Новости PCB - Эффект стекловолокна в материалах печатных плат на миллиметровых частотах

Как правило, наиболее распространенным методом повышения прочности материалов печатных плат является добавление стекловолокна/ткани к диэлектрическому слою печатной платы (PCB). Даже для самых тонких печатных плат после добавления стекловолокна прочность может быть повышена. Но какой ценой? Каковы компромиссы в отношении производительности? Стекло обладает своими собственными свойствами материала, так как же оно влияет на электрические характеристики схемы в сочетании с диэлектрическими материалами и поверхностной медной оболочкой, из которых изготовлена высокочастотная печатная плата? В этом блоге мы попытаемся получить представление о влиянии стекловолокна на высокочастотные печатные платы, особенно на печатные платы миллиметрового диапазона. Это связано с тем, что печатные платы миллиметрового диапазона становятся все более важными в новых автомобильных радарных системах (77 ГГц) и системах сотовой беспроводной связи пятого поколения (5G).

Благодаря смешиванию и переплетению стеклянных волокон с различными смолами, из которых состоитматериал печатных плат, прочность и долговечность печатных плат, изготовленных таким образом, будет значительно повышена. Когда требуется высокая механическая прочность, ее можно достичь, смешав один или несколько слоев стеклоткани с диэлектрической подложкой и керамическими материалами в качестве наполнителей. В ламинатах Rogers RO4830 используется такой подход. Однако стекловолокно обычно представляет собой тканые структуры, которые обладают более высокой диэлектрической проницаемостью (Dk), чем диэлектрические материалы (и керамические наполнители). Материалы с различными значениями Dk обычно распределяются неравномерно на протяжении всего процесса смешивания, что приводит к различным размерам и периодическим колебаниям Dk на небольшой площади материала печатной платы. На радиочастотных и микроволновых частотах это изменение Dk может быть не столь важным, но на миллиметровых частотах, где длины волн меньше, оно может иметь больший эффект.

Такое влияние стекловолокна на характеристики печатных плат известно как эффект стекла (GWE) или эффект волокна (FWE).Стекловолокно является армирующей частью материала печатных плат и действительно помогает создавать чрезвычайно тонкие и прочные материалы для печатных плат. Более тонкие материалы имеют очевидные преимущества для применений, требующих компактной упаковки, и они хорошо подходят для высокочастотных схем с малой длиной волны, таких как печатные платы миллиметрового диапазона с частотой 28 ГГц или выше.

В идеале материалы для печатных плат должны включать комбинацию стекловолокна и медной фольги для достижения стабильных эксплуатационных характеристик. Стеклянные волокна используются не только в миллиметровом диапазоне волн, но и в высокоскоростных цифровых схемах, что приводит к задержкам передачи и искажениям между соседними сигналами, а также к разнице во времени (что приводит к увеличению частоты битовых ошибок). Этот блог будет посвящен тому, как эффект стекловолокна GWE влияет на частоту 77 ГГц и другие схемы с миллиметровыми волнами.

Распознавание изменений

На частотах миллиметрового диапазона даже небольшие изменения в Dk материала печатной платы могут привести к изменениям электрических свойств, таким как задержка сигнала и разница в фазе линии передачи. Для более тонких схем стекловолокно не только повышает прочность, но и значительно повышает Dk по сравнению с окружающим диэлектрическим материалом. стекловолокно имеет Dk около 6,0, в то время как диэлектрический материал имеет Dk около 2,1-2,6, что в совокупности составляет Dk около 3,0. стекловолокно/ткань, используемые для изготовления высокочастотных печатных плат, обычно не имеют идеальной сетки и могут деформироваться из-за транспортировки и обращения с ними до изготовления материала для печатных плат. Стекловолокно/ткань, используемые для изготовления высокочастотных печатных плат, обычно не являются идеальной решеткой и могут деформироваться при транспортировке и обращении с ними до изготовления материала печатных плат.

Кроме того, прокладка схемы на высокочастотном материале печатной платы может привести к тому, что эффект стекловолокна в большей или меньшей степени повлияет на производительность всей схемы. Стеклоткань изготавливается путем переплетения стекловолокон по образцу, который имеет следующие характеристики: на небольших участках материала печатной платы некоторые участки будут иметь переплетенные слои из стекловолокна, но на некоторых участках будут промежутки, где стекловолокна отсутствуют. Различия в эксплуатационных характеристиках линии электропередачи должны возникать в этих различных областях переплетения стекловолокна. Области с большим количеством стекловолокна называются узловатыми, а области с меньшим количеством стекла - открытыми. Области с узловатыми узлами имеют более высокие значения Dk, чем открытые участки с меньшим количеством стекловолокна. Из-за такого сочетания материалов плит линия электропередачи может проходить через участки с высоким содержанием стекловолокна, участки без стекла или через обе области одновременно по пилообразной схеме, что может привести к значительным различиям в значениях Dk в областях, где проходит одна и та же линия электропередачи. проходит насквозь.

Поскольку эффект стекловолокна становится все более значительным по мере увеличения частоты или при более высоких скоростях передачи цифровых данных, разработчики материалов для печатных плат стараются свести к минимуму эти эффекты, используя различные типы стекловолокон и рисунки. В схемах миллиметрового диапазона в качестве материалов для печатных плат обычно используются следующие типы стекловолокна: Стеклоткань с открытым концом 106, стеклоткань с открытым концом 1080 и плоская стеклоткань с открытым концом 1078. Все три вида стекловолокна относительно тонкие, здесь сбалансированное вязание относится к расположению стекловолокна по оси X стеклянной основной нити и по оси Y - к соотношению толщины и плотности уточной нити. Пучки стекловолоконных нитей и открытые участки между ними могут иметь различную геометрию, но толщина стекловолоконных нитей определяет, сбалансированы они или нет. Стеклоткань 1078 имеет плоскую структуру с открытой волокнистой оплеткой и равномерно распределена в материале, без открытых участков волокон, в то время как стеклоткани 106 и 1080 - это разные материалы, с отверстиями в стекловолокнах между оплетками друг друга.

