Новости PCB - Технология изготовления радиочастотных печатных плат в соответствии с DK.

Получение постоянной и предсказуемой фазы от любой печатной платы на более высоких частотах не является тривиальной или рутинной задачей. Фаза сигнала от высокочастотной и высокоскоростной печатной платы в значительной степени зависит от структуры ее линии передачи и диэлектрической проницаемости (Dk) материалов, из которых изготовлена схема. Электромагнитные волны быстрее всего распространяются в любом объекте с наименьшим Dk (например, в воздухе с Dk равным 1,0). При увеличении Dk распространение волны замедляется, что соответствующим образом влияет на фазовую характеристику передаваемого сигнала. Когда Dk среды распространения изменяется, возникает фазовое искажение формы сигнала, поскольку форма сигнала может ускоряться или замедляться в среде распространения, и Dk может становиться ниже или выше, соответственно.

Dk радиочастотных материалов обычно анизотропен, с различными значениями Dk в трех измерениях (3D) длины, ширины и толщины (x, y и z). При проектировании некоторых типов схем необходимо учитывать не только разницу в Dk, но и влияние Dk на фазу, уже учтенное в методе изготовления схемы. По мере увеличения частот печатных плат, особенно на частотах СВЧ и миллиметровых волн, таких как те, которые используются в оборудовании инфраструктуры сетей сотовой беспроводной связи пятого поколения (5G) и передовых системах помощи водителю (ADAS) в автомобилях с электронным управлением, фазовая стабильность и предсказуемость будут приобретать все большее значение.

Что вызывает изменение качества материалов радиочастотных схем?

В некоторых случаях разница в Dk на печатной плате обусловлена воздействием материала (например, изменением шероховатости поверхности меди). В некоторых случаях разница в Dk обусловлена способом изготовления печатной платы. Некоторые отклонения в качестве печатной платы вызваны неблагоприятными условиями эксплуатации (например, более высокими рабочими температурами). Понимая, как меняется Dk печатной платы в зависимости от свойств материала, методов производства, окружающей среды и даже методов тестирования Dk, можно лучше понять и спрогнозировать изменения Dk, которые приводят к фазовым изменениям печатной платы, и, как мы надеемся, свести их к минимуму

Анизотропия является важным компонентом материалов для изготовления схем, и характеристики изменения Dk очень похожи на трехмерный математический тензор. Различные значения Dk по трем осям приводят к различным потокам и напряженности поля в трех направлениях.В зависимости от типа линии передачи, используемой в схеме, фаза схемы со связанной структурой может изменяться из-за анизотропии материала, а производительность схемы зависит от ее ориентации в материале схемы.Как правило, анизотропия материала схемы зависит от толщины и частоты, и материалы с более низкими значениями Dk обладают меньшей анизотропией. Усиление материала также может сыграть свою роль: материалы для схем с армированием стекловолокном, как правило, более анизотропны, чем материалы без армирования стеклом. Когда фаза является критической и Dk печатной платы является частью моделирования схемы, сравнение значений Dk между двумя материалами всегда следует проводить на одной оси.

Радиочастотные печатные платы

Углубленное проектирование Dk

Эффективный Dk цепи - это величина, основанная на том, как электромагнитные волны распространяются по определенным типам линий электропередачи. В зависимости от линии передачи, некоторые электромагнитные волны будут проходить через комбинацию проводящих металлов, образующих линию передачи, некоторые - через диэлектрический материал печатной платы, а другие - через воздух, окружающий печатную плату. Значение Dk для воздуха (1,00) ниже, чем для любого другого материала схемы, а эффективное значение Dk для сувенирных изделий - это суммарное значение Dk для электромагнитных волн, проходящих по проводникам линии передачи, в диэлектрическом материале и частично в воздухе вокруг подложки. Design Dk стремится создать более практичную версию effective Dk и учитывает влияние различных кабельных технологий, методов производства, проводников и даже методов испытаний, используемых для измерения Dk. Конструктивный Dk - это значение Dk, выбранное из материала при тестировании в виде схемы, и является подходящим значением Dk для использования при проектировании схем и моделировании.Конструктивный Dk не является эффективным Dk схемы, но конструктивный Dk использует эффективные измерения Dk для определения Dk материала, как показано в характеристиках схемы.

