Tecnologia RF - Circuito ad alta frequenza Minimizzazione della perdita di segnale

Con la crescita dei telefoni cellulari, dell'accesso a Internet e dei dispositivi palmari, la quantità di informazioni trasmesse nel circuito ad alta frequenza è aumentata drasticamente. Per affrontare i dati massicci nel sistema elettronico, la trasmissione PCB dei requisiti di segnale a radiofrequenza ad alta velocità sta diventando sempre più elevata e la velocità di trasmissione sta migliorando. Nella gamma di frequenza più elevata di GHz, come ridurre la perdita del segnale rf (noto anche come perdita di inserzione) diventa sempre più significativo. La perdita di inserzione è la perdita di potenza del segnale causata dall'inserimento di un dispositivo in una linea di trasmissione o in fibra ottica, espressa in dB. La perdita di inserzione porterà alla degradazione del bordo crescente del segnale o ad un tasso di errore di bit più alto.

Tutti i materiali PCB soffrono di conduzione e perdita dielettrica del segnale RF. La perdita di conduzione è resistiva ed è causata dallo strato conduttivo di rame utilizzato nel circuito ad alta frequenza. D'altra parte, la perdita dielettrica è correlata al substrato (materiale isolante) utilizzato nel PCB. Questa colonna si concentrerà sulle perdite di conduzione resistiva causate dagli strati di rame.

Lo studio della perdita di trasmissione consiste nel tracciare il comportamento elettrico (matrice di dispersione) di una rete elettrica lineare in dB sotto vari stimoli allo stato stazionario dei segnali elettrici e aumentando la frequenza del segnale (GHz). La perdita di trasmissione, nota anche come perdita di inserzione, è la perdita aggiuntiva causata dall'introduzione del dispositivo in prova (DUT) tra gli strati di correlazione misurati. Altre perdite possono essere dovute a perdite intrinseche e/o disallineamenti dei dispositivi sottoposti a prova. In caso di perdite extra, la perdita di inserimento è definita positiva. Il valore negativo della perdita di inserimento in dB è definito come guadagno di inserimento.

Effetto cutaneo

A differenza delle correnti CC o AC che scorrono attraverso il conduttore, le correnti rf non penetrano in profondità nel conduttore e tendono a fluire lungo la sua superficie. Questo è noto come effetto cutaneo. La perdita di segnale nello strato conduttivo di rame è direttamente correlata al fenomeno dell'"effetto pelle". La profondità della pelle è la profondità del conduttore utilizzato per la corrente RF. Fondamentalmente, man mano che aumenta l'alta frequenza, vengono utilizzati meno conduttori, come mostrato nella Figura 1.

Due fenomeni che influenzano direttamente la perdita di inserzione dovuta all'"effetto pelle" sono la rugosità del rame (Figura 1) e le proprietà dei rivestimenti superficiali utilizzati. I rivestimenti superficiali contenenti nichel elettroless sulle loro superfici, come la precipitazione elettroless del nichel (ENIG) e la precipitazione elettroless del nichel palladio (ENEPI), presentano maggiori perdite di inserzione rispetto al rame a causa delle proprietà di resistenza del nichel elettroless. Rivestimenti più recenti come la precipitazione elettroless del palladio (EPIG) e la precipitazione elettroless del palladio (IGEPIG) sono processi preferiti per ottenere una perdita minima di inserzione nelle applicazioni ad alta frequenza.

Rugosità superficiale del rame

Nella struttura multistrato, la superficie del rame è grossolana per migliorare l'adesione tra conduttore e mezzo. La sgrossatura avviene con metodi chimici o meccanici per creare una posizione fissa per la resina. Questo è efficace per applicazioni di corrente non RF e anche per segnali RF che si propagano a basse frequenze. Tuttavia, la profondità della pelle diminuisce man mano che la frequenza aumenta a 10 GHz o più. Quando la profondità della pelle è uguale o inferiore alla rugosità superficiale del rame (FIG. 1), la rugosità porterà ad un aumento della resistività del filo e influenzerà la perdita del conduttore e la risposta dell'angolo di fase del circuito.

Figura 1: Effetto cutaneo del conduttore di rame

Man mano che l'alta frequenza del segnale aumenta, il segnale elettrico si avvicina sempre più alla superficie del conduttore di rame, aumentando così la resistenza e la perdita di trasmissione.

