Технология RF цепей - Как выбрать подходящую радиочастотную печатную плату?

Материалы для высокочастотных печатных плат обеспечивают наилучшие электрические и механические характеристики высокочастотных печатных плат благодаря постоянному и тщательному использованию сырья.За прошедшие годы было разработано множество различных комбинаций рецептур для изготовления материалов для высокочастотных печатных плат.Благодаря этим усилиям появилось множество материалов для печатных плат, отвечающих более широкому спектру высокочастотных применений и более высоким требованиям к производительности.

PTFE PK FR-4 - это выбор между высоким качеством и низкой ценой.

Для пользователей высокочастотных печатных плат наиболее известным материалом для высокочастотных печатных плат является политетрафторэтилен, который также известен как PTFE.Это термопластичный фторполимер, синтезированный из углерода и фтора.Благодаря своей высокой молекулярной массе и низкому коэффициенту трения этот материал часто используется для создания "антипригарных" поверхностей, что является основной причиной его широкого применения. ПТФЭ обладает диэлектрической проницаемостью (Dk), равной 2,1, и превосходными диэлектрическими характеристиками на сверхвысоких частотах.

ПТФЭ уже давно используется в качестве "строительного материала" для высокочастотных СВЧ-панелей.Чтобы удовлетворить различные потребности инженеров-проектировщиков высокочастотных схем, его можно смешивать с другими сырьевыми материалами для достижения цели изменения его электрических и механических характеристик. Например, добавление армированной стеклоткани к контурным материалам из ПТФЭ может повысить их механическую стабильность. Добавленный материал из стеклоткани увеличит значение диэлектрической проницаемости материала печатной платы, а также снизит эффективность расширения материала (коэффициент расширения материала зависит от температуры), тем самым улучшая соответствие коэффициента теплового расширения (КТР) материала печатной платы и поверхностного медного проводника. В высокочастотных пластинах из ПТФЭ можно также использовать керамические наполнители для получения более высоких значений диэлектрической проницаемости и точной настройки других характеристик материала, таких как значения CTE.

В последнее время выбор материалов высокочастотных плат для высокочастотных тонкопленочных схем практически стал для инженеров-схемотехников выбором "или-или": использовать материалы для схем FR-4 с более низкой стоимостью изготовления или использовать высокочастотный ПТФЭ с более высокой производительностью (что означает более высокую стоимость). плата (в случае высокой частоты используйте толстопленочную схему на основе глиноземокерамической подложки). FR-4 на самом деле обычно относится к серии схемных материалов на основе огнезащитной эпоксидной смолы, армированной стеклотканевым волокном. Этот материал пользуется популярностью у Flowserve из-за его низкой стоимости и простоты обработки схем, но его электрические характеристики сильно ухудшаются на более высоких частотах (обычно выше 500 МГц). Поэтому многие инженеры-схемотехники определили свою собственную "предельную частоту". Ниже этой частоты используйте FR-4, и наоборот, выше этой частоты среза используйте высокочастотную плату из ПТФЭ.

Несмотря на то, что ПТФЭ получил всеобщее признание и давно зарекомендовал себя в области применения в высокочастотных схемах, материал ПТФЭ является лишь одним из многих "элементов" высокочастотных радиочастотных плат, доступных в настоящее время. Существуют и другие термопластичные материалы, такие как полифениленовый эфир (PPE), эпоксидные смолы на основе полифениленоксида (PPO) и углеводородные термореактивные материалы с керамическими наполнителями. Некоторые высокочастотные и высокоскоростные приложения стимулировали разработку других, более оригинальных материалов для высокочастотных радиочастотных плат, таких как жидкокристаллические полимерные материалы (LCP) для гибких схем и простые полиэфиры для чрезвычайно высоких рабочих температур (приблизительно +200°C), термопластичный материал эфиркетон (PEEK). На самом деле, для схем, применяемых на сверхвысоких частотах, разнообразие материалов печатных плат, по-видимому, увеличивается с совершенствованием технологий, но новые усовершенствования материалов в основном направлены на некоторые ключевые характеристики печатной платы (PCB), включая диэлектрическую проницаемость (Dk), коэффициент потерь (Df), коэффициент теплового расширения (CTE), коэффициент термической стабильности диэлектрической проницаемости (TCDk), характеристики теплопроводности, водопоглощения и длительного старения и т.д.

