Რაზე უნდა მიაქციოთ ყურადღება მიკროტალღური ნაწილების შეძენისას

Მასალის შერჩევა მიკროტალღური ნაწილებისთვის: Dk, Df და სუბსტრატის ვარიანტები

Რატომ არის დიელექტრიკული მუდმივა (Dk) მნიშვნელოვანი მიკროტალღური PCB-ის მასალის შერჩევისას

Დიელექტრიკული მუდმივა, რომელსაც ინჟინრები Dk-ს უწოდებენ, ძირეულად განსაზღვრავს, თუ როგორ ვრცელდება ელექტრომაგნიტური ტალღები სხვადასხვა მასალებში, რაც საკმაოდ მნიშვნელოვანია მიკროტალღური წრედების დიზაინისას. როდესაც ვსაუბრობთ ±0.05 დიაპაზონში სტაბილურ Dk მნიშვნელობებზე, ეს ხელს უწყობს ამ სიგნალების გასუფთავებას და გასაგებად შენარჩუნებას 10 გიგაჰერთზე მეტი სიხშირის შემთხვევაში. მაგალითად, კერამიკით შევსებული PTFE კომპოზიტები შეძლებენ შეინარჩუნონ მათი Dk მნიშვნელობა დაახლოებით 2.94-დან 3.2-მდე, მიუხედავად იმისა, რომ ტემპერატურა მკვეთრად იცვლება მინუს 50 გრადუსი ცელსიუსიდან 150 გრადუს ცელსიუსამდე. ასეთი სტაბილურობა ხდის მათ საუკეთესო არჩევანად იმპედანსის კონტროლისთვის ახალ 5G მილიმეტრულ-ტალღურ სისტემებში, სადაც სიგნალის მთლიანობა საკმაოდ მნიშვნელოვანია.

Ეს ცვალებადობა ხაზგასმით აღნიშნავს, რატომ ავიცილებენ სტანდარტულ FR-4-ს მაღალი სიხშირის მოწყობილობებში, რომლის Dk-ც სიხშირის მნიშვნელოვნად შემცირების შედეგად იკლებს, რაც იწვევს იმპედანსის ცვლილებას და სიგნალის დეგრადაციას.

Დაბალი დისიპაციის ფაქტორი (Df) და კარგი კუთხით სიგნალის მთლიანობისთვის

Დაბალი დისიპაციის ფაქტორის (Df) მასალები ხელს უწყობს სიგნალის ხარისხის შენარჩუნებას, რადგან ისინი დიელექტრიკული დანაკარგების გზით არ არინებენ მეტ ენერგიას. როდესაც ვმუშაობთ დაახლოებით 28 გჰც-ის სიხშირეზე, მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება გვაქვს Df-ის მნიშვნელობებით 0,004-ზე ნაკლები სუბსტრატების გამოყენებისას ჩვეულებრივი FR-4 დაფების ნაცვლად, რაც შეიძლება შეამციროს ჩასმის დანაკარგი დაახლოებით 22%-ით. ზოგიერთი მაღალი ხარისხის კერამიკული მასალა, რომელიც ნახშირწყალბადებზეა დამზადებული, სინამდვილეში აღწევს Df-ის მნიშვნელობებს 0,0015-მდე, რაც ხდის მათ იდეალურ არჩევანად რადარული სისტემებისთვის, სადაც სიგნალის სიმძლავრე ძალიან მნიშვნელოვანია. ასეთ სისტემებს სჭირდებათ დანაკარგები 77 გჰც-ის სიხშირეზე 0,1 დბ-ზე ნაკლები ინჩში. თუ გავაანალიზებთ რეკომენდებულ მიდგომებს სამაღლე სიხშირის ნაბეჭდ სქემების დიზაინში, Dk-სა და Df-ის მკაცრად კონტროლირება შეიძლება გაზარდოს სიგნალის ძლიერი გამაძლიერებლის მუშაობა დაახლოებით 18%-ით სატელიტური კავშირგების სისტემებში. ასეთი ეფექტიანობის მოგება დროთა განმავლობაში ნამდვილად იწვევს დიდ განსხვავებას ასეთ მოთხოვნად აპლიკაციებში.

