Оптимизация печатных плат для достижения наилучших характеристик КВЧ-фильтров

Как конструктор радиочастотных схем, вы принимаете множество критически важных решений, касающихся печатных плат (ПП) и гарантирующих, что ваша схема будет работать так, как было задумано. Область этих решений простирается от выбора правильных материалов до разработки такой конфигурации платы, которая ослабит влияние общеизвестных проблем, включая распространение ЭМ-волн паразитных мод (spurious-wave-mode), потери энергии в проводниках и на излучение, нежелательный резонанс и дисперсию.

Однако, по мере того как рабочие частоты вашей схемы возрастают до диапазона крайне высоких частот (КВЧ, иначе ММВ — миллиметровых волн: от 30 до 300 ГГц; англ. mmWave), взаимодействие этих коротковолновых сигналов с самой платой и окружающей средой, в которой она находится, становится интенсивнее по сравнению с сигналами СВЧ-диапазона (3–30 ГГц). По этой причине задачи выбора конфигурации и материала платы становятся еще более сложными и важными для характеристик конечного продукта.

Поскольку длина волн КВЧ (ММВ) находится в промежутке 1–10 мм, схемам этого диапазона требуются специальные фильтры. Но для того чтобы фильтры оптимально функционировали, вы должны удостовериться в том, что ваша печатная плата сконструирована соответственным образом. Точно так же, как, например, характеристики спортивного автомобиля Maserati пострадают от применения шин, которые вы установили бы на автомобиль ниже классом, так и ваши высококачественные фильтры не будут работать наилучшим образом, если вам не удастся добиться оптимальной конструкции платы.

В этой статье мы пройдемся по ряду соображений, касающихся конструирования плат для схем диапазона КВЧ (ММВ), а также поделимся некоторыми советами и рекомендациями от инженеров из Knowles Precision Devices, которые помогут получить максимальную отдачу от применяемых вами высококачественных КВЧ-фильтров.

Техники конфигурации плат под конкретные требования

Монтаж и выбор материала основания ПП чрезвычайно важны для достижения указанных характеристик фильтра. Поскольку число изготовителей плат столь велико, что не поддается подсчету, поставщики пассивных компонентов лишены возможности разрабатывать разводки плат (board layouts), оптимизирующие параметры и характеристики компонентов на различных частотах в любом варианте исполнения ПП. Поэтому каждый поставщик обычно прилагает к компоненту рекомендуемое посадочное место, служащее отправной точкой.

Когда вы приступаете к проектированию новой схемы, важно знать, что такое рекомендуемое посадочное место, возможно, не совсем подходит для ваших нужд, особенно если вы работаете над схемой для КВЧ. Посадочные места необходимо оптимизировать под различные материалы основания ПП и их толщину, для сохранения наилучшего возможного КСВН. Давайте более подробно рассмотрим несколько соображений по поводу конфигурации платы, при помощи которых можно добиться максимальных характеристик на КВЧ.

Многочисленные последствия выбора материала основания

Для того чтобы устранить нежелательный резонанс и свести к минимуму проблемы с распространением ЭМ-волн, толщина выбранного материала основания платы должна быть меньше, чем четверть длины волны в выбранном материале, на самой высокой рабочей частоте схемы. Тогда ширина сигнальных печатных проводников будет определяться толщиной и относительной диэлектрической проницаемостью (Dk) выбранного материала. Вообще, чем тоньше материал основания, тем уже требуется проводник.

Поскольку для диапазона КВЧ (ММВ) нужны более тонкие платы, допуски на травление должны быть чрезвычайно малы. Любое отклонение ширины печатных проводников или зазоров при травлении окажет большое влияние на волновое сопротивление линий передачи в системе, что, в свою очередь, приведет к ухудшению КСВН. Кроме того, из-за растущей потребности в многослойных платах более сложной конструкции, изготовление которых включает несколько этапов металлизации, достижение строгого контроля заданной геометрии проводящего рисунка на внешних слоях платы может быть трудным из-за осаждения на него меди.

Находясь на этапе выбора материала ПП, также важно обратить внимание и на то, что толщина слоев с РЧ-цепями и относительная диэлектрическая проницаемость (Dk) материала основания могут увеличивать или уменьшать паразитную емкость, которая может шунтировать ВЧ-изделие, окончательно смонтированное на плате. Поэтому для достижения наилучших характеристик важно добиться оптимальной разводки вокруг изделия и под ним.

Два дополнительных фактора, иногда упускаемых из виду при выборе материала основания, способных повлиять на электрические свойства вашей платы, — это водопоглощение и тепловые свойства. Хороший ВЧ-материал будет обладать водопоглощением (по массе) менее 0,3%. Что касается тепловых свойств, вам следует убедиться, что коэффициент теплового расширения (КТР; CTE — coefficient of thermal expansion) материала основания ПП близок к КТР смонтированных на ПП компонентов в керамических корпусах, во избежание их растрескивания.

Рисунок отпечатка паяльной пасты и профиль оплавления

Как только материалы выбраны и вы начинаете размышлять о сборке платы, одними из тех факторов, которые могут очень сильно повлиять на характеристики схемы, особенно в диапазоне КВЧ (ММВ), являются выбранные рисунок отпечатка паяльной пасты (solder pattern) и температурный профиль пайки. Давайте рассмотрим пример, основанный на работе с одним из наших изделий.