высокочастотная печатная плата

Сравнение состава материалов высокочастотных радиочастотных плат

В чем различия в составе этих различных высокочастотных материалов? Во-первых, стоит отметить, что не все материалы из ПТФЭ созданы одинаковыми. Ранние материалы из ПТФЭ для изготовления высокочастотных пластин были армированы стеклотканью для снижения коэффициента теплового расширения (КТР), присущего ПТФЭ. Характеристики высокочастотных радиочастотных плат из ПТФЭ дополнительно улучшаются за счет добавления в состав материала стекловолокна из микрофибры, такого как печатная плата из ПТФЭ-стекловолокна RT/durroid 5880 от Rogers Corporation. Кроме того, благодаря добавлению специальных керамических материалов в качестве наполнителей, характеристики высокочастотных пластин из ПТФЭ еще более улучшаются. Он не только изменяет первоначальную диэлектрическую проницаемость (Dk), но и изменяет некоторые другие свойства материала, что облегчает его обработку при изготовлении печатных плат.

Например, керамический материал печатной платы Rogers RT/durroid 6002 из ПТФЭ - это материал из ПТФЭ, но он не содержит стекловолокна. Благодаря добавлению специальных керамических наполнителей диэлектрическая проницаемость этого материала из ПТФЭ была увеличена до 2,94 при высокой степени постоянства (в пределах ±0,04), а также при низком Df (0,0012) и значении CTE по оси Z, очень близком к меди, благодаря характеристикам коэффициента расширения, надежности из этого виа лучше. Фактически, в процессе добавления керамических наполнителей к материалам из ПТФЭ конечное значение диэлектрической проницаемости материала может быть "точно настроено", что позволяет изготавливать эту высокочастотную пластину из ПТФЭ с различными значениями диэлектрической проницаемости.

В ходе экспериментов было установлено, что керамические наполнители также можно использовать для точной настройки значения диэлектрической проницаемости материалов для схем, отличных от ПТФЭ, таких как термореактивные углеводородные высокочастотные пластинчатые материалы серии TMM компании Rogers. Добавляя различные количества и типы керамических наполнителей, высокочастотные пластины TMM могут достигать значений диэлектрической проницаемости от 3 до 13. Хотя этот полимерный материал легче поддается обработке, чем высокочастотные платы из ПТФЭ, он также создает некоторые другие проблемы при обработке схем, поскольку не армирован стеклотканью. Чтобы преодолеть эти трудности, компания Rogers представила материал для печатных плат RO4350B, который также основан на углеводородной смоле с керамическими наполнителями, но также армирован стеклотканью. Таким образом, углеводородный керамический материал RO4350B обладает хорошей CTE и температурной стабильностью, сохраняя при этом те же характеристики простоты обработки печатных плат, что и высокочастотные платы на основе углеводородов (не из ПТФЭ).

Многие из новейших материалов включают в себя высокочастотные ВЧ-панели из термореактивных углеводородов PPE и PPO, которые часто армируются стеклотканью для повышения их механической прочности. Как упоминалось ранее, этот материал обладает уникальными преимуществами, такими как простота обработки и улучшенные свойства при длительном старении. Но по сравнению с материалами на основе ПТФЭ и углеводородными высокочастотными пластинами с керамическим наполнителем, эти новые материалы имеют более низкие значения диэлектрической проницаемости (Dk), а диэлектрические потери (Df) резко возрастают с увеличением частоты.

Выбрав материалы для высокочастотных радиочастотных плат с различными рецептурами, можно, вероятно, сделать вывод о некоторых различиях в выборе материала. Например, о том, добавляется ли в материал стеклоткань и специальные керамические наполнители. Добавление специальных керамических наполнителей к материалу из ПТФЭ помогает улучшить характеристики параметров CTE и Dk; добавление керамических наполнителей также может увеличить значение Dk высокочастотной пластины из ПТФЭ в более широком диапазоне (приблизительно от 3 до 10). Без керамических наполнителей ПТФЭ обеспечивает лучшие характеристики потерь (низкий Df), но имеет более низкие показатели CTE и Dk по сравнению с материалами с керамическими наполнителями. Как правило, высокочастотные платы PTFERF с более высокими значениями Dk будут демонстрировать более высокие значения Df и станут более анизотропными с увеличением Dk.

Углеродные ВЧ-пластины с керамическим наполнителем, армированные стеклотканью, как правило, обладают лучшими CTE, Dk и теплопроводностью, чем материалы из ПТФЭ, но более высоким Df (что означает большие потери), чем материалы из ПТФЭ. Линейные материалы из СИЗ и PPO, как правило, имеют более высокие значения Df, чем линейные материалы из ПТФЭ, и примерно такие же, как у углеводородных материалов на частотах 10 ГГц или менее. Материалы для печатных плат PPE и PPO обладают некоторыми особыми свойствами, такими как отличная стойкость к длительному старению, но они лучше впитывают воду, чем другие типы высокочастотных радиочастотных плат.

Перед инженерами-проектировщиками радиочастотных систем сегодня как никогда широк выбор высокочастотных плат, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы. Процесс выбора часто можно ускорить и упростить, уточнив конкретные требования к применению.