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Wenn das Signal in der Leiterbahn verloren geht: das Verlustproblem bei hohen Frequenzen
Leiter- und Dielektrikumsverluste bei Mikrowellenfrequenzen werden in der IEEE-Fachliteratur zur Mikrowellentechnik beschrieben.
Selbst eine problemlos routbare Leiterbahn aus 2oz Kupfer bei 500 mils stellt die Leiterplattenfertigung vor Herausforderungen, weil Leiterbahnabmessungen, Lagenaufbau und Toleranzen trotz möglicher Abweichungen kontrolliert werden müssen.
Bei allen Leiterbahnen aus 2oz Kupfer, die wir auf einem ebenen 5-mil-Substrat fertigen können, bemühen wir uns um besonders enge Toleranzen – insbesondere bei einem komplexeren Lagenaufbau…
…wenn die Impedanz jedoch wirklich entscheidend ist, kann eine Leiterbahn aus 1oz oder 0,5oz Kupfer sinnvoll sein, möglicherweise auch eine geringere Breite von .180 inches oder .190 inches.
Bei den meisten modernen Leiterplattendesigns mit üblichen Frequenzbereichen und Substraten sind diese Vorgaben für alle Materialien Standard; bei Designs mit höherwertigen oder speziellen Materialien wird es schwieriger, die ideale Breite zu erzielen.
Hochfrequenz- und RF-Schaltungen, die zuverlässige und präzise elektrische Eigenschaften erfordern, benötigen moderne Materialien und präzise Fertigungsverfahren.
Wo herkömmliche Substrate auf FR-4-Basis wegen mangelnder Signalintegrität an ihre Grenzen stoßen (Verlustfaktor von ~0,02), spielen RF-Laminate wie Rogers und Verbundwerkstoffe auf PTFE-Basis ihre Stärken aus.
Diese Spezialmaterialien bieten niedrige Verlustfaktoren (bis hinunter zu 0,001–0,003) und über ein breites Frequenzspektrum stabile Dielektrizitätskonstanten (Dk). Dank unserer Fachkenntnis werden Ihre Designanforderungen vom ersten Schaltplan bis zum fertigen Produkt erfüllt.
Ob Designs im unteren GHz-Bereich, für hohe Datenraten oder für Mikrowellen: Unsere hochmodernen Fertigungsanlagen und erfahrenen Ingenieure liefern Lösungen höchster Qualität für Ihre anspruchsvollen Anwendungen.
Bei PCBark entwickeln wir nicht nur kundenspezifische Lösungen, sondern verstehen auch die physikalischen Gründe für ihre Funktion. Sie können sich darauf verlassen, dass wir strenge Designvorgaben erfüllen, ohne Abstriche bei Qualität oder Zuverlässigkeit zu machen.
Wir sind auf hochwertige Leiterplatten für folgende Anwendungen spezialisiert: Telemetrie medizinischer Geräte, schnelle digitale Geräte, Kommunikationsnetze und Telekommunikationsgeräte, medizinische Geräte, Radarsysteme für Luftfahrt und Automobile, Verteidigungselektronik, Messtechnik sowie Speicher- und Netzwerkhardware. Wenn Sie es gleich beim ersten Mal richtig machen, vermeiden Sie teure Neuentwicklungen und Terminverzögerungen. Unsere hochmodernen Prozesse und Kontrollen sorgen dafür, dass Sie das erhalten, was wir Ihnen beim Design zugesagt haben.
RF- und Mikrowellen-Leiterplatten von PCBark: Fertigungsmöglichkeiten nach Frequenzband
Leiterplatteneigenschaften • Zuverlässige Impedanz- und Verlustwerte • Breiter Frequenzbereich.
Von uns gefertigte Übertragungsleitungsstrukturen
Auswahl von RF-Laminaten: Dk, Df und das Budget für Einfügedämpfung nach Frequenzband
Anders als ein Standardfertiger empfiehlt PCBark kein 77-GHz-Laminat für eine 2,4-GHz-Leiterplatte – richtig ist das verlustärmste Material, das Ihr Budget noch einhält, denn oberhalb von 40 GHz kann schon die Oberflächenrauheit des Kupfers die Einfügedämpfung merklich erhöhen.