Мы рекомендуем обеспечить после сборки окончательную минимальную толщину припоя (solder standoff thickness) от 2 до 3 мил (50,8–76,2 мкм). Ее следует использовать в качестве ориентира для расчета необходимых апертур (отверстий) трафарета для пасты с учетом желаемой его толщины. Показанный здесь рекомендуемый профиль оплавления имеет пиковую температуру 250 °C, поскольку в изделиях со стальными крышками применяется тугоплавкий припой, плавящийся примерно при 290 °C. Нами не рекомендуется пиковая температура профиля оплавления намного выше 265 °C. На рис. 1 представлен температурный профиль для этого примера.

Рис. 1. Рекомендуемый фирмой Knowles Precision Devices профиль оплавления для монтажа фильтра на ПП обычным припоем Sn63

Мы понимаем, что в некоторых случаях предприятиям, занимающимся сборкой ПП, может не хватить времени или квалификации персонала, чтобы надежно выдерживать рекомендуемую минимальную толщину припоя в 2–3 мил. Поэтому в качестве альтернативы поверх проводящего рисунка могут быть нанесены масочные мостики (solder dams), выполненные при помощи сухой пленочной паяльной маски. При необходимости в такой операции учитывайте, что паяльные маски обычно обладают высоким водопоглощением, а это может привести к возрастанию относительной диэлектрической проницаемости основания ПП (Dk) и увеличению потерь.

Заземление, финишное покрытие и металлизация

Для гарантированно высоких характеристик ваших схем КВЧ (ММВ) также необходимо надлежащее заземление, финишное покрытие и металлизация. Во‑первых, на КВЧ важно учитывать расстояние между «земляными» переходами (ground-via), поскольку моды высших порядков могут легко входить в резонанс с областью между переходами, в том случае, если это расстояние не учитывается. Чтобы избежать этого, придерживайтесь хорошего эмпирического правила: расстояние между краями двух соседних «земляных» переходов не должно превышать одну восьмую длины волны на самой высокой рабочей частоте схемы.

Далее, многочисленные переходы между слоями многослойной печатной платы (МПП) окажут большее влияние на характеристики КВЧ-устройств. Для создания этих переходов необходимы многократные стадии металлизации, что требует осаждения толстого слоя меди на наружные проводящие рисунки МПП. Допуски осажденной меди намного труднее контролировать, что может вредным образом сказаться на КВЧ, поскольку повлияет на КСВН.

Кроме того, влияние шероховатости поверхности медной фольги базового материала ПП на потери в проводниках будет гораздо сильнее на КВЧ. Притом, что у некоторых конструкторов плат может возникнуть желание использовать шероховатую медь для улучшения адгезии к диэлектрическому основанию и снижения производственных затрат, более шероховатые поверхности существенно замедляют ЭМ-волну, проходящую по плате. Однако если разности электрических длин (phase length) или задержек вдоль пути ЭМ-волны негативно повлияют на работу схемы, то эти факторы нельзя упускать из виду.

К тому же существует множество возможных вариантов финишного покрытия, которые следует рассмотреть, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Самыми популярными из доступных вариантов покрытий являются иммерсионное золото по подслою химического никеля (ENIG), иммерсионное золото на химическом палладии по подслою никеля (ENEPIG) и иммерсионное серебро.

При выборе финишного покрытия следует учитывать один важный параметр, который возрастет при его нанесении: коэффициент затухания (insertion loss). График на рис. 2 демонстрирует влияние финишных покрытий на коэффициент затухания заданной линии передачи на ПП.

Рис. 2. Коэффициент затухания микрополосковой линии на слоистом диэлектрике с чрезвычайно низкими потерями и катаной медной фольгой, полученный методом разностных длин (differential-length method). (С разрешения Sonnet Software)

Конфигурация линии передачи имеет значение

Хотя в схемах КВЧ можно использовать микрополосковые линии и заземленные копланарные волноводы, мы рекомендуем применять волновод вместо микрополосковой линии, для лучшего разделения и снижения потерь. При использовании копланарного волновода электрическое поле концентрируется преимущественно в воздухе, что приводит к меньшим потерям. К тому же заземленная опорная плоскость расположена на одном слое с волноводной структурой. Поэтому такое расположение улучшает разделение и уменьшает дисперсию на высших частотах.

Позвольте поставщику участвовать в процессе

При создании схемы для работы на КВЧ (ММВ), скорее всего, вам придется отклониться от рекомендуемых для сборки ПП стандартных материалов и их толщин. Чтобы добиться наилучших характеристик, следует сначала обсудить с изготовителем выбранных вами компонентов любые возможные изменения в материале основания платы или ее конфигурации, подобные тем, которые описаны в этой статье, а также последствия внесения этих изменений.

Большинство изготовителей, таких как Knowles Precision Devices, желают убедиться в правильном функционировании своих фильтров. Они готовы тесно сотрудничать с разработчиками схем, чтобы разобраться в нюансах создания плат, оптимально функционирующих на высших частотах.