Finitura in oro puro su una scheda di antenna: una rottura della costruzione del PCB AD250C da 0,6 mm

Le schede per antenne sono una razza diversa di PCB. Su una scheda digitale, il substrato è in gran parte un supporto meccanico. Su una scheda per antenne, il substrato modella direttamente come il circuito irradia, quanto segnale perde e quanto affidabilmente si comporta sul campo. Scegli il materiale sbagliato e nessuna abilità di layout salverà il progetto.

Questo articolo analizza una recente scheda per antenne AD250C a 2 strati che abbiamo prodotto: compatta, ultrasottile e finita in oro puro. Oltre alla costruzione e allo stackup, vogliamo approfondire una domanda che spesso viene trascurata:perché questa scheda ha utilizzato oro puro invece del più comune ENIG, argento per immersione o OSP?

Come si presenta la scheda

Iniziamo con le specifiche complete.

Il materiale di base è Rogers AD250C, un PCB rigido a 2 strati di dimensioni 55,36 mm x 76,2 mm, mantenuto con una tolleranza di ±0,15 mm. La traccia e lo spazio minimi sono 4/6 mils e la dimensione minima del foro è 0,4 mm. Non ci sono via cieche o interrate: tutti i collegamenti sono passanti.

Lo spessore finito della scheda è di 0,6 mm, con rame da 1 oz (35 µm) sugli strati esterni e uno spessore di placcatura delle via di 20 µm. La finitura superficiale è oro puro. La serigrafia superiore è gialla, senza serigrafia inferiore. La maschera di saldatura verde è applicata su entrambi i lati. Ogni scheda viene sottoposta a test elettrici al 100% prima della spedizione, costruita secondo IPC-Class-2, con artwork fornito in formato Gerber RS-274-X.

Alcuni parametri spiccano immediatamente: lo spessore ultrasottile di 0,6 mm, la finitura in oro puro e 49 via su una scheda con solo 2 reti.

Lo Stackup: sottile per design

Lo stackup è semplice: rame da 35 µm, un substrato AD250C da 0,508 mm (20 mil) e rame da 35 µm.

Lo spessore finito è di 0,6 mm, circa la metà di una tipica scheda FR-4 da 1,6 mm. Le schede per antenne sottili servono a due scopi: riducono l'altezza complessiva del modulo nei dispositivi con spazio limitato e, in alcuni progetti di antenne patch e planari, la ridotta carica dielettrica può migliorare l'efficienza di radiazione.Ma le schede sottili presentano sfide di produzione. A 0,6 mm, la scheda è più flessibile, richiedendo maggiore cura durante la foratura, la placcatura e l'assemblaggio. Il controllo della deformazione è particolarmente critico con un nucleo di soli 20 mil di spessore.Perché AD250C

AD250C è un laminato per antenne a base di PTFE rinforzato con vetro di Rogers, progettato specificamente per il mercato delle antenne wireless: stazioni base per infrastrutture cellulari, telematica automobilistica e radio satellitare commerciale.

Le sue specifiche elettriche chiave: costante dielettrica di 2,5 ± 0,04 a 10 GHz, fattore di dissipazione di 0,0013 a 10 GHz e PIM di -159 dBc a 30 mil, 1900 MHz.

Bassa Dk e geometria dell'antenna.

Una Dk di 2,5 è molto inferiore alla Dk di circa 4,3 dell'FR-4. Nella progettazione di antenne, una Dk inferiore significa che il campo elettromagnetico si estende ulteriormente nell'aria anziché concentrarsi nel substrato. Ciò migliora generalmente l'efficienza di radiazione e riduce l'energia intrappolata nel dielettrico. Permette inoltre di dimensionare gli elementi dell'antenna più vicini alle lunghezze d'onda nello spazio libero, semplificando l'adattamento e ampliando la larghezza di banda.

Bassa Df e perdita.Un fattore di dissipazione di 0,0013 è eccezionalmente basso. L'FR-4 varia da 0,012 a 0,020, circa dieci volte superiore. Alle frequenze delle antenne, questa differenza si traduce direttamente in una ridotta perdita di inserzione e in un guadagno migliorato. La tangente di perdita del materiale rimane inferiore a 0,002 nelle bande wireless tipiche, rendendolo adatto per progetti multibanda.