PTFE-ს, Rogers-ის და კერამიკულ საფუძველზე დაფუძნებული სუბსტრატების შედარება მიკროტალღური აპლიკაციებისთვის

• PTFE : უზრუნველყოფს ულტრადაბალ კარგი მოწყობილობას (Df=0.002), მაგრამ აქვს სუსტი მექანიკური სტაბილურობა (CTE=70 ppm/°C), რაც ართულებს ასამბლირების პროცესს.
• Კერამიკით შევსებული ფენოვანი მასალები : უზრუნველყოფს ზემაღალ თერმულ გამტარობას — 3 ვტ/მK-მდე, შედარებით 0.2 ვტ/მK-ის PTFE-სთვის — იდეალურია სიმძლავრის მაღალი RF დიზაინებისთვის.
• Ჰიდრონაგვარ-ზედაპირიანი მასალები : იძლევა დაბალანსებულ ელექტრულ და მექანიკურ თვისებებს, Dk=3.5±0.05 და სინჯავის შთანთქმა 0.02%-ზე ნაკლები.

Rogers 4003-ების სერიის ფენოვანი მასალები ფართოდ გამოიყენება ავტომობილების რადარებში (76–81 გჰც) მათი გამორჩეული განზომილებითი სტაბილურობის გამო (<0.3%) ლამინირების დროს, რაც უზრუნველყოფს გრძელვადიან საიმედოობას უსაფრთხოების კრიტიკულ სისტემებში.

Ჰიბრიდული PCB ფენები: RF და სტანდარტული მასალების კომბინირება (მაგ., Rogers + FR4)

Ჰიბრიდული ფენები ინტეგრირებულია მაღალი ეფექტიანობის RF მასალები ხარჯების შესამსუბუქებელ ციფრულ ფენებთან, რითაც საერთო ხარჯები 30–40%-ით კლებულობს სიგნალის ხარისხის შეულახავად. ტიპიური კონფიგურაცია შეიცავს:

1. RF ფენები : 2–4 ფენა Rogers RO4350B-დან (Dk=3.48) ანტენის სამ питანებისა და მაღალი სიჩქარის შეერთებებისთვის
2. Დიგიტალური ფენები : FR-4 კონტროლის სქემებისა და ენერგიის მართვისთვის
3. Გადასვლის ზონები : კონტროლირებადი იმპედანსის გადასვლები დამალული კონდენსატორების წინასწარ პროპირების გამოყენებით, რევერსული გზების მართვისთვის

Ეს მეთოდი უზრუნველყოფს 94 გჰც-იანი ტალღის გზების ინტერფეისებს აეროკოსმოს სისტემებში და IPC-6018 Class 3 საიმედოობის სტანდარტების შესაბამისობას.

Თერმული და ელექტრული მახასიათებლები მაღალი სიხშირის მიკროტალღურ ნაწილებში

Მიკროტალღური მასალების თერმული მახასიათებლები მაღალი სიხშირის რეჟიმში

Მაღალ სიხშირეზე მუშაობისას წარმოიქმნება მნიშვნელოვანი სითბო, რაც ნიშნავს, რომ საჭირო გვაქვს მასალები, რომლებიც სითბოს გამტარობა 0.5 ვტ/მ·კ-ზე უკეთესია, თუ გვინდა კონტროლი მოვახდინოთ თერმულ გაფართოებაზე და შევაჩეროთ სიგნალების დეგრადაცია. კერამიკული სუბსტრატები ამ მიმართულებით საკმაოდ კარგია, რომლებიც აღწევენ დაახლოებით 24 ვტ/მ·კ-ს, ამიტომ კარგად მუშაობს იმ სიმძლავრის 5G ბაზისურ სადგურებში და სატელიტურ კომუნიკაციურ მოწყობილობებში, სადაც ტემპერატურის მართვა კრიტიკულია. მიმდინარე წლის კვლევა შეისწავლიდა, თუ როგორ იწარმოებს მიკროტალღები სითბოს, და რა გამოადეგინათ მათ: 10 გჰც-ზე მეტი სიხშირის შემთხვევაში უმეტესი ენერგია კარგდება სითბოს სახით დიელექტრიკული ეფექტების გამო. ეს ნათელი ხდის, თუ რატომ არის სუბსტრატის მასალებისთვის ასეთი დაბალი დანაკარგის ტანგენსი საჭირო, იდეალურ შემთხვევაში 0.002-ზე ნაკლები, წინააღმდეგ შემთხვევაში კომპონენტები ძალიან გადახურდებიან და დროულად გამოვალიან.