Разница в 77 ГГц

Исследование различных материалов печатных плат из стеклоткани показало, что характеристики цепей линий электропередачи, расположенных в разных местах соединения стекловолокна и в местах раскрытия жгутов, могут существенно различаться. Измерения проводились на схемах, изготовленных из трех типичных материалов для печатных плат из стеклоткани, описанных выше. Чтобы свести к минимуму влияние шероховатости медной фольги за счет использования каландрированной меди в качестве материала, для измерений сетевым анализатором были выбраны схемы по площади пересечения стыков и площади раскрытия жгута, соответственно. Измеряемые параметры включают групповую задержку, задержку распространения и характеристику фазового угла для каждой цепи, а также результирующие различия в производительности, позволяющие получить представление о том, как различные стеклянные волокна и различные конфигурации стеклянной оплетки приводят к различным значениям Dk в цепях.

Для этого эксперимента был использован материал из политетрафторэтилена (PTFE) толщиной 4 мил, рулонная медь без наполнителя и комбинация трех различных стеклотканей, упомянутых выше. Материал печатной платы, стеклоткань типа 1078, имеет плоскую, сбалансированную конфигурацию, которая сводит к минимуму разницу между ориентацией области поперечного сечения жгута по отношению к схеме и ориентацией области отверстия жгута. Тесты показали, что схемы, изготовленные из этого материала - стекловолоконной платы типа 1078, имеют разность фаз всего в 20 градусов на частоте 77 ГГц.

Как соотносятся два других стекловолокна? Точно такой же ламинированный медный материал толщиной 4 мил без наполнителя из ПТФЭ, с использованием стекловолокна 106 типа с открытым переплетением, сбалансированной структурой, частотой 77 ГГц, при средней разнице фазовых углов между направлением перекрестного сечения пучка и открытым участком пучка, равной 100 градусам. В этой же схеме используются материалы стеклоткани типа 1080, которая имеет открытое переплетение, несбалансированную структуру, при этом средняя разница фазовых углов в цепи на частоте 77 ГГц составляет 149 градусов.

Каково изменение Dk материала печатной платы из-за этих различий, вызванных эффектом стекловолокна? Результаты для тех же схем, что и приведенные выше, показывают, что для схемы, использующей стеклотканевый материал типа 1078, разница между схемами в области пересечения шарниров и схемами в области открытия луча соответствует изменению Dk примерно на 0,02. При использовании стеклотканевого материала типа 106 разница в Dk больше и составляет 0,09, в то время как максимальная разница в Dk для схемы, использующей стеклотканевый материал типа 1080, достигает 0,14.

В ламинатах circuit, изготовленных с использованием одного слоя стекловолокна, эффект стекловолокна более выражен, чем в многослойных ламинатах, поскольку равномерная укладка нескольких слоев стекловолокна приводит к более равномерному распределению стекла. Для схем миллиметрового диапазона, где длины волн невелики, а сами схемы обычно очень тонкие, а материал обычно армирован только одним слоем стекловолокна, на производительность схем в этом случае в большей степени повлияет эффект стекловолокна. Ламинаты с наполнителями (например, керамика) с этим дополнительным материалом (Dk которого находится между значением Dk стекла и значением Dk полимерной системы), хотя и не устраняет полностью эффект стекловолокна, в определенной степени сделает Dk материала печатной платы более однородным, чтобы свести к минимуму влияние эффекта стекловолокна на высоких частотах. Например, ламинат Rogers RO4830 - это именно такой материал для контуров, состоящий из 1078 плоских открытых стеклотканей и керамического наполнителя.

Кроме того, ламинат Rogers RO3003, который не содержит стеклоткани, является одним из популярных материалов для печатных плат миллиметрового диапазона. Это материал для печатных плат с керамическим наполнителем, имеющий Dk 3,00 и допуск по Dk 0,04. Такое соответствие Dk имеет решающее значение для схем миллиметрового диапазона, а также дифференциальных пар в высокоскоростных цифровых схемах.

Удаление стекловолокна

Один из способов полностью избежать эффекта стекловолокна - использовать материалы для печатных плат без стекловолокна/ ткани. Особенно для автомобильных радарных схем, например, использующих миллиметровые волны 77 ГГц, гораздо лучше использовать высокочастотные материалы для печатных плат без стекловолокна, чем использовать материалы, усиленные стекловолокном. Недавно выпущенные компанией Rogers печатные ламинаты RO3003G2, которые также не содержат стеклоткани, были протестированы и показали очень стабильные эксплуатационные характеристики, такие как постоянное сопротивление микрополосковых линий на платах на миллиметровых частотах.

Говоря об изменениях импеданса, другие параметры материала или схемы, такие как изменение ширины проводника, толщины меди и подложки, также могут вызывать изменения импеданса линии передачи. Однако недавно выпущенный высокочастотный материал RO3003G2 полностью устраняет влияние стекловолокна, которое приводит к изменению полного сопротивления цепи или производительности, что имеет решающее значение на частотах 77 ГГц и выше.

Примечание: Этот блог основан на оригинальном авторском отчете о вебинаре, посвященном обзору влияния стеклянного переплетения на производительность печатных плат миллиметрового диапазона.