Новости PCB - Важнейшие материалы для высокочастотных печатных плат

Материалы для печатных плат (PCB) являются важнейшими строительными блоками радиочастотных и микроволновых схем - по сути, именно с них начинаются эти схемы. Материалы для печатных плат бывают самых разных форм, и выбор материала в значительной степени зависит от требований предполагаемого применения. Например, материалы, которые надежно поддерживают высокочастотные цепи в коммерческих беспроводных устройствах, могут быстро выйти из строя при воздействии экстремальных условий эксплуатации в военных условиях. Общее представление о типе материала печатной платы и его параметрах может помочь подобрать материал для конкретного применения.

Как и многие радиочастотные/микроволновые компоненты, материалы печатных плат классифицируются и сравниваются по ряду ключевых параметров, включая относительную диэлектрическую проницаемость (Dk или er), коэффициент рассеяния (Df), коэффициент теплового расширения (CTE), постоянный тепловой коэффициент диэлектрика (TCDk) и теплопроводность. При классификации различных материалов печатных плат многие разработчики схем начинают с Dk. Значение Dk для материала печатной платы - это емкость или энергия, доступная между парой проводников, расположенных в материале очень близко друг к другу, по сравнению с той же парой проводников в вакууме.

Для создания вакуума используется эталонное значение, равное 1,0, в то время как другие диэлектрические материалы обеспечивают более высокие эталонные значения. Например, коммерческие материалы для печатных плат обычно имеют значения Dk в диапазоне от 2 до 10, в зависимости от того, как они измеряются и как часто их тестируют. Проводники из материалов с более высокими значениями Dk могут накапливать больше энергии, чем проводники из материалов с более низкими значениями Dk.

Значение Dk для материала печатной платы влияет на размер, длину волны и характеристическое сопротивление линии передачи, изготовленной из этого материала. Например, при заданных характеристическом сопротивлении и длине волны размер линии передачи, изготовленной из материала печатной платы с высоким значением Dk, будет намного меньше, чем размер линии передачи, изготовленной из материала печатной платы с низким значением Dk, даже если другие параметры материала могут отличаться. Разработчики схем, где потери являются критическим параметром производительности, часто предпочитают использовать материалы печатных плат с более низкими значениями Dk, поскольку они имеют меньшие потери, чем материалы с более высокими значениями Dk.

На практике материалы печатных плат могут терять мощность сигнала четырьмя способами: диэлектрическими потерями, потерями в проводнике, потерями при утечке и потерями при излучении, хотя диэлектрические и проводниковые потери можно лучше контролировать, выбирая материал печатной платы. Например, параметр Df позволяет сравнить диэлектрические потери различных материалов, где меньшее значение Df указывает на материал с меньшими диэлектрическими потерями.

При заданном полном сопротивлении линии передачи (например, 50 Ом) линия передачи на материале с низким коэффициентом усиления будет физически шире, чем на материале с высоким коэффициентом усиления, и более широкая линия будет иметь меньшие потери в проводнике. Эти более широкие линии электропередачи также обеспечивают более высокую производительность (и экономию производственных затрат) по сравнению с более узкими линиями электропередачи из материалов с более высокой прочносПри заданном полном сопротивлении линии передачи (например, 50 Ом) линия передачи на материале с низким коэффициентом усиления будет физически шире, чем на материале с высоким коэффициентом усиления, и более широкая линия будет иметь меньшие потери в проводнике. Эти более широкие линии электропередачи также обеспечивают более высокую производительность (и экономию производственных затрат) по сравнению с более узкими линиями электропередачи из материалов с более высокой прочностью. Однако компромисс заключается в том, что они занимают больше места на печатной плате, что может стать проблемой для конструкций, где миниатюризация имеет решающее значение.Толщина подложки печатной платы, особенно ее слоя медных проводников, также влияет на полное сопротивление линии передачи, поскольку более тонкие диэлектрические материалы и проводники приводят к уменьшению ширины проводников для поддержания требуемого характеристического сопротивления.

В материалах печатных плат для проводников обычно указывается вес меди, например, 1 унция меди толщиной 35 мкм или 2 унции меди толщиной 70 мкм. Качество этих медных проводников также влияет на потери проводимости. Медные проводники с шероховатой поверхностью будут иметь более высокие потери в проводнике, чем медные проводники с гладкими профилями поверхности.

Поддержание импеданса линии пжание имлинии передачи имеет решающее значение для многих радиочастотных/микроволновых схем, поэтому поддержание постоянного тока в узком диапазоне на печатной плате и изменение его в зависимости от температуры имеет решающее значение для достижения высокого импеданса в конструкции. В большинстве спецификаций печатных плат указывается Dk материала и его допуск по Dk, например, ±0,5.