Კონტროლირებადი იმპედანსი მაღალი სიხშირის დიზაინში სიგნალის მუდმივი შესრულებისთვის

Ზუსტი იმპედანსის (±5% დასაშვები გადახრა) შენარჩუნება საკრიტიკო მნიშვნელობისაა არეკლების თავიდან ასაცილებლად, რომლებიც აფუჭებენ სიგნალებს 28 გჰც-ზე მეტი სიხშირის შემთხვევაში. ამის მისაღწევად საჭიროა:

• Rogers 4350B-ის მსგავსი მასალების არჩევანი, რომლებსაც ახასიათებთ სტაბილური Dk ტემპერატურის მიმართ
• Ჭდის კომპენსაციის ალგორითმების გამოყენება ზუსტი სიგვალების სიგანისთვის (0.1 მმ-მდე)
• Ლამინირებული ფილების სისქის მკაცრი კონტროლის უზრუნველყოფა (<3% ცვალებადობა)

Ეს პრაქტიკები უზრუნველყოფს წინაღობის მინიმალურ გადახრას წარმოების სერიების განმავლობაში და ხელს უწყობს სიგნალის მდგრად გადაცემას mmWave სისტემებში.

Დიელექტრიკული მუდმივები და სიგნალის მუშაობა რეალურ პრაქტიკულ გამოყენებაში

Dk პირდაპირ ახდენს გავლენას ფაზის სტაბილურობაზე, გავრცელების დაყოვნებაზე და ჩასმის კარგვაზე. შემდეგი შედარება ასახავს ძირეულ კომპრომისებს:

Აეროკოსმოსურ გამოყენებებში, კერამიკით შევსებული სუბსტრატები სტანდარტული FR4-თან შედარებით თერმული არაშესაბამობით გამოწვეულ დელამინაციას ამცირებს 73%-ით, მონაცემები 2023 წლის Pike Research-ის მიხედვით.

Ზუსტი მიკროტალღური ნაწილების დამზადების თანამედროვე ტექნოლოგიები

Ზუსტი გაჭრის და გახვრელის გაკეთების ტექნიკა მაღალი სიხშირის მიკროტალღური PCB-ებისთვის

Ქვე-15 მიკრომეტრიან ზომებზე დასაყრდნობად საჭიროებს საკმაოდ განვითარებულ წარმოების ტექნიკას. LDI სისტემები, რომლებიც ამჟამად არსებობს, შეძლებენ 25 მიკრომეტრზე ნაკლები ზომის მიღმა გასწორებას, რაც ხელს უწყობს 5G და მილიმეტრული ტალღის დაფების სახით არსებული დახვეწილი ნახაზების შექმნას. ვიას დასამზადებლად კომპანიები ძველი მექანიკური ბურღვის ნაცვლად ზუსტ ულტრაიისფერი ლაზერულ სისტემებზე გადადიან. რა სარგებელი მოჰყვება? დიელექტრიკული მასალის დაზიანების შემცირება დაახლოებით 40%-ით, რაც ნიშნავს სიგნალის ნაკლებ არეკლილობას და საერთო ჩასმის დანაკარგების შემცირებას. ყველა ეს მოგება, რომელსაც ვხედავთ, ძირეულად მიკრომაშინირების ტექნოლოგიაში მთელი ინდუსტრიის მასშტაბით მიმდინარე უწყვეტი ინოვაციების შედეგია.

