Οι πλακέτες κεραίας είναι μια διαφορετική φυλή PCB. Σε μια ψηφιακή πλακέτα, το υπόστρωμα είναι σε μεγάλο βαθμό ένας μηχανικός φορέας. Σε μια πλακέτα κεραίας, το υπόστρωμα διαμορφώνει απευθείας τον τρόπο ακτινοβολίας του κυκλώματος, πόσο σήμα χάνει και πόσο αξιόπιστα αποδίδει στο πεδίο. Λάβετε το υλικό και καμία ικανότητα διάταξης δεν θα σώσει το σχέδιο.

Αυτό το άρθρο αναλύει μια πρόσφατη πλακέτα κεραίας AD250C 2 επιπέδων που κατασκευάσαμε—συμπαγής, εξαιρετικά λεπτή και φινιρισμένη με καθαρό χρυσό. Πέρα από την κατασκευή και τη στοίβαξη, θέλουμε να εμβαθύνουμε σε μια ερώτηση που συχνά παραβλέπεται:γιατί αυτός ο πίνακας χρησιμοποίησε καθαρό χρυσό αντί για το πιο κοινό ENIG, ασήμι εμβάπτισης ή OSP;

Πώς φαίνεται το Διοικητικό Συμβούλιο

Ας ξεκινήσουμε με τις πλήρεις προδιαγραφές.

Το βασικό υλικό είναι το Rogers AD250C, ένα άκαμπτο PCB 2 στρωμάτων με διαστάσεις 55,36 mm × 76,2 mm, με ανοχή ±0,15 mm. Το ελάχιστο ίχνος και ο χώρος είναι 4/6 mils και το ελάχιστο μέγεθος οπής είναι 0,4 mm. Δεν υπάρχουν τυφλές ή θαμμένες διόδους - όλες οι συνδέσεις είναι διαμπερείς.

Το πάχος της τελικής σανίδας είναι 0,6 mm, με 1 oz (35 μm) χαλκό στα εξωτερικά στρώματα και πάχος επιμετάλλωσης 20 μm. Το φινίρισμα της επιφάνειας είναι καθαρό χρυσό. Η επάνω μεταξοτυπία είναι κίτρινη, χωρίς την κάτω μεταξοτυπία. Η πράσινη μάσκα συγκόλλησης εφαρμόζεται και στις δύο πλευρές. Κάθε πλακέτα υποβάλλεται σε 100% ηλεκτρικές δοκιμές πριν από την αποστολή, κατασκευασμένο σύμφωνα με την IPC-Class-2, με έργα τέχνης που παρέχονται σε μορφή Gerber RS-274-X.

Μερικές παράμετροι ξεχωρίζουν αμέσως: το εξαιρετικά λεπτό πάχος 0,6 mm, το φινίρισμα από καθαρό χρυσό και τα 49 vias σε μια σανίδα με μόνο 2 δίχτυα.

The Stackup: Thin by Design

Η στοίβαξη είναι απλή: χαλκός 35 μm, υπόστρωμα AD250C 0,508 mm (20 mil) και χαλκός 35 μm.

Το τελικό πάχος είναι 0,6 mm - περίπου το μισό από ένα τυπικό 1,6 mmΠλακέτα FR-4. Οι λεπτές πλακέτες κεραίας εξυπηρετούν δύο σκοπούς: μειώνουν το συνολικό ύψος της μονάδας σε συσκευές περιορισμένου χώρου και σε ορισμένα σχέδια κεραίας με patch και επίπεδα, η μειωμένη διηλεκτρική φόρτιση μπορεί να βελτιώσει την απόδοση ακτινοβολίας.

Αλλά οι λεπτές σανίδες φέρνουν κατασκευαστικές προκλήσεις. Στα 0,6 mm, η σανίδα είναι πιο ευέλικτη, απαιτώντας μεγαλύτερη προσοχή κατά τη διάτρηση, την επιμετάλλωση και τη συναρμολόγηση. Ο έλεγχος στρέβλωσης είναι ιδιαίτερα κρίσιμος με έναν πυρήνα που έχει πάχος μόνο 20 χιλιοστά.

