Понимание проблем материала для печатных плат на частотах в диапазоне миллиметровых волн. Часть 1

автор Джон Кунрод (John Coonrod), Rogers Corporation |

Резюме

Устройства на частоте в диапазоне миллиметровых волны (mmWave) становятся все более распространенными. Существуют устройства, использующие технологию печатных план на 60 ГГц, 77 ГГц и многих других частотах в диапазоне миллиметровых волн.

Таблица 1. Использование одной и той же подложки, но с различной толщиной, что показывает чувствительность различных переменных к ответу импеданса схемы.

При разработке печатных плат для mmWave частот, важно учитывать свойства материала схемы, так как они могут быть критичными для успеха устройства. Понимание свойств материалов для печатных плат на этих частотах очень важно. Данная статья дает обзор тех свойств, которые являются наиболее важными для устройств с ПП с частотой в диапазоне миллиметровых волн. Приводятся данные, демонстрирующие, почему эти свойства необходимы для выбранного материала схемы для устройств с mmWave частотами. Некоторые из обсуждаемых свойств это – диэлектрическая постоянная (Dk), тангенс угла диэлектрических потерь, влагопоглощение, контроль толщины и температурный коэффициент диэлектрической постоянной (TCDk). Сравнения по измерениям будут показаны для вносимых потерь и диэлектрической постоянной против частоты для различных типов материалов платы до 110 ГГц. Частью данных тестирования является влияние на производительность схемы в зависимости от TCDk и влагопоглощения, показанное для частот в диапазоне миллиметровых волн.

Введение

Существует много свойств материала, которые являются проблемой для большниства RF устройств, но при более высоких частотах некоторые из этих проблем становятся еще более критичными. Кроме того, некоторые свойства материала имеют большее влияние на RF эффективность для тонкой подложки по сравнению с толстой подложкой. Свойства материала, которые могут быть критичными для производительности схемы на миллиметровых волнах (mmWave), это – диэлектрическая постоянная (Dk, εr) и предел допуска, тангенс угла диэлектрических потерь (Df, tanδ), влагопоглощение, допуск по толщине и термальный коэффициент диэлектрической постоянной (TCDk). Неровность медной поверхности – это еще одно критическое свойство материала для хорошей RF производительности на mmWave частотах, и коротко мы на нем остановимся. Вносимые потери при mmWave частотах, Df и связанные с ними вопросы не будут обсуждаться в данной статье, однако ссылка на эту тему давалась выше [1]. Данная статья дает обзор тех свойств материала схемы, которые важны для устройств на mmWave частоте, использующих ПП.

Оценка и Обсуждение

Номинальная диэлектрическая постоянная материала (Dk) может очень сильно варьироваться для разработок схем на частотах в диапазоне миллиметровых волн, и большинство устройств ПП на mmWave частотах используют материалы схемы с относительно низкими величинами Dk. Это правда, потому что многие RF устройства используют такие характеристики схемы, которые имеют физические размеры, определенные длиной волны, а при частотах на миллиметровых волнах длина волны очень и очень маленькая. Использование материала схемы с более высокой Dk приведет к тому, что длина волны будет еще меньше. Так как очень маленькие параметры схемы более проблематичны для производства печатной платы, материалы с более высокой Dk обычно избегаются при mmWave разработках, однако, есть и исключения.

Общим положением является то, что материалы схемы с величиной Dk от 2 до 4 на mmWave частотах, и материалы с величиной Dk 3 являются общими. Сама по себе величина диэлектрической постоянной важна для разработки схемы и моделирования; однако, учитывая массовое производство mmWave разработок, для хорошей RF производительности становится критичным показателем уже предел допуска Dk. Причиной вариабельности Dk могут быть различные источники, и в зависимости от дизайна схемы эти вариации могут оказывать большее или меньшее влияние на RF производительность на mmWave частотах. Кроме того, есть несколько различных особенностей Dk вариабельности, связанных с тем, как это произошло. То есть вариабельность диэлектрической постоянной внутри панели материала схемы важна, но также есть и вариабельность Dk от панели к панели и от партии к партии. Все эти моменты могут быть важны в зависимости от дизайна схемы и желаемых свойств.

Для mmWave печатных схем обычно иметь контролируемый импеданс и/или свойства схемы, которые базируются на импедансе. Помня об этом, импеданс и вариации импеданса могут быть очень важны. На вариабельность импеданса оказывают влияние несколько свойств материала и производства схемы. Более того, толщина подложки может быть одним из этих свойств, важной в большей или меньшей степени. Для иллюстрации этого высказывания, мы приводим информацию, показанную в Таблице 1, где сравниваются один и тот же материал и схема, но используется различная толщина подложки.

Информация в Таблице 1 основана на материале схемы с номинальной Dk 3.5 и допуск Dk ± 0.05 или ± 1.4%. Толщина подложки материала контролируется в ± 10%. Блок информации в пяти верхних рядах относятся к схемам, которые сделаны на этом материале. Материал в ряду 1 является покрытием толщиной 20mil (0.51mm). Первый ряд информации – это базовый результат, и он показывает параметры для получения микро полосковой линии передачи с характеристикой импеданса 50 ohm. Следующие за базовым рядом ряды информации похожи, однако, они показывают сценарии, в которых варьируются различные атрибуты производства схемы или свойства материалов и ответ величины импеданса схемы. Нижняя группа информации в Таблице 1 использует те же материалы и дизайн схемы, но подложка тоньше (10mils или 0.25mm), вариации импеданса показаны.

Из Таблицы 1 видно, что изменения толщины имеют наибольшее влияние на величину импеданса, касательно хоть толстой, хоть тонкой группы информации о схеме. Следующей по значению переменной является ширина проводника и для данного проводника допуск ширины (± 1 mil), более тонкая схемы будет иметь большее влияние на величину своего импеданса, чем более толстая схема. Третья по влиянию переменная – толщины меди и снова мы видим похожую тенденция, когда изменение толщины меди имеет большее влияние на величину импеданса у тонкой схемы, чем у толстой. Изменение диэлектрической постоянной имеет наименьшее влияние на стабильность импеданса схемы в примерах в Таблице 1 и это в целом на самом деле так, хотя могут быть исключения.

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

 

Назад