ПЕЧАТНАЯ PCB - Основные различия между высокоскоростными печатными платами и высокочастотными печатными платами

В индустрии печатных плат часто путают "высокоскоростные печатные платы" и "высокочастотные печатные платы" - оба названия содержат слово "high", и оба требуют внимания к характеристикам сигнала при проектировании, поэтому кажутся похожими. Но на самом деле разница между ними существенна. Если эти два параметра перепутать, это может привести к снижению производительности или даже к полной невозможности использования печатной платы.

Основная концепция: "Быстрый" и "высокий" имеют разные значения

Чтобы провести различие между ними, сначала необходимо уточнить, что такое "высокая скорость" и "высокая частота", соответственно, для сигналов - одно из них связано со скоростью изменения сигнала, а другое - с частотой колебаний сигнала, которые являются двумя совершенно разными стандартами измерения.

Высокоскоростная печатная плата: быстрое переключение сигналов - не зависит от частоты

Термин "высокая скорость" в высокоскоростных печатных платах относится не к высокой частоте, а скорее к высокой скорости переключения цифровых сигналов между высоким и низким уровнями (например, от 0 до 1 или от 1 до 0). Например, сигналы в процессоре компьютера или памяти мобильного телефона могут иметь частоту всего в несколько сотен мегагерц (не особенно высокую), но им требуется всего одна наносекунда, чтобы переключиться с низкого уровня на высокий - намного быстрее, чем мигание. Такого рода "быстрое переключение" может вызвать искажения и другие проблемы при передаче сигнала, и конструкция высокоскоростных печатных плат как раз и предназначена для решения этих проблем. Поскольку скорость переключения цифрового сигнала чрезвычайно высока (обычно, если время переключения составляет менее 10% от цикла передачи сигнала), независимо от его основной частоты, это относится к сценарию применения высокоскоростных печатных плат.

Рис. 2: Модель высокоскоростной печатной платы FPGA

Высокочастотная печатная плата: сигнал "часто вибрирует" - независимо от скорости переключения

Термин "высокая частота" в высокочастотной печатной плате относится к высокой частоте вибрации самого сигнала. В промышленности обычно 300 мегагерц и выше считаются "высокочастотными", а в некоторых случаях даже 100 мегагерц и выше должны рассматриваться как высокочастотные печатные платы. Эти типы сигналов в основном представляют собой аналоговые сигналы, такие как сигналы 5G или радиолокационные волны, с плавной синусоидальной формой сигнала (без резких "переключений"). Например, миллиметровая волна, используемая в базовых станциях 5G, имеет частоту 24 гигагерца или выше - очень высокую частоту вибрации, а используемая печатная плата является высокочастотной.

Рисунок 1:Модель высокочастотной платы Rogers RO4350B

Ключевым моментом здесь является "частота вибрации": даже если вибрация сигнала слабая (без резких переключений), если вибрация достаточно частая (высокая частота), это относится к сценарию применения высокочастотной печатной платы.   

 Различные цели проектирования: одна - предотвратить "ошибки сигнала", а другая - предотвратить "ослабление сигнала".

Из-за различий в характеристиках сигналов при проектировании высокоскоростных печатных плат и высокочастотных печатных плат основное внимание уделяется совершенно разным и даже прямо противоположным задачам.   

Высокоскоростная печатная плата: обеспечение четких и своевременных цифровых сигналов

Быстрое переключение цифровых сигналов во время передачи в печатной плате может привести к различным "путаницам".:

1. Резкий край сигнала может быть сглажен, в результате чего принимающая сторона не сможет различать высокий и низкий уровни.   

2. Соседние сигналы могут создавать помехи друг другу (перекрестные помехи) - когда один сигнал переключается, другой сигнал также будет соответствующим образом изменяться.   

3. Сигнал может отражаться от конца провода, образуя хаотично наложенную форму волны.   

4. Шум, создаваемый питанием или заземлением, может подавлять сигнал, делая его нечитаемым.   

Эти проблемы могут привести к путанице в "информации", передаваемой сигналом (например, 0 и 1). Если их не устранить, компьютер может выйти из строя, а телефон - зависнуть.

Таким образом, при проектировании высокоскоростных печатных плат основное внимание уделяется "обеспечению четкой информации о сигнале", и конкретные меры включают:

1. Контролируйте "сопротивление" провода: "Сопротивление" провода (аналогично сопротивлению высокоскоростных сигналов) должно соответствовать сопротивлению выходного и приемного концов микросхемы. Это все равно, что следить за тем, чтобы толщина водопроводной трубы соответствовала толщине крана, - избегать обратного потока воды и, таким образом, предотвращать отражение сигнала.   