Γιατί AD250C

Το AD250C είναι ένα πολυστρωματικό υλικό κεραίας με ενισχυμένο γυαλί, με βάση PTFE από την Rogers, σχεδιασμένο ειδικά για την αγορά ασύρματων κεραιών — σταθμούς βάσης υποδομής κινητής τηλεφωνίας, τηλεματική αυτοκινήτων και εμπορικό δορυφορικό ραδιόφωνο.

Οι βασικές ηλεκτρικές προδιαγραφές του: διηλεκτρική σταθερά 2,5 ± 0,04 στα 10 GHz, συντελεστής διάχυσης 0,0013 στα 10 GHz και PIM −159 dBc στα 30 mil, 1900 MHz.

Χαμηλή Dk και γεωμετρία κεραίας.Ένα Dk 2,5 είναι πολύ χαμηλότερο από το 4,3 του FR-4 περίπου. Στο σχεδιασμό της κεραίας, χαμηλότερο Dk σημαίνει ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εκτείνεται περισσότερο στον αέρα αντί να συγκεντρώνεται στο υπόστρωμα. Αυτό γενικά βελτιώνει την απόδοση της ακτινοβολίας και μειώνει την ενέργεια που παγιδεύεται στο διηλεκτρικό. Επιτρέπει επίσης το μέγεθος των στοιχείων της κεραίας πιο κοντά στα μήκη κύματος ελεύθερου χώρου, απλοποιώντας την αντιστοίχιση και διευρύνοντας το εύρος ζώνης.

Χαμηλό Df και απώλεια.Ο συντελεστής διάχυσης 0,0013 είναι εξαιρετικά χαμηλός. Το FR-4 κυμαίνεται από 0,012 έως 0,020 - περίπου δέκα φορές υψηλότερο. Στις συχνότητες της κεραίας, αυτή η διαφορά μεταφράζεται άμεσα σε μειωμένη απώλεια εισαγωγής και βελτιωμένο κέρδος. Η εφαπτομένη απώλειας του υλικού παραμένει κάτω από το 0,002 στις τυπικές ασύρματες ζώνες, καθιστώντας το κατάλληλο για σχέδια πολλαπλών ζωνών.

Χαμηλή απόδοση PIM και κεραίας.Η παθητική ενδοδιαμόρφωση είναι μια κρίσιμη προδιαγραφή για τις κεραίες κυψελοειδούς υποδομής. Όταν δύο ή περισσότερα σήματα αναμιγνύονται σε ένα παθητικό στοιχείο, δημιουργούν προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης που παρεμβαίνουν στις ζώνες λήψης. Τα −159 dBc του AD250C συμβάλλουν στην ελαχιστοποίηση αυτού του αποτελέσματος, μειώνοντας την απώλεια απόδοσης από αστοχίες παραγωγής που σχετίζονται με το PIM.

Σταθερότητα διαστάσεων.Το CTE είναι 47 ppm/°C στο X, 29 ppm/°C στο Y και 196 ppm/°C στο Z. Η ενισχυμένη με γυαλί κατασκευή περιορίζει την κίνηση στο επίπεδο, κάτι που έχει σημασία για τις συστοιχίες κεραιών όπου η απόσταση των στοιχείων πρέπει να είναι ακριβής.

Φινίρισμα επιφάνειας: Γιατί καθαρό χρυσό, όχι ENIG, ασήμι εμβάπτισης ή OSP

Αυτή είναι η πιο ενδιαφέρουσα σχεδιαστική απόφαση σε αυτόν τον πίνακα.

