Антенные платы представляют собой печатную плату другого типа. На цифровой плате подложка в основном представляет собой механический носитель. На антенной плате подложка напрямую влияет на то, как схема излучает, сколько сигнала она теряет и насколько надежно она работает в полевых условиях. Неправильно выберите материал, и никакие навыки верстки не спасут дизайн.

В этой статье описывается недавно изготовленная нами двухслойная антенная плата AD250C — компактная, ультратонкая и отделанная чистым золотом. Помимо построения и стека, мы хотим углубиться в вопрос, который часто упускают из виду:почему на этой плате использовалось чистое золото вместо более распространенного ENIG, иммерсионного серебра или OSP?

Как выглядит доска

Начнем с полной спецификации.

Базовым материалом является Rogers AD250C, двухслойная жесткая печатная плата размером 55,36 × 76,2 мм с допуском ±0,15 мм. Минимальный след и пространство — 4/6 мил, а минимальный размер отверстия — 0,4 мм. Никаких глухих или скрытых переходных отверстий — все соединения сквозные.

Толщина готовой платы составляет 0,6 мм, медь толщиной 1 унцию (35 мкм) на внешних слоях и толщина переходного покрытия 20 мкм. Покрытие поверхности – чистое золото. Верхняя шелкография желтая, нижняя шелкография отсутствует. Зеленая паяльная маска наносится с обеих сторон. Перед отправкой каждая плата проходит 100% электрические испытания, соответствует стандарту IPC-Class-2 и поставляется в формате Gerber RS-274-X.

Сразу бросаются в глаза несколько параметров: ультратонкая толщина всего 0,6 мм, отделка из чистого золота и 49 переходных отверстий на плате всего с двумя цепями.

Стек: тонкий по дизайну

Схема проста: медь толщиной 35 мкм, подложка AD250C толщиной 0,508 мм (20 мил) и медь толщиной 35 мкм.

Готовая толщина составляет 0,6 мм — примерно вдвое меньше стандартной толщины 1,6 мм.Плата ФР-4. Тонкие антенные платы служат двум целям: они уменьшают общую высоту модуля в устройствах с ограниченным пространством, а в некоторых конструкциях патч-панельных и плоских антенн снижение диэлектрической нагрузки может повысить эффективность излучения.

Но тонкие доски создают проблемы при производстве. Плата толщиной 0,6 мм более гибкая и требует большей осторожности при сверлении, нанесении покрытия и сборке. Контроль коробления особенно важен для сердцевины толщиной всего 20 мил.

Почему AD250C

AD250C — это антенный ламинат на основе ПТФЭ, армированный стекловолокном, от Rogers, разработанный специально для рынка беспроводных антенн — базовых станций сотовой инфраструктуры, автомобильной телематики и коммерческой спутниковой радиосвязи.

Его ключевые электрические характеристики: диэлектрическая проницаемость 2,5 ± 0,04 на частоте 10 ГГц, коэффициент затухания 0,0013 на частоте 10 ГГц и PIM -159 дБн на частоте 30 мил, 1900 МГц.

Низкий Dk и геометрия антенны.Dk 2,5 намного ниже, чем примерно 4,3 у FR-4. В конструкции антенны более низкий Dk означает, что электромагнитное поле распространяется дальше в воздух, а не концентрируется в подложке. Это обычно повышает эффективность излучения и уменьшает энергию, задерживаемую в диэлектрике. Это также позволяет подобрать размеры антенных элементов ближе к длинам волн в свободном пространстве, упрощая согласование и расширяя полосу пропускания.

Низкая Df и потери.Коэффициент рассеивания 0,0013 исключительно низок. FR-4 колеблется от 0,012 до 0,020 — примерно в десять раз выше. На частотах антенны эта разница напрямую приводит к уменьшению вносимых потерь и улучшению усиления. Тангенс потерь материала остается ниже 0,002 в типичных диапазонах беспроводной связи, что делает его подходящим для многодиапазонных конструкций.

