Pure Goud Afwerking op een Antennebord: Een 0,6 mm AD250C PCB Bouw Uitsplitsing

Antenneborden zijn een ander soort PCB. Op een digitaal bord is het substraat grotendeels een mechanische drager. Op een antennebord bepaalt het substraat direct hoe het circuit uitstraalt, hoeveel signaal het verliest en hoe betrouwbaar het in het veld presteert. Als u het materiaal verkeerd gebruikt, kan geen enkele lay-outvaardigheid het ontwerp redden.

In dit artikel wordt een recent tweelaags AD250C-antennebord besproken dat we hebben vervaardigd: compact, ultradun en afgewerkt met puur goud. Naast de constructie en stapeling willen we dieper ingaan op een vraag die vaak over het hoofd wordt gezien:waarom gebruikte dit bord puur goud in plaats van het meer gebruikelijke ENIG, immersiezilver of OSP?

Hoe het bestuur eruit ziet

Laten we beginnen met de volledige specificatie.

Het basismateriaal is Rogers AD250C, een 2-laags stijve PCB van 55,36 mm x 76,2 mm, met een tolerantie van ± 0,15 mm. Het minimale spoor en de minimale ruimte zijn 4/6 mils en de minimale gatgrootte is 0,4 mm. Er zijn geen blinde of ondergrondse via's; alle verbindingen zijn doorgaande gaten.

De dikte van de afgewerkte plaat is 0,6 mm, met 1 oz (35 μm) koper op de buitenste lagen en een via-plaatdikte van 20 μm. De oppervlakteafwerking is puur goud. De bovenste zeefdruk is geel, de onderste zeefdruk ontbreekt. Aan beide zijden is een groen soldeermasker aangebracht. Elk bord ondergaat 100% elektrische tests vóór verzending, gebouwd volgens IPC-Klasse-2, met artwork geleverd in Gerber RS-274-X-formaat.

Een paar parameters vallen meteen op: de ultradunne dikte van 0,6 mm, de puur gouden afwerking en 49 via's op een bord met slechts 2 netten.

De Stackup: dun van ontwerp

De stapeling is eenvoudig: 35 μm koper, een 0,508 mm (20mil) AD250C-substraat en 35 μm koper.

De uiteindelijke dikte is 0,6 mm, ongeveer de helft van een typische 1,6 mmFR-4-bord. Dunne antenneborden dienen twee doelen: ze verminderen de totale modulehoogte in apparaten met beperkte ruimte, en bij bepaalde patch- en planaire antenneontwerpen kan een verminderde diëlektrische belasting de stralingsefficiëntie verbeteren.

Maar dunne platen brengen productie-uitdagingen met zich mee. Met een dikte van 0,6 mm is de plaat flexibeler en vereist deze meer zorg tijdens het boren, plateren en monteren. Controle op kromtrekken is vooral van cruciaal belang met een kern die slechts 20 millimeter dik is.

Waarom AD250C

AD250C is een glasversterkt, op PTFE gebaseerd antennelaminaat van Rogers, speciaal ontworpen voor de markt voor draadloze antennes: basisstations voor mobiele infrastructuur, autotelematica en commerciële satellietradio.

De belangrijkste elektrische specificaties: diëlektrische constante van 2,5 ± 0,04 bij 10GHz, dissipatiefactor van 0,0013 bij 10GHz en PIM van −159 dBc bij 30 mil, 1900 MHz.

Lage Dk en antennegeometrie.Een Dk van 2,5 is veel lager dan die van FR-4, ongeveer 4,3. Bij antenneontwerp betekent een lagere Dk dat het elektromagnetische veld zich verder de lucht in uitstrekt in plaats van zich te concentreren in het substraat. Dit verbetert over het algemeen de stralingsefficiëntie en vermindert de energie die vastzit in het diëlektricum. Het maakt het ook mogelijk dat antenne-elementen dichter bij golflengten in de vrije ruimte worden gedimensioneerd, waardoor het matchen wordt vereenvoudigd en de bandbreedte wordt vergroot.

Lage Df en verlies.Een dissipatiefactor van 0,0013 is uitzonderlijk laag. FR-4 varieert van 0,012 tot 0,020 – ongeveer tien keer hoger. Bij antennefrequenties vertaalt dit verschil zich rechtstreeks in minder invoegverlies en verbeterde versterking. De verliestangens van het materiaal blijft onder de 0,002 over typische draadloze banden, waardoor het geschikt is voor multibandontwerpen.