Το φινίρισμα επιφάνειας σε μια πλακέτα κεραίας δεν είναι μια απλή επιλογή. Επηρεάζει άμεσα τρία πράγματα:Απώλεια ραδιοσυχνοτήτων, απόδοση PIM και μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.Ας δούμε κάθε επιλογή.

ENIG: Το στρώμα νικελίου είναι δολοφόνος υψηλών συχνοτήτων

Η δομή του ENIG είναι χαλκός → νικέλιο (3–6 μm) → χρυσός (0,05–0,1 μm). Το στρώμα χρυσού είναι λεπτό. το νικέλιο από κάτω κάνει την πραγματική δουλειά. Αλλά το νικέλιο είναι σιδηρομαγνητικό, με ειδική αντίσταση τετραπλάσια από αυτή του χαλκού.

Σε υψηλές συχνότητες, το εφέ δέρματος ωθεί το ρεύμα στην επιφάνεια του αγωγού. Στα 28 GHz, το βάθος του δέρματος του χαλκού είναι μόνο περίπου 0,4 μm—και το στρώμα νικελίου του ENIG είναι πάνω από δέκα φορές. Το σήμα παγιδεύεται αποτελεσματικά σε ένα στρώμα νικελίου με υψηλή απώλεια. Στις μετρήσεις, μια κεραία 28 GHz που χρησιμοποιεί ENIG δείχνει 0,7–1,2 dB χαμηλότερη απόδοση από τον γυμνό χαλκό.

Το ENIG είναι καλό για συγκόλληση. Δεν είναι καλό για RF.

OSP: Εξαιρετική RF, πολύ βραχύβια

Το OSP σχηματίζει μια μεμβράνη απευθείας στον χαλκό, χωρίς στρώμα νικελίου, δίνοντας εξαιρετική απόδοση ραδιοσυχνοτήτων—απώλεια δεύτερη μετά τον ιδανικό χαλκό. Αλλά έχει δύο δύσκολα προβλήματα.

Πρώτον, το OSP είναι ένας μονωτήρας. Εάν μια πλακέτα κεραίας έχει σημεία δοκιμής ή απαιτεί επαφή ανιχνευτή, το OSP προκαλεί κακή επαφή και ψευδείς αναφορές ανοιχτού κυκλώματος.

Δεύτερον, η διάρκεια ζωής είναι μόνο 3-6 μήνες και κάθε επαναροή καταναλώνει το φιλμ. Σε ένα συγκρότημα διπλής όψης ή σε μια πλακέτα που υποβάλλεται σε πολλαπλούς θερμικούς κύκλους, το OSP στην κάτω πλευρά αρχίζει να υποβαθμίζεται μετά την πρώτη επαναροή και το δεύτερο πέρασμα συγκόλλησης γίνεται επικίνδυνο. Οι πλακέτες κεραίας είναι συχνά προϊόντα μακράς ανάπτυξης και η μικρή διάρκεια ζωής του OSP δεν ταιριάζει με αυτήν την πραγματικότητα.

Immersion Silver: The Sweet Spot for Antenna Boards

Εμβάπτιση εναποθέσεων αργύρου απευθείας στον χαλκό, χωρίς φράγμα νικελίου, σε πάχος μόνο 0,15–0,4 μm. Η ειδική αντίσταση του αργύρου είναι ελαφρώς υψηλότερη από τον χαλκό, επομένως τα σήματα υψηλής συχνότητας ταξιδεύουν σε μια επιφάνεια που είναι κοντά στον γυμνό χαλκό. Σε μετρήσεις, η απόδοση της κεραίας του αργύρου εμβάπτισης είναι μόνο 0,1–0,2 dB κάτω από τον γυμνό χαλκό—πολύ καλύτερη από την ENIG.