Მრავალფენიანი მიკროტალღური PCB-ების ლამინირების მეთოდები

Როდესაც მუშაობენ მრავალფენიან მიკროტალღურ პირბადზე, წარმოების დროს სითბური დატვირთვის გასატარებლად საჭიროა სპეციალური ფენების დამუშავების ტექნიკა. უმჯობესი შედეგების მისაღებად, ბევრი საწარმო ირჩევს დაბალი წნევის ლამინირებას, დაახლოებით 5 psi ან მასზე ნაკლებს, რაც შეესაბამება თანმიმდევრულ შეერთების ეტაპებს. ეს ხელს უწყობს დიელექტრიკული მასალის საფარის თანაბარ გავრცელებას მთელ დაფაზე, რაც განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ჰიბრიდული სტრუქტურების შემთხვევაში, სადაც შერეულია სხვადასხვა მასალები. ინდუსტრიამ დაადგინა, რომ ნახევრად დამზადებული მასალების გამოყენება 1%-ზე ნაკლები ღვიარის შემცველობით ძალიან კარგად იმუშავებს სპილენძ-ინვარ-სპილენძის ბირთვებთან ერთად. ეს კომბინაციები თბოგაფართოების კოეფიციენტის სხვაობას ამცირებს 2 ppm/°C-ზე ნაკლებად. ასეთი ზუსტი კონტროლი საშუალებას იძლევა მაღალი სიმძლავრის აეროსივრტმომსახურების კომპონენტებში სიგნალის მთლიანობის სტაბილურობის შენარჩუნებას, რომლებიც ყოველდღიურად განიცდიან საკმაოდ მკაცრ პირობებს.

Როგორ აუმჯობესებს მაღალი ტექნოლოგიის წარმოების მეთოდები მოგებას და ერთგვაროვნობას

Როდესაც მწარმოებლები იყენებენ ავტომატიზირებულ ოპტიკურ ინსპექტირების სისტემებს, რომლებიც ხელოვნური ინტელექტის მეშვეობით მუშაობს ხარვეზის გამოსავლენად, მათ შეუძლიათ მნიშვნელოვნად შეამცირონ ნარჩენების რაოდენობა, ზოგჯერ კი ნარჩენების შემცირება დაახლოებით 30%-ით. ისეთი პროცესების დროს, როგორიცაა ხატვა და დაფარვა, რეალურ დროში მონიტორინგი ხელს უწყობს იმპედიანტის დონეების საკმაოდ თანმიმდევრულად შენარჩუნებას სხვადასხვა წარმოების რიგებში, როგორც წესი დაახლოებით + ან - 2% -ის ფარგლებში. უახლესი დანამატების წარმოების მეთოდებიც ცვლის რამეს. ახლა შესაძლებელია რადიოსკრუმის დამცავი სტრუქტურების ბეჭდვა პირდაპირ სუბსტრატის მასალებზე ნაცვლად ხელით დამზადებისა. ეს მიდგომა არა მხოლოდ ხსნის ამ შემაწუხებელ ადამიანურ შეცდომებს, არამედ მნიშვნელოვნად ზრდის მიწასთან მიერთების ეფექტურობას, რაც დაახლოებით 18 დეციბელის გაუმჯობესებას იწვევს 40 გიგაჰერცამდე სიხშირეზე. ყველა ეს ტექნოლოგიური პროგრესი საშუალებას იძლევა წარმოებული იყოს დიდი რაოდენობით მიკროტალღური კომპონენტები, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი შეესაბამება შესრულების მკაცრ მოთხოვნებს, რომლებიც ადრე რთულად იყო მიღწეული მასშტაბით.

