Новости PCB - Рекомендации по выбору материала печатной платы для 5G

С развитием Интернета вещей (IoT) и растущим разнообразием контента мобильного Интернета люди предъявляют все более высокие требования к скорости передачи данных и качеству обслуживания в сетях мобильной связи, а технология беспроводной мобильной связи пятого поколения (5G) появилась и быстро развивается.В то же время 5G также проникнет в различные другие отрасли промышленности, и глубоко интегрироваться с промышленными объектами, медицинским оборудованием и транспортными сетями для эффективного удовлетворения разнообразных бизнес-потребностей промышленной, медицинской и транспортной отраслей и реализации истинного “Интернета всего”.

Высокочастотные миллиметровые волны обладают значительными преимуществами в области связи 5G, такими как достаточная полоса пропускания, миниатюрные антенны и оборудование, а также более высокий коэффициент усиления антенны. США Федеральная комиссия по связи (FCC) планирует использовать четыре высокочастотных диапазона для 5G, включая три лицензированных диапазона (28 ГГц, 37 ГГц и 39 ГГц) и один нелицензированный диапазон (64 ГГц-71 ГГц) и т.д.Однако найти высокопроизводительные и доступные по цене печатные платы в этих диапазонах является большой проблемой.Поэтому важно понимать ключевые параметры и характеристики материалов печатных плат и выбирать материалы печатных плат, которые подходят для использования в диапазонах частот, используемых в технологии 5G.

Потеря

Поскольку схемы предназначены для работы в высокочастотном миллиметровом диапазоне волн, особенно важно предвидеть потери в цепи и контролировать их.В высокочастотных линиях передачи и высокочастотных печатных платах вносимые потери состоят из диэлектрических потерь, потерь в проводниках, потерь на излучение и потерь на утечку и представляют собой сумму различных составляющих потерь.Понимание этих составляющих очень полезно при проектировании схем.Однако высокочастотные материалы печатных плат, как правило, обладают большим сопротивлением корпусу, поэтому потери при радиочастотной утечке очень малы и ими можно пренебречь.

Компания Rogers разработала прикладное программное обеспечение MWI для моделирования различных компонентов вносимых потерь, которое можно загрузить с домашней страницы Rogers. Он основан на методе определения импеданса и потерь микрополосковой линии передачи, предложенном Хаммерстадом и Дженсоном, и испытания показали, что программное моделирование с высокой точностью соответствует измеренным значениям.

Потеря радиации

Как видно из рис. 1, общие вносимые потери в микрополосковой линии при сопротивлении 50 Ом зависят от частоты и толщины схемы. Чтобы избежать нежелательных узоров (высоких потерь излучения) в микрополосковой линии, следует выбрать пластину толщиной менее определенного значения в соответствии с выбранным DK.Например, в случае 4350B для достижения незначительных потерь излучения следует использовать толщину, составляющую менее 1/80 длины волны в свободном пространстве. Однако более тонкие диэлектрики с меньшей шириной линий и более высокой напряженностью электрического поля приведут к большим потерям в проводнике, а шероховатость медной фольги окажет большее влияние на потери в проводнике и эквивалентную диэлектрическую проницаемость.Шероховатость медной фольги также оказывает большее влияние на потери в проводнике и эквивалентную диэлектрическую проницаемость.Поэтому более гладкая медная фольга предпочтительнее для применений, где требуются меньшие потери.Это будет описано ниже.Когда потери излучения являются конструктивной проблемой и использование микрополосковых линейных схем нецелесообразно, Линии передачи GCPW могут быть эффективны для минимизации потерь излучения.С другой стороны, любое несоответствие импеданса в линии передачи обычно сопровождается некоторым количеством энергетического излучения.Несоответствия импедансов часто встречаются в радиочастотных микроволновых печатных платах и тесно связаны с конкретной конструкцией схемы, а также с контролем плотности и толщины материала печатной платы.Выбор материалов с жестко контролируемыми размерами и толщиной позволяет свести к минимуму несоответствие из-за различий в допусках к материалам, тем самым снижая потери излучения.

Fig. 1 Comparison of microstrip line insertion loss and components of DK 3.66, 1oz of the same material at different thicknesses

Copper foil roughness

Usually during PCB substrate processing,the surface of Cu foil is roughened to improve its bonding with the PCB dielectric material.However,a rougher copper foil surface will result in higher conductor loss, and the conductor loss will increase significantly as the frequency rises,which is caused by the skinning effect of the circuit. In general, the effect of surface roughness becomes significant when the circuit operating frequency corresponds to a trend depth less than or equal to the surface roughness of the copper foil.In the millimeter wave band, the trend depth is usually smaller than the surface roughness of the copper foil, e.g. 0.30um at 50GHz.