Bassa PIM e prestazioni dell'antenna. La intermodulazione passiva è una specifica critica per le antenne delle infrastrutture cellulari. Quando due o più segnali si mescolano in un componente passivo, generano prodotti di intermodulazione che interferiscono con le bande di ricezione. Il valore di -159 dBc dell'AD250C aiuta a minimizzare questo effetto, riducendo le perdite di resa dovute a guasti correlati alla PIM in produzione.

Stabilità dimensionale. Il CTE è 47 ppm/°C in X, 29 ppm/°C in Y e 196 ppm/°C in Z. La costruzione rinforzata con vetro limita il movimento nel piano, il che è importante per gli array di antenne in cui la spaziatura degli elementi deve essere precisa.

Finitura superficiale: perché oro puro, non ENIG, argento per immersione o OSPQuesta è la decisione di progettazione più interessante su questa scheda.

La finitura superficiale su una scheda per antenne non è una scelta casuale. Influenza direttamente tre cose: perdita RF, prestazioni PIM e affidabilità a lungo termine. Analizziamo ogni opzione.

ENIG: lo strato di nichel è un killer ad alta frequenza

La struttura dell'ENIG è rame → nichel (3–6 µm) → oro (0,05–0,1 µm). Lo strato d'oro è sottile; il nichel sottostante fa il lavoro vero. Ma il nichel è ferromagnetico, con una resistività più di quattro volte quella del rame.Ad alte frequenze, l'effetto pelle spinge la corrente sulla superficie del conduttore. A 28 GHz, la profondità della pelle del rame è di soli circa 0,4 µm e lo strato di nichel dell'ENIG è più di dieci volte superiore. Il segnale è effettivamente intrappolato in uno strato di nichel altamente dissipativo. Nelle misurazioni, un'antenna a 28 GHz che utilizza ENIG mostra un'efficienza inferiore di 0,7–1,2 dB rispetto al rame nudo.L'ENIG è buono per la saldatura. Non è buono per le RF.

OSP: ottime RF, troppo effimero

L'OSP forma un film direttamente sul rame, senza strato di nichel, offrendo eccellenti prestazioni RF, con perdite seconde solo al rame ideale. Ma presenta due problemi difficili.

Innanzitutto, l'OSP è un isolante. Se una scheda per antenne ha punti di test o richiede il contatto con una sonda, l'OSP causa un contatto scadente e falsi rapporti di circuito aperto.

In secondo luogo, la durata di conservazione è solo di 3-6 mesi e ogni riflusso consuma il film. Su un assemblaggio a doppia faccia o su una scheda sottoposta a più cicli termici, l'OSP sul lato inferiore inizia a degradarsi dopo il primo riflusso e il secondo passaggio di saldatura diventa rischioso. Le schede per antenne sono spesso prodotti a lungo dispiegamento e la breve durata dell'OSP non corrisponde a tale realtà.

Argento per immersione: il punto ideale per le schede per antenne

L'argento per immersione si deposita direttamente sul rame, senza barriera di nichel, con uno spessore di soli 0,15–0,4 µm. La resistività dell'argento è solo leggermente superiore a quella del rame, quindi i segnali ad alta frequenza viaggiano su una superficie vicina al rame nudo. Nelle misurazioni, l'efficienza dell'antenna dell'argento per immersione è solo 0,1–0,2 dB inferiore al rame nudo, molto meglio dell'ENIG.

Il compromesso è lo stoccaggio. L'argento si ossida e si solfura, richiedendo un imballaggio sigillato e controllato dall'umidità. La durata di conservazione è di 6-12 mesi.

Posizione dell'argento per immersione: prestazioni RF vicine al rame nudo, costo moderato, adatto alla maggior parte delle applicazioni per antenne.

Oro puro: perché questa scheda lo ha scelto

L'oro puro evita anche il problema della perdita dello strato di nichel, ma il suo valore va oltre.