Η ανταλλαγή είναι η αποθήκευση. Ο άργυρος αμαυρώνει και σουλφίζει, απαιτώντας σφραγισμένη, ελεγχόμενη από την υγρασία συσκευασία. Η διάρκεια ζωής είναι 6-12 μήνες.Θέση ασημί εμβάπτισης: Απόδοση ραδιοσυχνοτήτων κοντά στον γυμνό χαλκό, μέτριο κόστος, κατάλληλο για τις περισσότερες εφαρμογές κεραιών.

Pure Gold: Γιατί το διάλεξε αυτό το συμβούλιο

Ο καθαρός χρυσός αποφεύγει επίσης το πρόβλημα απώλειας στρώματος νικελίου, αλλά η αξία του πηγαίνει περισσότερο.

Εξαιρετικά χαμηλό PIM.Ένα από τα βασικά σημεία πώλησης του AD250C είναι το PIM τόσο χαμηλό όσο -159 dBc. Το PIM είναι πολύ ευαίσθητο στην κατάσταση της επιφάνειας: τα οξείδια μετάλλων, οι τραχιές επιφάνειες και οι ανόμοιες μεταλλικές διεπαφές γίνονται όλες μη γραμμικές πηγές. Ο καθαρός χρυσός είναι χημικά αδρανής, λείος και ανθεκτικός στο σχηματισμό οξειδίων, μειώνοντας το PIM στην πηγή. Το στρώμα νικελίου της ENIG είναι από μόνο του ένα ανόμοιο μέταλλο που μπορεί να συμβάλει σε επιπλέον μη γραμμικότητα. Το αμαυρωμένο ασήμι μπορεί επίσης να υποβαθμίσει το PIM.

Μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.Οι κεραίες σταθμών βάσης λειτουργούν για χρόνια, αναπτύσσονται σε εξωτερικούς χώρους μέσω θερμικής ανακύκλωσης και υγρασίας. Ο καθαρός χρυσός δεν οξειδώνεται, δεν σουλφίζεται ή αποχρωματίζεται και η αντίσταση στην επαφή παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Οι μεμβράνες OSP υποβαθμίζονται με την πάροδο του χρόνου και το ασήμι αμαυρώνεται. Για μια κεραία που είναι εγκατεστημένη και αφήνεται μόνη της, αξίζει να πληρώσετε το premium αξιοπιστίας του χρυσού.

Συμβατότητα με συγκόλληση και συγκόλληση.Αυτή η πλακέτα διαθέτει 27 μαξιλαράκια SMT στην επάνω πλευρά και 24 μαξιλαράκια διαμπερούς οπής. Ο καθαρός χρυσός υποστηρίζει αξιόπιστη συγκόλληση και υποστηρίζει επίσης τη συγκόλληση σύρματος. Εάν ένα σχέδιο περιλαμβάνει απευθείας σύνδεση με τσιπ, ο καθαρός χρυσός είναι ένα από τα λίγα φινιρίσματα που χειρίζονται και τα δύο.

Η αντιστάθμιση είναι το κόστος—η υψηλότερη από τις επιλογές. Αυτό που αγοράζει είναι ο χαμηλότερος κίνδυνος PIM συν τη μεγαλύτερη αξιοπιστία.

Άλλες λεπτομέρειες κατασκευής

4/6 mil ίχνος και χώρος.Για μια πλακέτα κεραίας, αυτή η ανάλυση χρησιμοποιείται συνήθως για αντιστοίχιση δικτύων, γραμμών τροφοδοσίας και δομών συντονισμού. Η ενίσχυση γυαλιού του AD250C βελτιώνει τη δυνατότητα επεξεργασίας και τη σταθερότητα των διαστάσεων κατά τη χάραξη, καθιστώντας αυτή την ακρίβεια εφικτή.

49 vias, 2 δίχτυα.Αυτή είναι μια από τις πιο ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες. Ένα υψηλό πλήθος μέσων με λίγα δίχτυα σε ένα σχέδιο κεραίας συνήθως υποδηλώνει μια γειωμένη δομή—ένα φράχτη, μια ραφή επιπέδου γείωσης ή μια κεραία με σχισμή με γειωμένη άκρη. Αυτές οι vias δεν είναι σήματα δρομολόγησης. παρέχουν θωράκιση και γείωση.

