Teknologi Microwave - Pengurangan Papan Sirkuit Frekuensi Tinggi Kehilangan Isyarat

Dengan pertumbuhan telefon bimbit, akses Internet, dan peranti komputer telapak, jumlah maklumat yang dihantar dalam papan sirkuit frekuensi tinggi telah meningkat secara dramatis. Untuk menangani data besar dalam sistem elektronik, penghantaran PCB keperluan isyarat frekuensi radio kelajuan tinggi semakin tinggi, dan kelajuan penghantaran telah meningkat. Dalam julat frekuensi GHz yang lebih tinggi, bagaimana untuk mengurangi kehilangan isyarat rf (juga dikenali sebagai kehilangan penyisihan) menjadi semakin signifikan. Kehilangan masukan ialah kehilangan kuasa isyarat disebabkan oleh masukkan peranti ke dalam garis trasmis atau serat optik, diekspresikan dalam dB. Kehilangan masukan akan membawa isyarat peningkatan pinggir atau kadar ralat bit yang lebih tinggi.

Semua bahan PCB menderita dari kondukti dan kehilangan isyarat RF dielektrik. Kehilangan kondukti adalah resisten dan disebabkan oleh lapisan tembaga konduktif yang digunakan dalam papan sirkuit frekuensi tinggi. Di sisi lain, kehilangan dielektrik berkaitan dengan substrat (bahan mengisolasi) yang digunakan dalam PCB. Lajur ini akan fokus pada kehilangan kondukti tahan disebabkan oleh lapisan tembaga.

Pelajaran kehilangan transmisi melibatkan plot perilaku elektrik (matriks pembebasan) rangkaian elektrik linear dalam dB dibawah pelbagai stimul keadaan tetap isyarat elektrik dan meningkat frekuensi isyarat (GHz). Kehilangan pemindahan, juga dikenali sebagai kehilangan penyisihan, adalah kehilangan tambahan disebabkan oleh penemuan peranti di bawah ujian (DUT) antara lapisan korelasi diukur. Kehilangan tambahan mungkin disebabkan kehilangan dan/atau ketidakpadanan peranti yang sedang diuji. Dalam kes kerugian tambahan, kerugian penyisipan ditakrif sebagai positif. Nilai negatif kehilangan penyisihan dalam dB ditakrif sebagai pendapatan penyisihan.

Kesan kulit

Tidak seperti aliran dc atau AC yang mengalir melalui konduktor, aliran rf tidak menembus ke dalam konduktor dan cenderung mengalir sepanjang permukaannya. Ini dikenali sebagai kesan kulit. Kehilangan isyarat dalam lapisan tembaga konduktif secara langsung berkaitan dengan fenomena "kesan kulit". Kedalaman kulit adalah kedalaman konduktor yang digunakan untuk arus RF. Pada dasarnya, semasa frekuensi tinggi meningkat, kurang konduktor digunakan, seperti yang dipaparkan dalam Figur 1.

Dua fenomena yang secara langsung mempengaruhi kerugian penyisihan disebabkan "kesan kulit" adalah kasar tembaga (Figure 1) dan ciri-ciri penutup permukaan yang digunakan. Surface coatings containing electroless nickel on their surfaces, such as electroless nickel precipitation (ENIG) and electroless nickel palladium precipitation (ENEPIG), exhibit greater insertion losses compared to copper due to the resistance properties of electroless nickel. Pelayan yang lebih baru seperti precipitation palladium tanpa elektro (EPIG) dan precipitation palladium tanpa elektro (IGEPIG) adalah proses yang disukai untuk mencapai kehilangan penyisihan minimum dalam aplikasi frekuensi tinggi.

Kekerasan permukaan tembaga

Dalam struktur berbilang lapisan, permukaan tembaga dikumpulkan untuk meningkatkan sambungan antara konduktor dan medium. Penyerangan dilakukan dengan kaedah kimia atau mekanik untuk mencipta kedudukan tetap untuk resin. Ini berkesan untuk aplikasi semasa bukan RF dan juga untuk isyarat RF yang berkembang pada frekuensi rendah. Namun, kedalaman kulit menurun kerana frekuensi meningkat ke 10 GHz atau lebih. Apabila kedalaman kulit sama dengan atau kurang daripada kelabuan permukaan tembaga (FIG. 1), kelabuan akan menyebabkan meningkat resistiti wayar dan akan mempengaruhi kehilangan konduktor dan tindak balas sudut fasa sirkuit.