The surface roughness of copper foils can be measured in a variety of ways and units of measurement,and is usually expressed in terms of Root Mean Square Rq or RMS.By observing three types of copper foils (standard electrolytic copper, reverse processed copper,and calendered copper) under an electron microscope with the same magnification (7000x),the surfaces of the different copper foils exhibit completely different particle and roughness characteristics,as shown in Fig. 2. It is easy to find that the surface roughness of the standard electrolytic copper foil is higher, and the particles and contours are larger and deeper,while the surface roughness of the rolled copper foil is very small, and the particles and contours are very small,and the reversed process copper foil is in between the two.

Fig. 2 Comparison of surface roughness of different copper foils at 1/2oz thickness

By using Vececo's Wyko® NT1100 Optical Surface Profile Tester to measure the surface roughness value of copper foils, the root mean square value of the surface roughness of the above copper foils is 2.2um for standard electrolytic copper, 1.2um for a certain type of inverted copper, and 0.4um for calendered copper, by using different types of copper foils on the same material as that used for Rogers RO3003, the insertion loss is compared as shown in Fig. 3. A comparison of insertion loss for the same circuit using different types of copper foils on the same material as Rogers RO3003 is shown in Figure 3. The Rogers RO3003 material already has very low insertion loss characteristics using 1/2oz standard electrolytic copper, but the insertion loss is even lower using smooth 1/2oz rolled copper. This further illustrates that the smoother the surface of the copper foil selected, especially in the millimeter wave band,the more favorable the insertion loss reduction of the circuit.

Рисунок 3: Сравнение вносимых потерь в одной и той же схеме на основе различных типов медной фольги из материала RO3003 толщиной 5 мил

Процесс обработки поверхности

Конечная обработка поверхности в процессе обработки схемы также влияет на потери в цепи, особенно в высокочастотном миллиметровом диапазоне волн. Различная обработка поверхности по-разному влияет на потери на печатной плате, которые более выражены в широкополосных и высокочастотных микроволновых цепях. Электропроводность большинства печатных плат ниже, чем у медной фольги. Чем ниже электропроводность, тем выше потери в проводниках и, следовательно, тем выше вносимые потери в цепи.

Для высокочастотных цепей существует множество различных вариантов отделки поверхности, в том числе безэлектродная никель-золотая (ENIG), органическая паяльная маска (OSP), безэлектродная никель-палладиево-золотая (ENIPIG) и паяльная маска для пайки. Например, ENIG (безэлектродное нанесение никеля на золото) - это метод химического обмена, при котором на поверхность медного проводника печатной платы наносится никелевое покрытие, а затем тонкий слой золота. Обычно толщина никелевого покрытия ENIG составляет около 5 мкм, а золотого - около 0,2 мкм. Золото является очень хорошим проводником, но тонкий слой золота обычно впитывается в место пайки и исчезает, когда компонент припаивается к линии передачи печатной платы или подводящему проводу.

Из-за эффекта обезжиривания в высокочастотных диапазонах ток будет проходить по поверхности проводника и полностью покроет как слои никеля, так и золота. Поскольку никель обладает меньшей электропроводностью, чем медь, в цепях, использующих обработку поверхности ENIG, будут наблюдаться более высокие вносимые потери, чем в цепях, использующих чистую медь. RT/duriod® 6002 - это высоконадежный материал, используемый компанией Rogers для аэрокосмической промышленности, спутниковой связи и т.д., а продукт RO3003 - это коммерческий материал с практически такими же свойствами. Характеристики вносимых потерь одних и тех же микрополосковых схем, изготовленных с использованием различных методов обработки поверхности из каландрированной меди толщиной 5 мил RT/duriod 6002, были протестированы и сравнены, как показано на фиг. 4. Можно видеть, что ENIG обладает самыми высокими вносимыми потерями, в то время как потери при нанесении органической паяльной маски и химически погруженного серебра в основном сопоставимы с потерями при нанесении чистой меди.

Рис. 4. Материал на основе 1/2 унции каландрированной меди толщиной 5 мил RT/duriod® 6002 (RO3003)

Сравнение вносимых потерь при различных вариантах отделки поверхности

Терморегулирование

При подаче высокочастотных/микроволновых радиосигналов на печатные платы неизбежно выделяется определенное количество тепла из-за самой схемы и износа материалов, из которых она изготовлена. Применение оборудования 5G не только приводит к увеличению частоты использования, но и к миниатюризации оборудования, что неизбежно приводит к выделению еще большего количества тепла. Правильное терморегулирование схем и понимание тепловых характеристик печатных плат могут помочь избежать ухудшения производительности и надежности схем из-за высоких температур.