Un circuito che utilizza rame con una superficie ruvida subirà più perdite di conduttore di uno che utilizza rame con una superficie più liscia. Più specificamente, la superficie di rame al substrato - interfaccia rame è una preoccupazione per la rugosità superficiale relativa alla perdita del conduttore. I recenti sviluppi nel miglioramento dell'adesione delle schede multistrato vanno oltre la grossolanazione standard per la formazione di ossido nero e marrone.

Oggi, la maggior parte degli strati interni si basano sull'incisione chimica per rendere leggermente grossolano il cablaggio per il massimo incollaggio. Tuttavia, la grossolanazione non è un metodo per ridurre al minimo la perdita del segnale del conduttore. L'industria sta scegliendo adesivi chimici per migliorare l'adesione dei fili che trasportano segnali RF ad alta frequenza; È anche molto efficace su superfici lisce di rame.

Un sistema di legame chimico attualmente disponibile è una combinazione di deposizione di stagno seguita dal trattamento con un agente di accoppiamento silano. Questa lavorazione viene solitamente effettuata in attrezzature di trasporto orizzontali e produce una buona adesione tra il conduttore e il mezzo. Un articolo [1] riporta: "Gli studi hanno dimostrato che i tipi di fogli di rame con rugosità diverse hanno un effetto diretto sulla perdita di inserzione delle strutture a nastro. I fornitori chimici offrono nuovi trattamenti progettati per ridurre al minimo le perdite di inserzione dei conduttori e la rugosità superficiale."

Rugosità superficiale del rame

I dispositivi portatili sono un driver chiave per i progettisti di circuiti per ottenere la miniaturizzazione. Per tali applicazioni, l'allineamento fine e la spaziatura vengono normalizzati. Inoltre, la domanda di incollaggio al piombo è focalizzata sui rivestimenti ni-oro (ENIG) e Ni-palladio (ENEPIG). Quando si tratta di trasmissione del segnale RF superiore ad alta frequenza (10GHz), alcune limitazioni devono essere soddisfatte. Il rivestimento di nichel elettroless è una parte della superficie del conduttore. Rispetto al rame, ci sono perdite di trasmissione legate all'effetto cutaneo della nichelatura elettroless.

Nuovi rivestimenti superficiali sono disponibili per la trasmissione RF ad alta frequenza. Questi rivestimenti eliminano o riducono l'uso di EN. Attualmente, il più comune è l'oro di precipitazione del palladio elettroless (EPIG). Ho introdotto l'EPIG nella mia ultima rubrica. Il focus di questo articolo è la perdita di inserimento.

Figura 2: Confronto della perdita di inserzione di rivestimenti su superfici sottili prive di nichel e nichel contenenti nichel

La figura 2 include il parametro di dispersione (parametro S) come relazione tra la frequenza del segnale sull'asse verticale e l'asse orizzontale. Con il parametro S, lo scattering si riferisce al modo in cui corrente e tensione in una linea di trasmissione sono influenzate quando incontrano discontinuità causate dall'inserimento della rete nella linea di trasmissione. Viene stabilita una linea di base e misurata una nuova curva introducendo il dispositivo in prova. La differenza è la perdita di trasmissione o inserimento, misurata in dB.

La figura 2 confronta le perdite di inserzione di ni (due ENEPIG e uno ENIG ), poco nichel (nichel sottile ENEPIG) e nessun nichel (EPIG e IGEPIG) rivestimenti superficiali. Il nichel sottile ENEPIG ha solo 4,0 μ Ins (0,1 μm) per la nichelatura elettroless. Un IGEPIG è una variante di un EPIG. EPIC è stato depositato sulla superficie del rame da un catalizzatore di lisciviazione del palladio. IGEPIG utilizza uno strato d'oro come catalizzatore per depositare palladio elettroless.

Man mano che l'industria continua con la tendenza della trasmissione e miniaturizzazione dei dati su larga scala, la trasmissione Msignal del produttore di circuiti stampati ad alta frequenza continuerà ad aumentare. Ad esempio, quando si tratta di frequenze RF superiori a 10 GHz, è necessario riservare alcune indennità per ridurre al minimo le perdite di trasmissione dovute alla rugosità del rame e al tipo di rivestimento superficiale.