Die Wahl von Basismaterial und Kupferfolie beeinflusst praktisch jede spätere Designentscheidung und jedes weitere Risiko: Entscheidend sind vor allem 2 Parameter – die Dielektrizitätskonstante (Dk), die die physischen Abmessungen Ihrer Leiterbahnen bestimmt, und der Verlustfaktor (Df), der angibt, wie stark Ihr Signal bei der jeweiligen Frequenz gedämpft wird. Unsere Tabelle zur Planung des Einfügedämpfungsbudgets nach Frequenzband und Material ordnet den zulässigen Verlust in Dollar für jedes Band bis 77 GHz einer bestimmten Materialwahl zu.
| Material | Dk bei 10 GHz | Df bei 10 GHz | Geeignetstes Frequenzband | Warum es sich bewährt |
|---|---|---|---|---|
| RT/duroid 5880 | 2.20 | 0.0009 | 40–77 GHz+ | Geringste Verluste; Millimeterwellen-Radar und Satellitenkommunikation |
| RO3003 | 3.00 | 0.0010 | 24–77 GHz | Stabile Dk für Automobilradar |
| RO4003C | 3.38 | 0.0027 | 2–40 GHz | Geringe Verluste, FR-4-kompatible Verarbeitung |
| Isola I-Tera MT40 | 3.45 | 0.0031 | 2–30 GHz | RF/Mikrowelle mit ausgewogenem Preis-Leistungs-Verhältnis |
| RO4350B | 3.48 | 0.0037 | 2–25 GHz | Nach UL 94V-0 eingestuft; Leistung/Senden |
| Megtron 6 | 3.35 | 0.0040 | 1–25 GHz | Hybrider Aufbau für schnelle Digitalsignale und RF |
| Standard-FR-4 | 4.2–4.8 | ~0.020 | Nur <2 GHz | Niedrige Ausgangskosten; Verluste oberhalb von 6 GHz |
Technischer Hinweis zur Kupferrauheit bei Millimeterwellen
Bei 77 GHz reicht die Wahl des Basismaterials allein nicht aus. Die tatsächliche Oberflächenrauheit des Leiters kann die Signalverluste Ihrer 77-GHz-Übertragungsleitungen leicht um weitere 25–45 % erhöhen...
...im Vergleich zu glatteren Leitermaterialien. Oberhalb von 40 GHz verwenden wir stets rückseitig behandelte Kupferfolie der LoPro-Klasse; sie kann die Leiterverluste um etwa 10–15 % senken, indem sie die Leitfähigkeit der Kupferoberfläche an der Grenzfläche zum Dielektrikum verringert – ein Unterschied, der darüber entscheiden kann, ob ein bestimmtes Leiterplattenlayout die angestrebte Verstärkung eines Arrays mit 88 Patch-Elementen erreicht, während ein entsprechend geroutetes 77-GHz-Radar-Frontend sie erreicht.
Ein letzter Hinweis für Entwickler von Hochfrequenz-Leiterplatten:
Es ist ein Irrtum, dass dickeres Kupfer auf einer Hochfrequenz-Leiterplatte immer bessere Ergebnisse liefert. Bei übermäßiger Kupferdicke können Spannungen und Verzug entstehen...
...und die Impedanz kann von Leiterbahn zu Leiterbahn schwanken; wir stimmen die Kupferdicke gezielt auf die Stromtragfähigkeit und die angestrebte Impedanz ab, statt einen Standardwert zu übernehmen oder zu raten. Selbst bei einem Laminat nach IPC-4103, dem Industriestandard für Highspeed- und Hochfrequenzlaminate, der bei qualifizierten Materialien die Dk-Abweichung über 1–20 GHz auf etwa ±0,05 begrenzt, ist die Kupferdicke schlicht zu hoch oder nicht passend zu den Leistungsmerkmalen spezifiziert, die das Schaltungsdesign für die Impedanz erfordert.
Während Ihr Standard-Leiterplattenhersteller nur 1 oder 2 Laminate auf Lager hält
hält PCBark intern nach ISO 9001 Hochfrequenzlaminate von Rogers, Isola, Taconic und Arlon sowie PTFE/Teflon- und kohlenwasserstoffkeramische Laminate vor...