Η πλακέτα φέρει 24 μαξιλαράκια διαμπερούς οπής και 27 επιθέματα SMT στην επάνω πλευρά, συνδετήρες ανάμειξης και τύπους εξαρτημάτων. Δεν υπάρχουν επιθέματα SMT στην κάτω πλευρά, σύμφωνα με ένα σχέδιο όπου το κάτω μέρος χρησιμεύει κυρίως ως επίπεδο γείωσης ή επιφάνεια στήριξης.

Ελάχιστο μέγεθος οπής 0,4 mm.Αυτό είναι μέτριο παρά το καλύτερο δυνατό, αλλά είναι μια λογική επιλογή για μια λεπτή σανίδα 0,6 mm. Μικρότερες τρύπες σε λεπτό υλικό κινδυνεύουν να σπάσουν το τρυπάνι και να επιμεταλλωθούν ανομοιόμορφα. Τα 20 μm μέσω επιμετάλλωσης διασφαλίζουν την ακεραιότητα της κάννης.

Μάσκα συγκόλλησης και μεταξοτυπία.Πράσινη μάσκα συγκόλλησης και στις δύο πλευρές, με κίτρινη μεταξοτυπία μόνο στο επάνω μέρος. Δεν υπάρχει τυπική μεταξοτυπία στο κάτω μέρος όταν η κάτω πλευρά είναι επίπεδο γείωσης ή επιφάνεια στήριξης όπου οι σημάνσεις δεν εξυπηρετούν κανένα σκοπό. Το κίτρινο σε πράσινο παρέχει καλή αντίθεση για συναρμολόγηση και επιθεώρηση.

Ποιότητα και παράδοση

Αυτή η πλακέτα κατασκευάστηκε σύμφωνα με τα πρότυπα IPC-Class-2, με 100% ηλεκτρικές δοκιμές πριν από την αποστολή για να επιβεβαιωθεί η καθαρή ακεραιότητα και η απομόνωση. Τα έργα τέχνης παρασχέθηκαν σε Gerber RS-274-X και η δυνατότητα είναι διαθέσιμη σε όλο τον κόσμο.

Τι μας λέει αυτό το συμβούλιο

Αυτή η κατασκευή AD250C είναι ένα καλό παράδειγμα του πώς οι πλακέτες κεραίας διαφέρουν από τις πλακέτες PCB γενικής χρήσης. Η επιλογή υλικού—καθοδηγούμενη από τις απαιτήσεις Dk, Df και PIM—θέτει την ηλεκτρική βάση. Η λεπτή κατασκευή 0,6 mm υποστηρίζει την ενσωμάτωση συμπαγούς μονάδας. Το φινίρισμα από καθαρό χρυσό προστατεύει την αγωγιμότητα της επιφάνειας ενώ ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο PIM. Και η υψηλή μέτρηση μέσω ενός σχεδιασμού χαμηλού δικτύου αντανακλά τις γειωμένες δομές που είναι χαρακτηριστικές των διατάξεων κεραιών.

Εάν εργάζεστε σε σχεδιασμό κεραίας και χρειάζεστε έναν κατασκευαστή με εμπειρία με Rogers AD250C και παρόμοια ελάσματα με βάση PTFE, θα χαρούμε να εξετάσουμε τις απαιτήσεις σας. Είτε πρόκειται για μια απλή κεραία ενημέρωσης κώδικα είτε για μια συστοιχία πολλαπλών στοιχείων, η συζήτηση ξεκινά με τους ηλεκτρικούς και μηχανικούς περιορισμούς σας.

Επικοινωνήστε μαζί μας για να συζητήσουμε το επόμενο έργο PCB κεραίας σας.