencia-előtérbe helyezés) módszert alkalmazzák, általában a fogékony alkatrészeket, mint például erősítőket és szűrőket, olyan területekre helyezik el a nyomtatott áramkörön, amelyek távol esnek a digitális zavarokat okozó más komponensektől. Ez segít abban, hogy a nem kívánt zaj ne zavarja meg a finom mikrohullámú jeleket.

Mikrohullámú áramkörök szimulációja és tesztelése gyártás előtt

Az ANSYS HFSS és a Keysight ADS eszközök mára képesek pontosan előrejelezni azokat a nehezen kezelhető S-paramétereket, legfeljebb 2%-os hibahatáron belül egészen 110 GHz-es frekvenciákig. Amikor 5G technológiához szükséges szűrőket fejlesztünk, az elektromágneses mezőszámító programok jelentősen csökkentették a prototípusok gyártásának szükségességét. A 2023 végén készült iparági jelentések szerint a szilárdtest erősítők esetében ez körülbelül 40%-os csökkenést jelentett. És itt ne feledkezzünk meg a termikus szerkezeti elemzésről sem. Már maga a hőmérsékletváltozás is komoly károkat okozhat rendszereinkben. Olyan eseteket láttunk, amikor csupán 15 °C-os hőmérsékletingadozás közel 0,3%-os eltolódást idézett elő a hordozóréteg építéséhez használt kerámiák rezonanciafrekvenciájában. Ha ilyen jelenséget nem vesszük észre, az komoly problémákat okozhat a rendszer megfelelő kalibrálásában.

Impedanciamérés és minőségellenőrzés a végszerelés során

A végső ellenőrzés az időtartományú visszaverődésmérésen (TDR) alapul, amely biztosítja a <1% impedancia-tűrés megtartását az összes mikrohullámú transzmissziós vonalon. Az IPC-6012E (2023-as frissítés) szerint a megfelelőséghez szükséges:

• ±3% fáziselhajlás differenciális pároknál akár 40 GHz-ig
• <0,25 dB illesztési veszteség-ingadozás a gyártott egységek között

A modern AOI rendszerek a mikrohullámú alkalmazásokra jellemző hibák 99,98%-át észlelik, beleértve a rétegezett átmenő furatok mikroporait is, így csak a teljes mértékben megfelelő egységek kerülnek kihelyezésre.

Mikrohullámú alkatrészek megbízhatósági vizsgálata és környezeti validálása

Megbízhatósági tesztelés termikus cikluson és páratartalommal kapcsolatos stressz hatására

Mikrohullámú alkatrészek esetén igen intenzív teszteken kell átesniük, mielőtt bárki üzembe helyezné őket. A hőmérsékleti ciklusok során a hőmérséklet mínusz 40 °C és plusz 125 °C között változik több ezer alkalommal, csupán az anyagok stressz alatti viselkedésének ellenőrzése céljából. Ezután következik a páratartalom-teszt, amely során az alkatrészeket 85 °C-os hőmérsékleten és 85% relatív páratartalmon akár száz vagy akár ezer órán keresztül is kitérve vizsgálják. Ez segít felismerni olyan problémákat, mint a rétegződési hibák a nehezen kezelhető PTFE és kerámia hibrid hordozókban. Egy tavaly publikált kutatás a különböző anyagok megbízhatóságát vizsgálta, és érdekes eredményt talált a nagyfrekvenciás laminátumokkal kapcsolatban. Ezek az anyagok csupán körülbelül 3%-os változást mutatnak dielektromos állandójukban 700 hőütés után, ami valójában felülmúlja az IEC 61189-3 szabvány által előírt értékeket. Elég lenyűgöző teljesítmény, figyelembe véve az összes extrém körülményt, amelyekkel ezek az alkatrészek a normál üzem során szembesülnek.

Hosszú távú jelintegritás-figyelés kemény körülmények között

Amikor az alkatrészek olyan környezetben működnek, ahol a korrózió vagy mechanikai igénybevétel aggályt jelent, képeseknek kell lenniük arra, hogy kibírják a MIL-STD-202 Method 107 tesztelési protokollt. A Rogers RO4000 sorozatú anyagok is figyelemre méltó stabilitást mutatnak, dielektromos állandójuk változása mintegy 1,5%-on belül marad, még akkor is, ha 5000 órán keresztül 95%-os páratartalomnak vannak kitéve. Ez az alapanyag különösen jól alkalmazható olyan alkalmazásokban, mint a fáziseltolásos rádiós rendszerek és a műholdas kommunikáció, ahol a megbízhatóság a legfontosabb. Az állandó teljesítményellenőrzés az elfogadott környezeti szabványokhoz képest lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a jelcsillapítás 0,15 dB/hüvelyk kritikus küszöbérték alatt maradjon 40 GHz-es frekvenciánál. Ezek az eredmények megfelelnek az IPC-6018 Class 3A szigorú előírásainak, amelyek azokhoz a valóban missziósan kritikus alkalmazásokhoz szükségesek, ahol a hiba nem opció.