PIM estremamente basso. Uno dei principali punti di forza dell'AD250C è una PIM fino a -159 dBc. La PIM è molto sensibile alle condizioni superficiali: ossidi metallici, superfici ruvide e interfacce metalliche dissimili diventano tutte fonti non lineari. L'oro puro è chimicamente inerte, liscio e resistente alla formazione di ossidi, riducendo la PIM alla fonte. Lo strato di nichel dell'ENIG è esso stesso un metallo dissimile che può contribuire a un'ulteriore non linearità; anche l'argento ossidato può degradare la PIM.

Affidabilità a lungo termine.

Le antenne delle stazioni base operano per anni, dispiegate all'esterno attraverso cicli termici e umidità. L'oro puro non si ossida, non si solfura né scolorisce, e la resistenza di contatto rimane stabile nel tempo. I film OSP si degradano nel tempo e l'argento si ossida. Per un'antenna che viene installata e lasciata sola, il premio di affidabilità dell'oro vale la pena pagarlo.

Compatibilità con saldatura e bonding. Questa scheda ha 27 pad SMT sul lato superiore e 24 pad passanti, mescolando tipi di connettori e componenti. Non ci sono pad SMT sul lato inferiore, coerentemente con un design in cui il lato inferiore funge principalmente da piano di massa o superficie di montaggio.

Il compromesso è il costo, il più alto tra le opzioni. Ciò che si ottiene è il minor rischio di PIM più la massima affidabilità.Altri dettagli di costruzione

Traccia e spazio 4/6 mil. Per una scheda per antenne, questa risoluzione viene tipicamente utilizzata per reti di adattamento, linee di alimentazione e strutture di sintonia. Il rinforzo in vetro dell'AD250C migliora la processabilità e la stabilità dimensionale durante l'incisione, rendendo realizzabile questa precisione.

49 via, 2 reti.

Questo è uno dei dettagli più interessanti. Un alto numero di via con poche reti in un progetto di antenna indica solitamente una struttura messa a terra: una via fence, una cucitura di piano di massa o un'antenna a slot con messa a terra sul bordo. Queste via non instradano segnali; forniscono schermatura e messa a terra.

La scheda presenta 24 pad passanti e 27 pad SMT sul lato superiore, mescolando tipi di connettori e componenti. Non ci sono pad SMT sul lato inferiore, coerentemente con un design in cui il lato inferiore funge principalmente da piano di massa o superficie di montaggio.Dimensione minima del foro 0,4 mm.

Questa è una dimensione moderata piuttosto che la più fine possibile, ma è una scelta sensata per una scheda sottile da 0,6 mm. Fori più piccoli su materiale sottile rischiano la rottura della fresa e una placcatura irregolare. La placcatura delle via da 20 µm garantisce l'integrità del barilotto.Maschera di saldatura e serigrafia.

Maschera di saldatura verde su entrambi i lati, con serigrafia gialla solo sul lato superiore. L'assenza di serigrafia inferiore è tipica quando il lato inferiore è un piano di massa o una superficie di montaggio dove le marcature non servono a nulla. Il giallo sul verde offre un buon contrasto per l'assemblaggio e l'ispezione.

Qualità e consegnaQuesta scheda è stata prodotta secondo gli standard IPC-Class-2, con test elettrici al 100% prima della spedizione per confermare l'integrità della rete e l'isolamento. L'artwork è stato fornito in Gerber RS-274-X e la capacità è disponibile in tutto il mondo.

Cosa ci dice questa schedaQuesta realizzazione AD250C è un buon esempio di come le schede per antenne differiscano dai PCB per scopi generali. La scelta del materiale, guidata dai requisiti di Dk, Df e PIM, pone le basi elettriche. La costruzione sottile da 0,6 mm supporta l'integrazione di moduli compatti. La finitura in oro puro protegge la conduttività superficiale minimizzando il rischio di PIM. E l'alto numero di via su un design a poche reti riflette le strutture messe a terra tipiche dei layout delle antenne.

Se stai lavorando a un progetto di antenna e hai bisogno di un produttore esperto con Rogers AD250C e laminati simili a base di PTFE, saremmo lieti di esaminare i tuoi requisiti. Che si tratti di una semplice antenna patch o di un array multi-elemento, la conversazione inizia con i tuoi vincoli elettrici e meccanici.

Contattaci per discutere il tuo prossimo progetto di PCB per antenne.