Низкая производительность PIM и антенны.Пассивная интермодуляция является важнейшей характеристикой антенн сотовой инфраструктуры. Когда два или более сигналов смешиваются в пассивном компоненте, они генерируют продукты интермодуляции, которые мешают полосам приема. Уровень −159 дБн AD250C помогает минимизировать этот эффект, уменьшая потери производительности из-за сбоев в производстве, связанных с PIM.

Стабильность размеров.КТР составляет 47 ppm/°C по оси X, 29 ppm/°C по Y и 196 ppm/°C по Z. Армированная стеклом конструкция ограничивает перемещение в плоскости, что важно для антенных решеток, где расстояние между элементами должно быть точным.

Отделка поверхности: почему чистое золото, а не ENIG, иммерсионное серебро или OSP

Это самое интересное дизайнерское решение на этой плате.

Отделка поверхности антенной платы – выбор не случайный. Это напрямую влияет на три вещи:Потери радиочастот, производительность PIM и долгосрочная надежность.Давайте пройдемся по каждому варианту.

ENIG: Слой никеля — убийца высоких частот

Структура ENIG: медь → никель (3–6 мкм) → золото (0,05–0,1 мкм). Слой золота тонкий; никель под ним делает настоящую работу. Но никель ферромагнитен, его удельное сопротивление более чем в четыре раза превышает удельное сопротивление меди.

На высоких частотах скин-эффект выталкивает ток к поверхности проводника. На частоте 28 ГГц толщина медного слоя составляет всего около 0,4 мкм, а слой никеля ENIG более чем в десять раз больше. Сигнал эффективно улавливается слоем никеля с высокими потерями. При измерениях антенна 28 ГГц с использованием ENIG показывает эффективность на 0,7–1,2 дБ ниже, чем голая медь.

ENIG хорош для пайки. Это нехорошо для РФ.

OSP: отличный RF, слишком недолговечный

OSP образует пленку непосредственно на меди, без слоя никеля, обеспечивая превосходные радиочастотные характеристики — потери уступают только идеальной меди. Но у него есть две серьезные проблемы.

Во-первых, ОСП – это изолятор. Если на антенной плате имеются контрольные точки или требуется контакт с датчиком, OSP приводит к плохому контакту и ложным сообщениям об обрыве цепи.

Во-вторых, срок годности всего 3–6 месяцев, а каждая оплавка съедает пленку. На двусторонней сборке или плате, подвергающейся нескольким термическим циклам, OSP на нижней стороне начинает разрушаться после первого оплавления, и второй проход пайки становится рискованным. Антенные платы часто представляют собой изделия с длительным сроком эксплуатации, и короткий срок службы OSP не соответствует этой реальности.

Immersion Silver: оптимальное решение для антенных плат

Иммерсионное серебро осаждается непосредственно на меди, без никелевого барьера, толщиной всего 0,15–0,4 мкм. Удельное сопротивление серебра лишь немного выше, чем у меди, поэтому высокочастотные сигналы распространяются по поверхности, близкой к голой меди. Согласно измерениям, эффективность иммерсионной серебряной антенны всего на 0,1–0,2 дБ ниже голой меди — намного лучше, чем у ENIG.

Компромисс — это хранение. Серебро тускнеет и сульфидируется, что требует герметичной упаковки с контролем влажности. Срок годности 6–12 месяцев.Позиция иммерсионного серебра: радиочастотные характеристики близки к голой меди, умеренная стоимость, подходит для большинства антенных применений.

Чистое золото: почему совет директоров выбрал именно его

Чистое золото также позволяет избежать проблемы потери слоя никеля, но его ценность выходит за рамки.

Чрезвычайно низкий PIM.Одним из основных преимуществ AD250C является низкий уровень PIM до −159 дБн. PIM очень чувствителен к состоянию поверхности: оксиды металлов, шероховатые поверхности и разнородные границы раздела металлов становятся источниками нелинейных эффектов. Чистое золото химически инертно, гладкое и устойчиво к образованию оксидов, что снижает содержание PIM в самом его источнике. Слой никеля ENIG сам по себе является разнородным металлом, который может вносить дополнительную нелинейность; потускневшее серебро также может ухудшить качество PIM.