Другой важный параметр материала, TCDk, предоставляет подробную информацию о том, насколько сильно изменяется Dk материала печатной платы в диапазоне рДругой важный параметр материала, TCDk, предоставляет подробную информацию о том, насколько сильно изменяется Dk материала печатной платы в диапазоне рабочих температур, поскольку это также влияет на полное сопротивление линии передачи. значение TCDk, равное 150 ppm/°C, может считаться высоким, в то время как значение TCDk, равное 30 ppm/°C или менее, считается очень низким. Для схем, которые должны поддерживать полное сопротивление в широком диапазоне рабочих температур, лучше всего использовать материалы печатных плат с более низкими значениями TCDk.

Помимо того, что изменения температуры влияют Помимо того, что изменения температуры влияют на Dk и полное сопротивление, они также оказывают механическое воздействие на печатную плату. CTE печатной платы - это параметр, который показывает влияние температуры на материал печатной платы. По сути, это показатель расширения/сжатия материала в зависимости от температуры, причем целевым значением является меньшее значени

Этот композит из ПТФЭ с керамическим наполнителем RT / duroid 6035HTC обладает высокой теплопроводностью для применения в мощных цепях.

Для любого имеющегося в продаже материала печатной платы индивидуальные значения CTE обычно указаны для всех трех осей (x, y и z). CTE позволяет получить представление о том, как материал печатной платы выдерживает экстремальные температуры, например, при пайке. Например, несоответствие значений CTE для материалов, используемых в многослойных конструкциях, может привести к проблемам с надежностью, поскольку размеры различных слоев схемы меняются в зависимости от температуры. Материалы печатных плат с более низкими значениями CTE обычно считаются более термостойкими, чем материалы с более высокими значениями CTE. Для использования в широком диапазоне температур материал для схем с коэффициентом теплопроводности 70 частей на миллион/°C считается достаточно прочным и должен выдерживать экстремальные температуры при изготовлении и сборке схем.

CTE материала печатной платы должен точно соответствовать CTE меди по осям x и y, чтобы свести к минимуму изменение механических напряжений в зависимости от температуры. Кроме того, CTE материала схемы по оси z дает представление об ожидаемой надежности сквозных отверстий с гальваническим покрытием (PTHS), которые будут выполнены в диэлектрическом материале, поскольку эти просверленные отверстия покрыты медью. В идеале диэлектрический материал и медь должны расширяться и сжиматься в зависимости от температуры аналогичным образом, чтобы обеспечить высокую надежность ПТГ. 

Отвод тепла в радиочастотных/микроволновых цепях, особенно в конструкциях с высокой мощностью, является важной функцией, характеризующейся теплопроводностью печатной платы. Хотя стандартные материалы печатных плат могут иметь теплопроводность 0,25 Вт/м/К, в материал печатных плат обычно добавляют наполнители для увеличения теплопроводности до более благоприятных значений (а также для лучшего отвода тепла). Например, RO4350B, углеводородно-керамический печатный материал Rogers, уже давно является надежным строительным материалом для высокочастотных применений, включая автомобильные системы и системы сотовой связи.

RO4350B не изготовлен на основе PTFE, но имеет относительно низкую Dk по оси z - 3,48 ± 0,05 при частоте 10 ГГц, TCDk +50 мкм/°C и коэффициент рассеяния 0,0037. Он обладает достаточно хорошей теплопроводностью - 0,69 Вт/м/К. Напротив, RT/durroid 6035HTC, также производимый компанией Rogers, представляет собой композитный материал из ПТФЭ с керамическим наполнителем, специально разработанный для мощных высокочастотных цепей, с Dk 3,50 ± 0,05 и TCDk +50 ppm/°C. Он обладает низким коэффициентом рассеивания - 0,0013. Он обладает отличной теплопроводностью с типичным значением 1,44 Вт/м/К.

T

здесь представлен широкий ассортимент материалов, используемых в печатных платах RF/microwave, от недорогих материалов FR-4 до дорогих материалов на основе PTFE. Печатные платы, изготовленные из материалов FR-4, по сути, представляют собой эпоксидные ламинаты, армированные стеклом, в то время как материалы из ПТФЭ обычно армируются стекловолокном или керамическими наполнителями (хотя также используются и чистые печатные платы на основе ПТФЭ). Разница в эксплуатационных характеристиках между этими двумя экстремальными материалами указывает на необходимость компромисса между стоимостью и производительностью печатных плат, а также между простотой обработки FR-4 и сложностью обработки материалов из ПТФЭ.

Отличная производительность схем обычно достигается высокой ценой, хотя многие поставщики материалов для печатных плат вложили значительные усилия в разработку различных композитных материалов с различными значениями Dk для использования в различных областях радиочастотного/микроволнового применения.