Figure 1: Kesan Kulit Pengendali Copper

Semasa frekuensi tinggi isyarat meningkat, isyarat elektrik semakin dekat dan dekat dengan permukaan konduktor tembaga, demikian meningkatkan perlawanan dan kehilangan transmisi.

Sirkuit yang menggunakan tembaga dengan permukaan kasar akan menderita kehilangan konduktor lebih daripada satu yang menggunakan tembaga dengan permukaan yang lebih lembut. Lebih khususnya, permukaan tembaga di substrat - antaramuka tembaga adalah bimbang untuk keras permukaan berkaitan dengan kehilangan konduktor. Pembangunan baru-baru ini dalam meningkatkan penyekapan papan pelbagai lapisan pergi melebihi penyekatan piawai untuk formasi oksid hitam dan coklat.

Hari ini, kebanyakan lapisan dalaman bergantung pada pencetakan kimia untuk sedikit mengganggu kawat untuk ikatan maksimum. Bagaimanapun, penyumbatan bukanlah kaedah untuk mengurangi kehilangan isyarat konduktor. Industri memilih lembaran kimia untuk meningkatkan penyekapan wayar yang membawa isyarat RF frekuensi tinggi; Ia juga sangat berkesan pada permukaan tembaga licin.

Satu sistem ikatan kimia yang sekarang tersedia adalah kombinasi depositi tin diikuti oleh rawatan dengan ejen sambungan silan. Proses ini biasanya dilakukan dalam peralatan pengangkutan mengufuk dan menghasilkan perlindungan yang baik antara konduktor dan medium. Satu artikel [1] melaporkan, "Studies have shown that copper foil types with different roughness have a direct effect on the insertion loss of strip-line structures. Chemical suppliers are offering new treatments designed to minimize conductor insertion losses and surface roughness."

Kekerasan permukaan tembaga

Peranti komputer telapak adalah pemacu kunci bagi perancang sirkuit untuk mencapai miniaturisasi. Untuk aplikasi seperti ini, penyesuaian dan jarak halus sedang disesuaikan. Selain itu, permintaan untuk ikatan lead fokus pada lapisan ni-emas (ENIG) dan Ni-palladium (ENEPIG). Apabila ia berkaitan dengan transmisi isyarat RF di atas frekuensi tinggi (10GHz), keterangan tertentu perlu dipenuhi. Penutup nikel tanpa elektro adalah sebahagian dari permukaan konduktor. Berbanding dengan tembaga, terdapat kerugian pemancaran berkaitan dengan kesan kulit penutup nikel tanpa elektro.

Penutup permukaan baru tersedia untuk transmisi RF frekuensi tinggi. Penutup ini menghapuskan atau mengurangkan penggunaan EN. Pada masa ini, yang paling umum ialah emas penerbangan palladium tanpa elektro (EPIG). Saya memperkenalkan EPIG dalam lajur terakhir saya. Fokus artikel ini adalah kehilangan penyisihan.

Figure 2: Comparison of insertion loss of coatings on nickel containing, thin nickel and nickel free surfaces

Figur 2 termasuk parameter pecahan (parameter S) sebagai hubungan antara frekuensi isyarat pada paksi menegak dan paksi mengufuk. Di bawah parameter S, pemancaran merujuk kepada bagaimana semasa dan tekanan dalam garis penghantaran dipengaruhi apabila mereka menghadapi gangguan disebabkan oleh penyisipan rangkaian ke dalam garis penghantaran. Sumber dasar telah ditetapkan dan lengkung baru diukur dengan memperkenalkan peranti yang sedang diuji. Perbezaan ialah perdagangan atau kerugian penyisihan, diukur dalam dB.

Gambar 2 membandingkan kehilangan penyisihan ni (dua ENEPIG dan satu ENIG ), nikel kecil (nikel tipis ENEPIG), dan tiada lapisan permukaan nikel (EPIG dan IGEPIG). The thin nickel ENEPIG has only 4.0 μ Ins (0.1 μm) for electroless nickel plating. IGEPIG adalah varian EPIG. EPIC ditempatkan di permukaan tembaga oleh katalis bocor palladium. IGEPIG menggunakan lapisan emas sebagai katalis untuk deposit palladium tanpa elektro.

Sebagaimana industri terus bersama-sama dengan trend pemindahan data skala besar dan miniaturisasi, pemindahan isyarat Msignal papan sirkuit frekuensi tinggi akan terus meningkat. Contohnya, apabila frekuensi RF di atas 10 GHz terlibat, sumbangan tertentu mesti disimpan untuk mengurangi kerugian pemindahan disebabkan kekerasan tembaga dan jenis penutup permukaan.