Понимание проблем материала для печатных плат на частотах в диапазоне миллиметровых волн. Часть 4

автор Джон Кунрод (John Coonrod), Rogers Corporation |

Данные, показанные на Рис.4, - это схемы с микрополосковой линией передачи, использующие метод дифференциальной фазовой длины [4].

Этот метод использует две схемы различной физической длины и измеряет фазовый угол на широком диапазоне частот. Разница фазового угла и разница физической длины используются в формулах [5] [6] для повторного расчета Dk материала. Материал А, отмеченный на Рис.4, - этот те же материалы, что отмчены на Рис. 2 и 3 как керамически заполненный PTFE материал с хорошим TCDk. Эти материалы показывают очень хорошую стабильность диэлектрической постоянной при тесте 85/85 в отличии от другого материала, который показывает значительную разницу в RF эффективности из-за условий 85/85.

Тестирование на Рис.4 всегда проводится при комнатной температуре. Первичное тестирование, конечно, проводится после того, как схемы пробыли при комнатной температуре длительный период времени; более одной недели. Условия комнатной температуры составляли 25°C и примерно 20% RH. Схемы были помещены в комнату с регулируемой температурой/влажностью и были подвержены условиям 85/85 на 72 часа. После этого схемы были убраны оттуда и тестировались при комнатной температуре. Тест был проведен очень быстро после выноса их из комнатой с условиями 85/85, так что схемы не изменились от впитываемой влажности. Результаты тестирования были получены менее, чем через 5 минут после выноса из комнаты, что является безопасным временной рамкой для избежания изменений в содержании влаги в схемах.

Важно отметить, так как схемы не испытывали влияние TCDk, потому что они тестировались при комнатной температуре, что значит что тест 85/85 реально показывает влияние влагопоглощения. В реальном мире влияние TCDk также будет включаться, если схемы были действительно протестированы в условиях 85/85.

Причина того, что схемы не тестируются в условиях 85/85 в том, что этот тип теста требует калибровки, выполненной внутри тех условий, в которых проводится тестирование. Качественную калибровку невозможно выполнить в комнате с условиями 85С/85RH. Также замечу, что метод тестирования IPC-TM-650 2.5.5.5c, используемый для оценки TCDk свойств сырого материла, упомянутый выше, не требует калибровки, что делает возможным проведение этого теста в тестовой комнате.

Неровность медной поверхности – это еще одна проблема, которая может серьезно влиять на эффективность ПП на миллиметровых частотах. Однако, из-за масштабности данной темы невозможно подробно ее рассмотреть в рамках данной статьи. Ссылка [7], которая дает общий обзор данной темы, показывает, что эффективная Dk может быть значительно изменена за счет изменения неровности медной поверхности на миллиметровых частотах. Кром того, неровность поверхности всей медной фольги, используемой в отрасли печатных плат, имеет нормальную вариабельность. Существуют вариации неровности медной фольги, такие как вариации неровности внутри листа или от листа к листу, или от партии к партии, и эти различия должны учитываться при моделировании схем на миллиметровых частотах. В качестве быстрого обзора данной темы Рис.5 показывает сравнение тестируемых схем с микрополосковой линией передачи с двумя различными типами фольги и влияние вариации неровности медной фольги на воспринимаемую схемой Dk.

Рис. 5. 50 Ом схемы с микрополосковой линией передачи на одной и той же подложке, но с двумя различными типами меди. Показано влияние нормальной вариабельности неровности поверхности медной фольги от партии к партии на воспринимаемую схемой Dk.

Информация, показанная на Рис.5, иллюстрирует влияние нормальной вариации неровности поверхности меди от партии к партии. Тип меди, которая является неровной медью, имеет среднюю неровность поверхности в 2,8 микрон при среднеквадратичном измерении (RMS или Rq), ровная медь имеет среднюю неровность 0,9 микрон RMS. Более неровная медная поверхность приведет к замедлению фазовой скорости, и естественный отклик схемы должен воспринимать более высокий Dk с более медленной волной, хотя диэлектрический материал одинаков. Кроме того, графики, показанные на Рис.3, показывают схемы, использующие подложку приблизительно 10 мкр толщиной и, если схемы были бы тоньше, то разница в диэлектрической постоянной была был больше. Это изменение Dk из-за неровности медной поверхности может быть значительным для тонких схем, используемых на миллиметровых частотах. Медная фольга с более неровной поверхностью изначально имеет более высокий диапазон изменения неровности, чем более ровная фольга. В качестве общего положения для устройств ПП на миллиметровых частотах рекомендуется использовать медную фольгу с ровной поверхностью, чтобы минимизировать вариации диэлектрической постоянной, воспринимаемой схемой.

Заключение

Существует четыре важных свойств схемы, которые важно учитывать для хорошей RF эффективности ПП на миллиметровых частотах. Эти свойства: ширина проводника, толщина меди, диэлектрическая постоянная и толщина подложки. Свойства материала, которые необходимо учитывать, это – TCDk, влагопоглощение и неровность медной поверхности. Разработчику следует учитывать эти свойства схемы и материала при разработке схем на частотах в диапазоне миллиметровых волн.

Ссылки

[1]: John Coonrod, “Insertion Loss Comparisons of Common High Frequency PCB Constructions”, APEX / IPC 2013.

[2]: Allen F. Horn, III, John Reynolds; James C. Rautio; “Conductor Profile Effects on the Propagation Constant of Microstrip Transmission Lines”, IEEE IMS MTT-S, June 2010.

[3]: www.ipc.org, IPC-TM-650 Test Method Manual, 2.5.5.5c.

[4]: Nirod K. Das, Susanne M. Voda and David M. Pozar, “Two Methods for the Measurement of Substrate Dielectric Constant”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-35, No. 7, July 1987.

[5]: E. Hammerstad and O. Jensen, “Accurate models of computer aided microstrip design”, IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., May 1980, pp. 407-409.

[6]: M. Kirschning, R. H. Jansen, “Accurate model for effective dielectric constant of microstrip with validity up to millimeter-wave frequencies”, Electronic Letters, IET Journals and Magazines, volume 18, issue 6, 1982, pp. 272-273.

[7]: John Coonrod, “Managing Circuit Materials at mmWave Frequencies”, Microwave Journal, volume 58, no. 7, July 2015.

Источник: www.circuitinsight.com/programs/54971.html

Назад