...und prüft vor der Fertigung die Dk (den Verlustfaktor) Ihres Feldlösers für Sie – die gute Nachricht: Ihr Feldlöser hatte recht; die schlechte: Eine Abweichung von 0,0027 gegenüber 0,020 bereitet Ihnen Probleme. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird über die Lagen des hybriden Aufbaus hinweg abgestimmt. Die Impedanz von Single-Ended- und differentiellen Leitungen wird für jedes Material angepasst. Die richtige Wahl ist nicht das billigste Material auf Lager, sondern dasjenige, das Ihr Verlustbudget bei IHRER Frequenz einhält – und wir drängen Ihnen für eine 2,4-GHz-Leiterplatte nicht unnötig ein 77-GHz-Laminat auf.
RF-/Mikrowellen-Leiterplatten oder FR-4: Wo die wirtschaftliche Grenze liegt
Strukturen zur Impedanzanpassung für RF-Leiterplatten sind im USPTO-Patent US9331720B2 dokumentiert.
Anwendungen: 5G, Radar, Satelliten und Millimeterwellen
Topologien für RF-Leiterplatten in diesen Systemen sind im USPTO-Patent US20050190614A1 beschrieben.
Es gibt nie nur 1 richtiges RF-Laminat, und jeder RF-Ingenieur hat aufgrund seiner Erfahrung einen Favoriten. Deshalb haben wir eine Zuordnungstabelle für Mikrowellenmaterialien und Anwendungen zusammengestellt, die Anwendungsfälle den Laminaten und Frequenzen zuordnet, mit denen wir sie täglich umsetzen.
5G-Basisstationsantenne und Massive MIMO
Frequenz
28 / 39 GHz
Typisches Material
RO4003C / RO4350B
Entscheidende Eigenschaft
Gleichmäßige Dk über das gesamte Panel für die Phasenanpassung
ADAS-Radar für Fahrzeuge
Frequenz
24 und 77–79 GHz
Typisches Material
RO3003 / RT-duroid
Entscheidende Eigenschaft
Dk-Stabilität von −40 bis +85 °C
Nutzlasten für Satelliten und Satellitenkommunikation
Frequenz
6–40 GHz
Typisches Material
RT/duroid, keramikgefüllt
Entscheidende Eigenschaft
Geringes Ausgasen, geringe Feuchtigkeitsaufnahme
RF-Leistungsverstärker
Frequenz
1–10 GHz
Typisches Material
RO4350B + Dickkupfer
Entscheidende Eigenschaft
Wärmeleitfähigkeit + UL 94V-0
Vorrichtungen für Prüfung und Messtechnik
Frequenz
DC–40 GHz
Typisches Material
RO4003C
Entscheidende Eigenschaft
Enge Dk-Toleranz (geringer Messfehler)
Bei 77 GHz für Automobilradar liegen unsere anspruchsvollsten Anwendungen.
Eine Patch-Antennenanordnung mit achtundachtzig Elementen und RF35 auf Rogers RO4003C-Material könnte über eine GHz-Bandbreite einen Gewinn von mehr als 20 dBi erreichen; wenn jedoch die Verluste an den Via-Übergängen nicht stimmen, Dk über den Temperaturbereich in der Kabine stabil ist und die Rauheit der Kupferfolie nicht minimiert wird, funktioniert das Radar nicht. In diesem Frequenzband ist unser maximales Leistungsspektrum – 32 Lagen, 5 % Impedanztoleranz, ENIG-Galvanisierung sowie TDR- und HF-Prüfung – mehr als eine bloße Spezifikation: Es ist der einzige Grund, warum das Radar funktioniert.
Die Wahl des falschen Laminats führt hier zu einem teuren, spät entdeckten Fehler: Das Radar besteht die Prüfung bei Raumtemperatur, liegt bei 40 °C aber außerhalb der Toleranz, und Sie bemerken es erst nach der Werkzeugfertigung.
Anders als ein allgemeiner Leiterplattenfertiger bewertet PCBark das Verhältnis zwischen Dk und Temperatur für Ihr Frequenzband quantitativ, damit die Resonanzfrequenz über den Temperaturbereich im Automobilbereich stabil bleibt – die richtige Wahl für sicherheitskritische 77-GHz-Fertigungen und der technische Grund, warum wir jede Millimeterwellen-Charge einer RF-Prüfung unterziehen.