2. Тщательно спланируйте прокладку проводов: например, провода памяти расположены "на лету", а длина дифференциальных пар PCIe (спаренных проводов) должна быть практически одинаковой (с погрешностью в пределах 5 мил). Это гарантирует, что сигнал достигает принимающей стороны одновременно, что позволяет избежать путаницы на принимающей стороне.   

3. Хорошее заземление и экранирование: использование полной "плоскости" питания/заземления (большого металлического слоя) может снизить уровень шума. Обмотайте чувствительные провода, такие как тактовые сигналы, заземляющими проводами, чтобы блокировать помехи от соседних проводов.   

4. Соответствие длины провода и скорости передачи сигнала: Если длина провода превышает 1/10 длины волны сигнала, требуется специальная конструкция "линии передачи" - в противном случае сигнал будет сильно искажен.   

Высокочастотная печатная плата: убедитесь, что аналоговые сигналы являются "сильными и концентрированными".

Высокочастотные аналоговые сигналы (особенно радиочастотные или микроволновые сигналы) имеют еще одну проблему: * * потеря и утечка энергии * *. Длина волны высокочастотных сигналов очень мала - длина волны сигнала частотой 1 ГГц составляет около 30 сантиметров, а длина волны сигнала частотой 10 ГГц составляет всего около 3 сантиметров! Когда они передаются по печатной плате, энергия теряется через плату, медную фольгу и даже зазор между медной фольгой и платой. В то же время они также могут просачиваться через края печатной платы или провода (вызывая помехи) и подвергаться воздействию внешних шумов.   

Эти проблемы могут привести к ослаблению сигнала или "загрязнению". Если их не устранить, телефон может потерять сигнал, а радар может неправильно определить расстояние.

Таким образом, при проектировании высокочастотных печатных плат основное внимание уделяется "экономии энергии и предотвращению утечек", и в число конкретных мер входят:

1. Выбирайте материалы с низкими потерями: обычная печатная плата FR-4 имеет чрезмерные потери энергии на высоких частотах. Для высокочастотных печатных плат требуются такие материалы, как Rogers RO4350 или Teconi TLY-5, которые могут снизить потери энергии при передаче сигнала.   

2. Оптимизируйте поверхность медной фольги: Высокочастотные сигналы в основном передаются по поверхности медной фольги (поверхностный эффект). Если поверхность медной фольги шероховатая, путь передачи сигнала удлиняется, а потери энергии увеличиваются. Поэтому в высокочастотных печатных платах используется сверхгладкая "низкопрофильная" медная фольга, даже покрытая серебром или золотом.   

3. Разработайте специальные проволочные конструкции: В высокочастотных сигналах используются такие структуры, как микрополосковые линии, ленточные конвейеры или копланарные волноводы. Размеры этих конструкций (ширина, толщина пластины и т.д.) точно рассчитаны для поддержания стабильности импеданса и уменьшения утечки - например, плоскость заземления копланарного волновода расположена близко к сигнальной линии, что приводит к меньшей утечке сигнала.   

4. Экранирование и герметизация: Установите металлическую крышку над высокочастотной схемой и просверлите ряд отверстий для заземления по краям печатной платы, чтобы предотвратить утечку. В некоторых печатных платах даже используются смешанные материалы - для высокочастотных деталей используются материалы с низкими потерями, а для низкочастотных деталей используется дешевый FR-4 для экономии затрат.   

3. Различные варианты материалов: "достаточные" и "индивидуальные".

Материалы являются ключом к достижению проектных целей, и выбор материалов для двух типов печатных плат также сильно отличается.

Высокоскоростная печатная плата: обычные материалы (слегка модернизированные)

Для большинства высокоскоростных печатных плат, таких как те, что используются в смартфонах, компьютерах или промышленном оборудовании, не требуются "метаматериалы" - им просто необходимо обеспечить баланс между стоимостью и базовой производительностью

1. Подложка для печатной платы: достаточно обычной "улучшенной FR-4". Например, "medium Tg FR-4" (Tg ≥ 150 °C) обладает хорошей термостойкостью при сварке, в то время как "low Dk FR-4" обладает стабильными электрическими свойствами и позволяет избежать изменения полного сопротивления. Этот тип материала имеет стоимость, аналогичную стоимости обычного FR-4 (80-150 юаней за квадратный метр), и подходит для большинства высокоскоростных сигналов (таких как PCIe 3.0/4.0, DDR4/5).   

2. Медная фольга: достаточно использовать стандартную электролитическую медную фольгу. Для передачи сигналов на сверхвысоких скоростях (таких как PCIe 5.0 и выше, со временем переключения менее 0,5 наносекунд) "низкопрофильная медная фольга" (более плавная) может уменьшить искажения сигнала.   

3. Стойкость к припою: Достаточно использовать обычные светочувствительные чернила - просто обеспечьте равномерное покрытие (неравномерная стойкость к припою изменит сопротивление).   