Საიმედო მიკროტალღური ნაწილების მუშაობისთვის სქემის დიზაინი და სიმულაცია

Მაღალი სიხშირის მნიშვნელოვანი სქემის დიზაინის გათვალისწინება

Როდესაც მუშაობთ 1-დან 300 გჰც-მდე მიკროტალღურ სიხშირეებზე, საჭიროა სწორი გადაცემის ხაზის გეომეტრიის გამოყენება, რათა შეამციროთ პარაზიტული ეფექტები. იმპედანსი უნდა შენარჩუნდეს დაახლოებით 50 ომის გარშემო, რათა ყველაფერი სწორად იმუშაოს. უცებ მცირე გადახრებიც კი, მაგალითად მხოლოდ 5%, შეიძლება გამოიწვიოს პრობლემები, მაგალითად 0,5 დბ-იანი ჩასმის კარგვა 24 გჰც-ზე მუშაობისას. წელს წინა წელს IEEE-ის მიკროტალღური თეორიისა და ტექნიკური საზოგადოების მიერ გამოქვეყნებულმა კვლევამ აჩვენა, რომ დაფები, რომლებზეც განუთავსებულია განმსაზღვრელი გარდატარება, სიგნალებს დაახლოებით 18%-ით მეტად არეკლავს, ვიდრე სიმეტრიული გარდატარების მქონე დაფები. ინჟინრები, რომლებიც ითვლებიან RF-პირველ მიდგომას, ხშირად აშორებენ მგრძნობიარე კომპონენტებს, მაგალითად ამპლიფიკატორებს და ფილტრებს, სხვა ადგილებს დაფაზე, სადაც შეიძლება იყოს ციფრული შეფერხება მიმდებარე კომპონენტებისგან. ეს ხელს უწყობს არასასურველი ხმაურისგან დაცული იყოს მგრძნობიარე მიკროტალღური სიგნალები.

Მიკროტალღური წრედების მოდელირება და ტესტირება წარმოებამდე

ANSYS HFSS და Keysight ADS-ის მსგავსი ინსტრუმენტები ახლა შეძლებენ რთული S-პარამეტრების პროგნოზირებას 2%-ზე ნაკლები შეცდომის მაჩვენებლით, 110 გიგაჰერცამდე სიხშირის ჩათვლით. 5G ტექნოლოგიისთვის ფილტრების შემუშავების შემთხვევაში, ელექტრომაგნიტური ველის ამომხსნელებმა დაამცირეს პროტოტიპების დამზადების აუცილებლობა. 2023 წლის ბოლოს გამოქვეყნებული რამდენიმე ინდუსტრიული ანგარიში მიუთითებს მიახლოებით 40%-იან შემცირებაზე ნახევარგამტარი ამპლიფიკატორების შემთხვევაში. ასევე არ უნდა დავივიწყოთ თერმული სტრუქტურული ანალიზიც. მხოლოდ ტემპერატურის ცვლილება შეიძლება მოახდინოს კატასტროფალური გავლენა ჩვენს სისტემებზე. გვქონია შემთხვევები, როდესაც მხოლოდ 15 გრადუს ცელსიუსით ცვალებადობა იწვევს რეზონანსული სიხშირეების მიახლოებით 0.3%-იან ცვლილებას სუბსტრატის დამზადებისას გამოყენებულ კერამიკულ მასალებში. ასეთი ფაქტორები სისტემის სწორ კალიბრაციაზე ძალიან უარყოფითად მოქმედებს, თუ ისინი უკონტროლოდ დარჩება.

Იმპედანსის ტესტირება და ხარისხის კონტროლი საბოლოო ასამბლირებისას

Ბოლო ვერიფიკაცია დამოკიდებულია დრო-არეზე რეფლექტომეტრიის (TDR) ტესტირებაზე, რომელიც უზრუნველყოფს <1% იმპედანსის დაშვებას ყველა მიკროტალღური გადაცემის ხაზზე. IPC-6012E-ის (2023 წლის განახლება) მიხედვით, შესაბამისობა მოითხოვს:

• ±3% ფაზური გადახრა დიფერენციულ წყვილებში 40 გჰ-მდე
• <0.25 დბ ჩასმის დანაკარგის ცვალებადობა სერიულად წარმოებულ ერთეულებს შორის

Თანამედროვე AOI სისტემები 99.98%-ს ამოიცნობენ მიკროტალღური დეფექტების შორის, მათ შორის მიკროხვრებს მეტალდაფარებულ ხვრელებში, რაც უზრუნველყოფს მხოლოდ სრულად შესაბამისი ერთეულების განთავსებას.