Долгосрочная надежность.Антенны базовых станций работают годами, будучи развернуты на открытом воздухе в условиях температурных циклов и влажности. Чистое золото не окисляется, не сульфидируется и не обесцвечивается, а контактное сопротивление остается стабильным с течением времени. Пленки OSP со временем портятся, а серебро тускнеет. За антенну, которую установили и оставили в покое, стоит заплатить золотую премию за надежность.

Совместимость с пайкой и склеиванием.Эта плата имеет 27 площадок SMT на верхней стороне и 24 площадки со сквозными отверстиями. Чистое золото обеспечивает надежную пайку, а также соединение проводов. Если конструкция предполагает прямое крепление чипа, чистое золото — одно из немногих покрытий, которое подходит и для того, и для другого.

Компромисс — стоимость — самый высокий из вариантов. Он покупает самый низкий риск PIM плюс самую длительную надежность.

Другие детали строительства

След и пространство 4/6 мил.Для антенной платы это разрешение обычно используется для согласования сетей, линий питания и структур настройки. Армирование стеклом AD250C улучшает технологичность и стабильность размеров во время травления, делая эту точность достижимой.

49 переходов, 2 сетки.Это одна из наиболее интересных деталей. Большое количество переходных отверстий при небольшом количестве цепей в конструкции антенны обычно указывает на заземленную конструкцию — переходное ограждение, сшивку заземляющей плоскости или щелевую антенну с заземлением по краям. Эти переходные отверстия не являются маршрутизирующими сигналами; они обеспечивают экранирование и заземление.

На плате имеются 24 контактные площадки со сквозными отверстиями и 27 контактных площадок для поверхностного монтажа на верхней стороне, микшерный разъем и типы компонентов. Нижние площадки SMT отсутствуют, что соответствует конструкции, в которой нижняя часть служит в основном плоскостью заземления или монтажной поверхностью.

Минимальный размер отверстия 0,4 мм.Это скорее средний показатель, чем наилучший из возможных, но это разумный выбор для платы толщиной 0,6 мм. Меньшие отверстия в тонком материале могут привести к поломке сверла и неравномерному покрытию. Покрытие сквозных отверстий толщиной 20 мкм обеспечивает целостность ствола.

Паяльная маска и шелкография.Зеленая паяльная маска с обеих сторон и желтая шелкография только сверху. Нижняя шелкография не является типичной, если нижняя сторона представляет собой заземляющую поверхность или монтажную поверхность, на которой маркировка не имеет смысла. Желтый на зеленом обеспечивает хороший контраст при сборке и проверке.

Качество и доставка

Эта плата была изготовлена ​​в соответствии со стандартами IPC-класса 2 и прошла 100% электрические испытания перед отправкой для подтверждения целостности и изоляции сети. Обложки поставлялись в формате Gerber RS-274-X, и эта возможность доступна по всему миру.

Что говорит нам это правление

Эта сборка AD250C является хорошим примером того, чем антенные платы отличаются от печатных плат общего назначения. Выбор материала, обусловленный требованиями Dk, Df и PIM, определяет электрическую основу. Конструкция толщиной 0,6 мм обеспечивает компактную интеграцию модулей. Отделка из чистого золота защищает проводимость поверхности и минимизирует риск PIM. А большое количество переходов в маломощной конструкции отражает заземленные конструкции, типичные для антенных схем.

Если вы работаете над конструкцией антенны и вам нужен производитель, имеющий опыт работы с Rogers AD250C и аналогичными ламинатами на основе ПТФЭ, мы будем рады рассмотреть ваши требования. Будь то простая патч-антенна или многоэлементная решетка, разговор начинается с ваших электрических и механических ограничений.

Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваш следующий проект печатной платы антенны.