Тепловое моделирование

Простое представление базовой тепловой модели контура и модели профиля теплового потока микрополосковой линии показано на рисунке 5. В микрополосковой схеме верхняя сигнальная плоскость является источником тепла в схеме, а нижняя плоскость заземления - низкотемпературной областью или плоскостью рассеивания тепла, при этом диэлектрический материал заполняет пространство между двумя плоскостями.В тепловой модели тепло будет передаваться из сигнальной плоскости через материал в низкотемпературную область заземляющей плоскости для обеспечения рассеивания тепла. Хотя фактический процесс тепловыделения в микрополосковой схеме сложен, это допущение приемлемо для простой тепловой модели. В уравнении теплового потока k - система теплопроводности материала, A - площадь источника тепла, L - толщина материала и (TH-TL) - разница температур между верхней и нижней частями. Уравнение теплового потока и тепловая модель объясняют, что лучшего отвода тепла и управления им можно добиться, выбрав материалы для контуров с высокой теплопроводностью и малой толщиной.

Рис. 5: Базовая тепловая модель схемы

На рисунке (слева) показана базовая тепловая модель, а на рисунке (справа) показана модель теплового профиля микрополосковой схемы

Регулирование температуры

Разработчики обычно оценивают повышение температуры с точки зрения эффективности схемы и потерь, но диэлектрик печатной платы, как ближайший проводник тепла к источнику тепла, является той частью, которая оказывает большее влияние на повышение температуры. Как показано на рис. Как показано на рис. 6, с помощью моделирования мы можем обнаружить, что метод снижения повышения температуры за счет снижения значения Df обычно используемой платы не так эффективен, как метод выбора более высокой теплопроводности (TC). Хотя диэлектрические потери в различных материалах в конечном итоге влияют на вносимые потери схемы, что приводит к при различном тепловыделении теплопроводность материала более чувствительна к изменению температуры, чем у самого материала.Для того же значения теплопроводности, например 0,4 Вт/м/К, повышение температуры, вызванное диэлектрическими потерями Df с 0,001 до 0,004, составляет всего около 0,22°C/Вт. Однако даже для материала с Df, равным тем же 0,001, изменение теплопроводности с 0,2 Вт/м/К до 1,5 Вт/м/К может привести к увеличению теплопроводности с 0,2 Вт/м/К до 0,4 Вт/м/К.K приводит к снижению температуры на 0,82°C/Вт. Если входная мощность схемы составляет 50 Вт, то температуру можно снизить на 0,82°C/Вт. Если входная мощность схемы составляет 50 Вт, то температуру можно снизить примерно на 40°C.

Рис. 6. Моделирование повышения температуры при изменении Tc и Df

В дополнение к теплопроводности материала, некоторые другие параметры материала также влияют на управление температурой. Чтобы лучше понять факторы, влияющие на тепловые характеристики печатных плат, в таблице 7 приведены результаты изменения температуры для печатных плат, изготовленных из различных материалов, различной толщины материала, коэффициентов потерь, коэффициентов теплопроводности, шероховатости медной фольги и вносимых потерь. В таблице приведены справочные данные для сравнения тепловых эффектов различных материалов контура.Разница между № 1 и №. 2 контура - это толщина контуров, поэтому изменение толщины материала печатной платы приведет к различиям в повышении температуры. Чем меньше толщина, тем короче путь отвода тепла и тем ниже повышение температуры при одинаковых условиях.Сравнивая схему № 2 со схемой № 3, можно отметить, что разница заключается главным образом во вносимых потерях, вызванных различной шероховатостью медной фольги. Чем меньше шероховатость поверхности медной фольги, тем меньше вносимые потери и тем меньше повышение температуры;

Материал схемы 4 - FR-4, который практически не используется в микроволновом/миллиметровом диапазоне волн.В качестве примера можно видеть, что FR-4 имеет ряд недостатков, таких как высокие диэлектрические потери, потери в проводнике и низкая теплопроводность, что приводит к самым высоким вносимым потерям в той же цепи, что приводит к значительному увеличению повышения температуры.Схема 5 основана на материале Rogers RT/duroid6035HTC, который обладает высокой теплопроводностью до 1,44 Вт/м/К, что обеспечивает наилучшие характеристики теплопроводности, и в то же время имеет очень низкий коэффициент потерь, самые низкие вносимые потери, и самое низкое повышение температуры при той же входной мощности, что делает его очень подходящим для применения в микроволновых печах высокой мощности.

Рис. 7. Сравнение результатов термического испытания при различных материалах и толщинах

Поэтому для управления тепловыделением микросхем следует выбирать относительно тонкие материалы, и в то же время выбор материалов с высокой теплопроводностью, гладкой поверхностью медной фольги и низким коэффициентом рассеяния позволяет снизить тепловыделение микросхем в миллиметровом диапазоне СВЧ-волн.