Более качественные материалы (например, FR-4 с низкими потерями или небольшое количество высокочастотных материалов) необходимы только в случае использования оптических модулей со сверхвысокой скоростью (например, 100 Гбит/с и выше), но стоимость остается ключевым фактором.   

Высокочастотная печатная плата: специализированные материалы (более высокая стоимость)

В высокочастотных печатных платах должны использоваться материалы, которые могут максимально минимизировать потери энергии - кратчайших путей не существует:

1. Подложка печатной платы: это должен быть материал с "низким Dk, низким Df" (Dk - диэлектрическая проницаемость, Df - коэффициент потерь). Dk должен быть стабильным (2,2-3,5, с небольшим изменением частоты), а Df должен быть ≤ 0,005 (чем выше частота, тем ниже требования - например, для миллиметровых волн требуется Df ≤ 0,002). Стоимость таких материалов, как Rogers RO4350 или Teconi TLX-8, в 5-20 раз выше, чем FR-4 (500-2000 юаней за квадратный метр).   

2. Медная фольга: В стандартную комплектацию входит "Медная фольга с чрезвычайно низким профилем" (super smooth). Для работы на сверхвысоких частотах (таких как миллиметровые волны на частоте 28 ГГц и выше) лучше использовать медную фольгу с серебряным покрытием - серебро обладает хорошей проводимостью и гладкой поверхностью, что позволяет снизить потери.   

3. Другие вспомогательные материалы: Паяльный резист должен быть "высокочастотного типа с малыми потерями" (например, solar ink SF-100), чтобы избежать дополнительных потерь энергии. Гальваническое покрытие сквозных отверстий требует использования толстого золотого покрытия - золото обладает стабильной электропроводностью, что приводит к меньшим потерям энергии в сквозном отверстии.   

Это также является причиной того, что высокочастотные печатные платы имеют более высокую стоимость - только затраты на материалы составляют 30-60% от их общей стоимости (в то время как стоимость материалов для высокоскоростных печатных плат составляет всего 10-20%).   

Сбивающий с толку момент: существует перекрытие, но не эквивалентность.

В практических приложениях эти два параметра могут частично совпадать - например, плата базовой полосы 5G содержит как высокоскоростные цифровые сигналы гигагерцового уровня, так и высокочастотные радиосигналы. Но они все равно различаются:

1. Высокоскоростные сигналы могут содержать высокочастотные компоненты: прямоугольный сигнал частотой 100 мегагерц (цифровой сигнал) может быть разложен на "гармоники", такие как 300 мегагерц и 500 мегагерц. Эти высокочастотные компоненты могут привести к потерям, поэтому при проектировании высокоскоростных печатных плат действительно необходимо контролировать материальные потери, но главной целью по-прежнему остается обеспечение четкой информации о сигнале.   

2. Высокочастотные сигналы не являются "высокоскоростными сигналами": синусоидальная волна частотой 10 ГГц (аналоговый сигнал) мягко вибрирует без резких переключений. В нем отсутствует проблема "путаницы информации", поэтому высокочастотным печатным платам не нужно обращать внимание на синхронизацию или перекрестные помехи, как высокоскоростным печатным платам.   

Сценарии применения этих двух устройств могут четко отражать их различия:

1. Высокоскоростные печатные платы: устройства, используемые для "быстрой передачи" цифровых сигналов - материнские платы компьютеров (соединение между процессором и памятью), серверные платы (связь между модулями), материнские платы смартфонов (соединение между процессорами и радиочастотными модулями) или промышленные высокоскоростные шины (такие как EtherCAT, USB 3.0)..   

2. Высокочастотная печатная плата: Оборудование, используемое для имитации передачи сигнала "на большие расстояния" - радиочастотный модуль 5G (антенна к усилителю), плата антенны радара (передача и прием радиочастотного сигнала), терминал спутниковой связи (передача высокочастотного несущего сигнала) или радиочастотный интерфейс беспроводной базовой станции (фильтрация/усиление сигнала).   

Ключ к различению между ними лежит в "характеристиках" сигнала:

Если речь идет о быстром переключении цифрового сигнала, требующем четкой передачи "информации" (без путаницы), то речь идет о высокоскоростной печатной плате - достаточно использовать обычные оптимизированные материалы. Если это аналоговый сигнал высокочастотной вибрации, который должен поддерживать прочность (без потерь/утечек), то это высокочастотная печатная плата - необходимо использовать специализированные материалы с низкими потерями.   

iPCB предлагает профессиональные и разнообразные высокочастотные и высокоскоростные печатные платы, а также профессиональный дизайн и материалы в соответствии с вашими требованиями и решениями. Добро пожаловать на консультацию.