Lage PIM- en antenneprestaties.Passieve intermodulatie is een kritische specificatie voor antennes voor mobiele infrastructuur. Wanneer twee of meer signalen zich vermengen in een passieve component, genereren ze intermodulatieproducten die de ontvangstbanden verstoren. De −159 dBc van de AD250C helpt dit effect te minimaliseren, waardoor het opbrengstverlies als gevolg van PIM-gerelateerde storingen in de productie wordt verminderd.

Dimensionale stabiliteit.CTE is 47 ppm/°C in X, 29 ppm/°C in Y en 196 ppm/°C in Z. De met glasvezel versterkte constructie beperkt bewegingen in het vlak, wat van belang is voor antenne-arrays waar de afstand tussen de elementen nauwkeurig moet zijn.

Oppervlakteafwerking: waarom puur goud, niet ENIG, immersiezilver of OSP

Dit is de meest interessante ontwerpbeslissing op dit bord.

Oppervlakteafwerking op een antennebord is geen toevallige keuze. Het heeft rechtstreeks invloed op drie dingen:RF-verlies, PIM-prestaties en betrouwbaarheid op lange termijn.Laten we elke optie doornemen.

ENIG: De nikkellaag is een hoogfrequente moordenaar

De structuur van ENIG is koper → nikkel (3–6 µm) → goud (0,05–0,1 µm). De goudlaag is dun; het nikkel eronder doet het echte werk. Maar nikkel is ferromagnetisch, met een weerstand die meer dan vier keer zo groot is als die van koper.

Bij hoge frequenties duwt het skin-effect de stroom naar het geleideroppervlak. Op 28 GHz is de huiddiepte van koper slechts ongeveer 0,4 µm – en de nikkellaag van ENIG is meer dan tien keer zo groot. Het signaal wordt effectief opgevangen in een zeer verliesgevende nikkellaag. Bij metingen vertoont een 28 GHz-antenne die ENIG gebruikt een 0,7–1,2 dB lagere efficiëntie dan blank koper.

ENIG is goed voor solderen. Het is niet goed voor RF.

OSP: Geweldige RF, te korte levensduur

OSP vormt een film rechtstreeks op koper, zonder nikkellaag, waardoor uitstekende RF-prestaties worden verkregen; het verlies komt op de tweede plaats na ideaal koper. Maar het heeft twee moeilijke problemen.

Ten eerste is OSP een isolator. Als een antennebord testpunten heeft of sondecontact vereist, veroorzaakt OSP slecht contact en valse open-circuitrapporten.

Ten tweede is de houdbaarheid slechts 3 tot 6 maanden, en bij elke reflow wordt de film verbruikt. Op een dubbelzijdige montage of een bord dat meerdere thermische cycli ondergaat, begint de OSP aan de onderkant te verslechteren na de eerste reflow, en wordt de tweede soldeergang riskant. Antenneborden zijn vaak producten met een lange levensduur, en de korte levensduur van OSP komt niet overeen met die realiteit.

Immersion Silver: de beste plek voor antenneborden

Zilver door onderdompeling wordt rechtstreeks op koper afgezet, zonder nikkelbarrière, met een dikte van slechts 0,15–0,4 µm. De soortelijke weerstand van zilver is slechts iets hoger dan die van koper, dus hoogfrequente signalen reizen op een oppervlak dat dicht bij kaal koper ligt. Bij metingen is de antenne-efficiëntie van immersiezilver slechts 0,1–0,2 dB lager dan die van blank koper - veel beter dan ENIG.

De wisselwerking is opslag. Zilveraantastingen en sulfiden vereisen een gesloten, vochtgecontroleerde verpakking. Houdbaarheid is 6-12 maanden.Positie van onderdompelingszilver: RF-prestaties dichtbij blank koper, gematigde kosten, geschikt voor de meeste antennetoepassingen.

Puur goud: waarom dit bord ervoor heeft gekozen

Zuiver goud vermijdt ook het probleem van het verlies van de nikkellaag, maar de waarde ervan gaat verder.