Различия в различных частях схемы для данного материала ВЧ-цепи приведут к различиям в конструкции Dk. Например, различия в толщине меди, образующей проводники схемы, означают, что конструкция Dk будет отличаться для каждой различной толщины, и это будет означать, что фазовая характеристика схемы, образованной эти проводники изменятся.Шероховатость поверхности медного проводника также влияет на расчетную Dk и фазовую характеристику, при этом более гладкая медь (например, прокатанная медь) оказывает меньшее влияние на расчетную Dk или фазовую характеристику, чем более грубая медь.

Толщина диэлектрического материала печатной платы будет определять влияние шероховатости поверхности медного проводника на конструкцию Dk и фазовую характеристику схемы. Более толстые материалы подложки, как правило, сводят к минимуму влияние шероховатости поверхности медных проводников, а расчетное значение Dk ближе к значению Dk, присущему материалу подложки, даже для медных проводников с более шероховатой поверхностью.Например, материал для микросхем ROGERS RO4350B толщиной 6,6 мил имеет среднее расчетное значение Dk, равное 3,96, для диапазона от 8 до 40 ГГц.Для того же материала толщиной 30 мил значение Dk для того же частотного диапазона равно 3,96, а значение Dk для того же частотного диапазона равно 3,96 для того же материала. Для того же материала толщиной 30 мкм расчетное значение Dk снижается в среднем до 3,68 для того же частотного диапазона.При удвоенной толщине (60 мкм) расчетный Dk составляет 3,66, что является характерным для ламинатов, армированных стекловолокном.

Из этого примера следует, что более толстая подложка схемы может обеспечить более низкое расчетное значение Dk и связанные с этим преимущества.Однако в схемах, изготовленных из более толстых материалов подложки, особенно на миллиметровых частотах, где длина волны сигнала мала, часто бывает сложнее добиться постоянной амплитуды и фазы на более высоких частотах.Высокочастотные схемы больше подходят для более тонких материалов, где диэлектрическая часть материала оказывает меньшее влияние на конструктивные характеристики и производительность схемы. Более тонкие подложки печатных плат в основном подвержены влиянию электропроводности, что приводит к потере сигнала и ухудшению фазовых характеристик.На миллиметровых частотах они также более чувствительны к характеристикам проводников (например, шероховатости поверхности меди), чем более толстые подложки, с точки зрения конструктивных особенностей материала схемы.

Выбор радиочастотных схем

При работе на частотах ВЧ/СВЧ и миллиметровых волнах разработчики схем полагаются на несколько различных технологий линий передачи, таких как микрополосковые, линейные и компланарные волноводные схемы заземления (GCPW), каждая из которых требует различных методов изготовления и проблем, связанных с их преимуществами.Например, различия в характеристиках связи в цепях GCPW будут влиять на конструктивные особенности схемы.Тесно связанные цепи GCPW с сильно разнесенными линиями передачи минимизируют потери за счет более эффективного использования воздуха между компланарными участками связи для распространения электромагнитных волн. При использовании более толстых медных проводников боковые стенки соединительных проводов становятся выше, и для распространения электромагнитного излучения используется больше воздуха в области соединения.Это помогает свести к минимуму потери в цепи, но подчеркивает важность минимизации различий в толщине медных проводников.

Для данной схемы и материала, из которого изготовлена схема, на конструкцию Dk влияют многие факторы. Рабочая температура изменяет конструкцию Dk и производительность в зависимости от температурного коэффициента Dk материала схемы (TCDk), при этом более низкие значения указывают на меньшую зависимость от температуры. Высокая относительная влажность (RH) может улучшить качество конструкции материалов радиочастотных схем, особенно для высокогигроскопичных материалов. Характеристики материала радиочастотной схемы, а также факторы, связанные с процессом изготовления схемы и условиями эксплуатации, играют определенную роль в определении конструктивных характеристик материала схемы.Понимая эти факторы, можно свести их к минимуму.