Fortschrittliche Entwicklungstools für HF- und Mikrowellen-Leiterplatten
Auswahlhilfe für HF-Materialien und 50Ω-Mikrostreifenleitungen
Wählen Sie Frequenz und Substrathöhe, um eine Laminatempfehlung und eine ungefähre Leiterbahnbreite für 50Ω zu erhalten. Die Werte sind Schätzungen; PCBark überprüft sie mit einem Feldlöser.
Tool öffnenFR-4 oder Rogers RO4003C – Rechner für den wirtschaftlichen Vergleich
Vergleichen Sie Einfügedämpfung und Kosten für Ihr Design, bevor Sie sich auf ein Material festlegen. Die Schätzungen beruhen auf veröffentlichten Werten bei 10 GHz.
Rechner öffnenKostenschätzer für hybride Lagenaufbauten
Vergleichen Sie eine Leiterplatte aus reinem HF-Material mit einem hybriden Aufbau (HF-Lagen + FR-4) anhand eines relativen Kostenindex (FR-4-Leiterplatte = 1.0). Der Vergleich zeigt, warum es das Budget schont, HF-Material nur dort einzusetzen, wo es benötigt wird.
Kostenschätzer öffnenHäufige Fragen zu HF- und Hochfrequenz-Leiterplatten
Eine Hochfrequenz-Leiterplatte überträgt analoge HF- und Mikrowellensignale (sinusförmig, im GHz-Bereich); entscheidend sind dabei eine stabile Dielektrizitätskonstante Dk und die Einfügedämpfung. Leiterplatten für schnelle Digitalsignale müssen dagegen steile Signalflanken bewältigen; hier zählen Flankenqualität, Timing und Übersprechen. Bei den benötigten Materialien gibt es Überschneidungen: Beide erfordern eine stabile, niedrige Dk, doch die Prioritäten beim Design unterscheiden sich.
Ja, für viele Designs bis etwa 6-7 GHz eignet sich FR-4 und ist deutlich günstiger. Bei Anwendungen oberhalb von 6 GHz machen ein Verlustfaktor von etwa 0.02 und Dk-Schwankungen FR-4 weniger geeignet; ein verlustarmes HF-Laminat ist dann die sinnvollere Wahl. Für Designs mit gemischten Signalen werden üblicherweise hybride Lagenaufbauten verwendet: FR-4 dort, wo es geeignet ist, und HF-Laminat nur dort, wo hochfrequente Signale verlaufen oder Bauteillandeflächen liegen.
Machen Sie präzise Vorgaben: Geben Sie die gewünschte Impedanz und Toleranz klar an, platzieren Sie einen Prüfcoupon für die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) auf demselben Fertigungsnutzen und stellen Sie sicher, dass das Werk die TDR-Prüfcoupons für jedes Los misst, statt sich auf statische Impedanzwerte aus der berechneten Leiterbahnbreite zu verlassen. Bei allen PCBark-Aufträgen mit kontrollierter Impedanz ist ein TDR-Prüfcoupon standardmäßig enthalten; Hochfrequenzlose prüfen wir zusätzlich per VNA auf unseren HF-Prüfgeräten.
Für Radar bei 77 GHz werden typischerweise besonders verlustarme Laminate mit niedriger Dk wie Rogers RO3003 oder RT/duroid verwendet, weil ihre Dk über den Temperaturbereich im Automobil stabil bleibt. Kombinieren Sie sie mit LoPro-Kupfer, um die Leiterverluste bei mmWave zu senken. Ihr PCBark-Entwickler prüft im Rahmen der DFM-Analyse, welche genaue Materialvariante zu Ihren Zielen für Verstärkung und Bandbreite passt.
Bei vielen Designs unter 6 GHz sind es 10 %, bei Best-Ausführungen 8 % und bei Maximum-Ausführungen 5 % – jeweils in unserem System per TDR nachgewiesen. Engere Toleranzen als nötig – beispielsweise 3 % – verursachen meist Mehrkosten; deshalb legen wir Ihre Toleranzen sorgfältig so fest, dass die Leistung stimmt, ohne den Lagenaufbau für die Fertigung unnötig aufwendig zu machen.