Extreem lage PIM.Een van de belangrijkste verkoopargumenten van de AD250C is PIM vanaf −159 dBc. PIM is zeer gevoelig voor de toestand van het oppervlak: metaaloxiden, ruwe oppervlakken en ongelijksoortige metaalgrensvlakken worden allemaal niet-lineaire bronnen. Zuiver goud is chemisch inert, glad en bestand tegen oxidevorming, waardoor PIM aan de bron wordt verminderd. De nikkellaag van ENIG is zelf een ongelijksoortig metaal dat kan bijdragen aan extra niet-lineariteit; Aangetast zilver kan PIM ook aantasten.

Betrouwbaarheid op lange termijn.Antennes van basisstations werken jarenlang en worden buitenshuis ingezet vanwege thermische cycli en vochtigheid. Zuiver goud oxideert, sulfide of verkleurt niet en de contactweerstand blijft na verloop van tijd stabiel. OSP-films verslechteren na verloop van tijd en zilver wordt dof. Voor een antenne die is geïnstalleerd en met rust wordt gelaten, is de betrouwbaarheidspremie van goud de moeite waard.

Compatibiliteit met solderen en lijmen.Dit bord heeft 27 SMT-pads aan de bovenzijde en 24 doorlopende pads. Puur goud ondersteunt betrouwbaar solderen en ondersteunt ook draadverbindingen. Als een ontwerp directe chipbevestiging omvat, is puur goud een van de weinige afwerkingen die beide aankan.

De afweging is de kosten: de hoogste van de opties. Wat het koopt is het laagste PIM-risico plus de langste betrouwbaarheid.

Andere constructiedetails

4/6 mil spoor en ruimte.Voor een antennebord wordt deze resolutie doorgaans gebruikt voor het matchen van netwerken, voedingslijnen en afstemmingsstructuren. De glasversterking van de AD250C verbetert de verwerkbaarheid en maatvastheid tijdens het etsen, waardoor deze precisie haalbaar wordt.

49 via's, 2 netten.Dit is een van de interessantere details. Een hoog aantal via's met weinig netten in een antenneontwerp duidt meestal op een geaarde structuur: een via-omheining, grondvlakstiksel of een randgeaarde gleufantenne. Deze via's routeren geen signalen; ze bieden afscherming en aarding.

Het bord heeft 24 through-hole pads en 27 SMT-pads aan de bovenzijde, mengconnectoren en componenttypen. Er zijn geen SMT-pads aan de onderkant, consistent met een ontwerp waarbij de onderkant voornamelijk als grondvlak of montageoppervlak dient.

Minimale gatgrootte van 0,4 mm.Dit is eerder matig dan het best mogelijke, maar het is een verstandige keuze voor een 0,6 mm dun bord. Kleinere gaten in dun materiaal riskeren boorbreuk en ongelijkmatige beplating. De 20 μm via-plating garandeert de integriteit van de loop.

Soldeermasker en zeefdruk.Groen soldeermasker aan beide zijden, met alleen gele zeefdruk aan de bovenkant. Geen zeefdruk aan de onderkant is typisch wanneer de onderkant een grondvlak of montageoppervlak is waar markeringen geen nut hebben. Geel op groen zorgt voor een goed contrast bij montage en inspectie.

Kwaliteit en levering

Dit bord is vervaardigd volgens de IPC-Klasse-2-normen, waarbij vóór verzending 100% elektrische tests zijn uitgevoerd om de netintegriteit en isolatie te bevestigen. Het artwork werd geleverd in Gerber RS-274-X en de mogelijkheid is wereldwijd beschikbaar.

Wat dit bord ons vertelt

Deze AD250C-build is een goed voorbeeld van hoe antennekaarten verschillen van PCB's voor algemeen gebruik. De materiaalkeuze – gedreven door Dk-, Df- en PIM-vereisten – vormt de elektrische basis. De 0,6 mm dunne constructie ondersteunt compacte module-integratie. De puur gouden afwerking beschermt de geleidbaarheid van het oppervlak en minimaliseert het PIM-risico. En het hoge via-aantal bij een low-net-ontwerp weerspiegelt de geaarde structuren die typisch zijn voor antenne-indelingen.

Als u aan een antenne-ontwerp werkt en een fabrikant nodig heeft die ervaring heeft met Rogers AD250C en soortgelijke op PTFE gebaseerde laminaten, bekijken wij graag uw vereisten. Of het nu gaat om een ​​eenvoudige patchantenne of een array met meerdere elementen, het gesprek begint met uw elektrische en mechanische beperkingen.

Neem contact met ons op om uw volgende antenne-PCB-project te bespreken.