Მიკროტალღური ნაწილების საიმედოობის ტესტირება და გარემოს ვალიდაცია

Საიმედოობის ტესტირება თერმული ციკლირებისა და ტენიანობის დატვირთვის პირობებში

Მიკროტალღური კომპონენტების შემთხვევაში, ისინი უნდა გაიარონ საკმაოდ ინტენსიური ტესტირება, სანამ ვინმე მათ ექსპლუატაციაში მიიღებს. თერმული ციკლირება მინუს 40 გრადუს ცელსიუსიდან პლუს 125 გრადუს ცელსიუსამდე ხდება ათასობითჯერ, უბრალოდ იმის შესამოწმებლად, გაძლებენ თუ არა მასალები სტრესს. შემდეგ მოდის ტენიანობის ტესტი, სადაც ნივთები იქვება 85 გრადუსიან ტემპერატურაში 85%-იანი ფარდობითი ტენიანობის პირობებში ასობით, ხანდახან ათასი საათის განმავლობაში. ეს ხელს უწყობს პრობლემების აღმოჩენაში, როგორიცაა დელამინაციის პრობლემები იმ რთული PTFE და კერამიკული ჰიბრიდული სუბსტრატების შემთხვევაში, რომლებთან სამუშაოდ იმდენად რთულია. წელს გამოქვეყნებულმა კვლევამ, რომელიც შეისწავლიდა სხვადასხვა მასალის საიმედოობას, აღმოაჩინა საინტერესო ფაქტი სიხშირის ლამინატების შესახებ. ეს მასალები იჩვენებს დიელექტრიკული მუდმივის დაახლოებით 3%-იან ცვლილებას 700 თერმული შოკის შემდეგ, რაც სინამდვილეში აღემატება IEC 61189-3 სტანდარტებით დადგენილ მოთხოვნებს. საკმაოდ შთამბეჭდავია, გათვალისწინებულ იქნება ყველა ექსტრემალური პირობა, რომელსაც ეს კომპონენტები იძლევიან ნორმალური ექსპლუატაციის დროს.

Მკაცრ გარემოში სიგნალის ხანგრძლივი მთლიანობის მონიტორინგი

Იმ შემთხვევაში, როდესაც კომპონენტებს უნდა მუშაობა გარემოში, სადაც კოროზია ან მექანიკური დატვირთვა წარმოადგენს პრობლემას, ისინი უნდა იყვნენ მდგრადი MIL-STD-202 მეთოდი 107-ის ტესტირების პროტოკოლის მიმართ. Rogers RO4000 სერიის მასალებს ასევე გამოჩნდა შესანიშნავი სტაბილურობა, რომლებიც შეინარჩუნებენ დიელექტრიკული მუდმივის ცვალებადობას დაახლოებით 1,5%-ის ფარგლებში, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი 5,000 საათის განმავლობაში იმყოფებოდნენ 95%-იანი ტენიანობის პირობებში. ეს ქვეფენებს განსაკუთრებით კარგად შესაფერისებს ფაზური მასივის რადარული სისტემებისა და სატელიტური კომუნიკაციების მოთხოვნებს, სადაც საიმედოობა ყველაზე მნიშვნელოვან ფაქტორს წარმოადგენს. დამკვიდრებული გარემოს სტანდარტების მიხედვით მუშაობის მუდმივი შემოწმებით ინჟინრები შეძლებენ შეამცირონ სიგნალის დანაკარგი კრიტიკულ ზღვარზე ნაკლები, ვიდრე 0,15 დბ ინჩში, 40 გჰც-მდე სიხშირის დიაპაზონში. ასეთი შედეგები აკმაყოფილებს IPC-6018 Class 3A-ის მკაცრ სპეციფიკაციებს, რომლებიც საჭიროა მიზნის მიღწევის კრიტიკული აპლიკაციებისთვის, სადაც მართლაც ვერ შეიძლება ჩამოვარდნა.