Многослойная конструкция платы

Технология 5G требует не только оборудования для базовых станций меньшего размера, но и антенн меньшего размера. В то же время системы активных антенн (AAS), которые объединяют активные каналы и антенны, станут важным компонентом будущих сетей 5G. Миниатюрная конструкция и активная антенная система потребуют использования схем с более многослойными платами.

Коэффициент теплового расширения по оси Z

Термопластичным материалом, обычно используемым для высокочастотных печатных плат, является политетрафторэтилен (PTFE), который может быть усилен различными видами наполнителей, такими как стекловолокно или керамические материалы. Термопласты из ПТФЭ, как правило, обладают лучшими электрическими свойствами и меньшими электрическими потерями, чем термореактивные материалы, но коэффициент теплового расширения по оси Z (CTE) материалов из ПТФЭ значительно выше, чем у меди. Однако коэффициент теплового расширения по оси Z (CTE) у ПТФЭ намного выше, чем у меди. При производстве многослойных плат, когда плата подвергается воздействию высоких температур, различные коэффициенты теплового расширения материала и меди приводят к различному расширению, что приводит к снижению надежности PTH (сквозного отверстия с гальваническим покрытием).

Важность выбора материала с низким коэффициентом теплового расширения для обеспечения надежности сквозных отверстий с покрытием в многослойных платах высокой частоты невозможно переоценить.Корпорация Rogers обнаружила, что добавление специальных керамических наполнителей к термопластичным материалам из ПТФЭ повышает коэффициент теплового расширения материала. В сочетании с присущими ПТФЭ низкотемпературными характеристиками и электрическими свойствами, этот материал очень подходит для применения на многослойных платах высокой частоты миллиметрового диапазона.Например, материалы для печатных плат Rogers серии RO3000® имеют коэффициент теплового расширения по оси Z всего 24 ppm/°C. Для изготовления высоконадежных сквозных отверстий можно использовать простую технологию плазменной обработки, и они имеют очень низкие диэлектрические потери (диэлектрические потери RO3003 составляют всего 0,001 при частоте 10 ГГц), что очень подходит для проектирования высокочастотных многослойных печатных плат.

Согласование полного сопротивления

Проектирование и управление обработкой переходных отверстий в многослойных печатных платах с высокочастотным излучением СВЧ/миллиметрового диапазона также является проблемной областью.При проектировании и обработке переходных устройств размер переходных устройств, толщина меди внутри переходных устройств, размер контактных площадок снаружи переходных устройств и расстояние между переходными устройствами и плоскостью заземления - все это влияет на паразитную емкость и паразитную индуктивность переходных устройств.Это влияет на параметры распределения переходных отверстий, что приводит к общему несоответствПроектирование и управление обработкой переходных отверстий в многослойных печатных платах с высокочастотным излучением СВЧ/миллиметрового диапазона также является проблемной областью.При проектировании и обработке переходных устройств размер переходных устройств, толщина меди внутри переходных устройств, размер контактных площадок снаружи переходных устройств и расстояние между переходными устройствам и плоскостью заземления - все это влияет на паразитную емкость и паразитную индуктивность переходных устройств.Это влияет на параметры распределения переходных отверстий, что приводит к общему несоответствию, который более выражен в микроволновом/миллиметровом диапазонах волн.7,3-миллиметровый ламинат Rogers RO4350B Lopro был ламинирован с обеих сторон 8-миллиметровыми полутвердыми пластинами RO4450F для формиро

(a)

(b)

(c)

Рис. 8. Влияние изменения импеданса сквозного отверстия на радиочастотные характеристики (а) Влияние различных конструкций сквозных отверстий на импеданс;

(b) Проверка радиочастотных характеристик схемы TV10 с большой апертурой;

(c) Проверка радиочастотных характеристик схемы TV2 с малой апертурой

В заключение отметим, что непрерывное развитие технологии 5G и спрос на микроволновые диапазоны частот выдвигают все более высокие требования к эксплуатационным характеристикам материалов печатных плат. Выбор правильной толщины платы в соответствии с частотой, выбор материалов печатной платы с низким коэффициентом потерь, понимание влияния шероховатости поверхности медной фольги на материалы печатной платы и выбор различных видов медной фольги, а также подходящие методы обработки поверхности способствуют снижению вносимых потерь в цепи. Материалы печатных плат с высокой теплопроводностью полезны для управления тепловыделением небольших и более высокоинтегрированных микросхем в приложениях 5G, обеспечивая оптимальные решения для отвода тепла. В то же время выбор материала для печатных плат, коэффициент теплового расширения материала, обработка сквозных отверстий и надежность в конечном итоге будут зависеть от правильного типа материала.