Материалы для высокочастотных/ высокоскоростных печатных плат
Что такое DK и Df
DK – аббревиатура от «dielectric constant» (диэлектрическая постоянная), обычно обозначается как ε и εr. По определению, DK – отношение емкости конденсатора, содержащего измеряемый диэлектрик, к емкости конденсатора такого же объема, с вакуумом в качестве диэлектрика. Формула расчета:
DK представляет собой свойство диэлектрика запасать электрическую энергию и препятствовать передаче сигнала. Высокочастотные/высокоскоростные печатные платы работают как антенны, передающие и принимающие высокочастотные/высокоскоростные сигналы, задержки сигналов на платах не приветствуются. Таким образом, материалы для высокочастотных печатных плат должны обладать низкой DK.
Кроме того, для повторяемости свойств сигналов материалы для высокочастотных плат должны обладать низким температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (TCDK), представляющим собой способность материала сохранять неизменную DK при изменении внешней температуры.
Df – аббревиатура от «dielectric loss factor» (фактор диэлектрических потерь или тангенс угла диэлектрических потерь), обычно обозначается как tanδ. Определение Df таково: в переменном электрическом поле из-за эффекта гистерезиса проводимости и поляризации диэлектрика появляется разность фаз между вектором (комплексной амплитудой) тока, протекающего в диэлектрике, и вектором приложенного напряжения, характеризуемая углом разности фаз. Df представляет собой значение тангенса этого угла. Исходя из определения Df понятно, что для диэлектрика с высоким значением Df величина эффекта гистерезиса проводимости и поляризации является значительной, в результате велики и потери сигнала.
Мы используем высокочастотные материалы с целью передачи высокочастотных сигналов с наименьшим затуханием, поэтому определенно не заинтересованы в появлении больших потерь сигнала. Кроме того, потери в сигнале ведут к потерям мощности и, как следствие, к нагреву печатной платы. Вот почему материалы для высокочастотных/высокоскоростных плат должны обладать низким значением Df.
Как DK и Df зависят от частоты, температуры и влажности
Значения DK и Df для высокочастотных/высокоскоростных печатных плат не являются фиксированными, поскольку на них оказывает влияние изменение частоты, температуры и влажности. Для повторяемости характеристик сигнала, предполагаются стабильные значения DK и Df. Другими словами, мы не хотим, чтобы DK и Df сильно зависели от изменения частоты, температуры и влажности. Рассмотрим, как именно перечисленные выше факторы изменяют DK и Df.
На различных частотах
В общем случае значение DK для диэлектриков уменьшается в небольшом диапазоне при увеличении частоты сигнала. Например, при нормальной температуре значение DK стандартного FR4 составляет 4.7 на 1МГц, 4.19 на 1ГГц и 4.15 на 10 ГГц. При этом величина Df для диэлектриков увеличивается с ростом частоты сигнала.
При различных температурах
В общем случае значения DK и Df для диэлектриков увеличиваются с ростом температуры, Df растет более заметно.
При различной влажности
Значения DK и Df увеличиваются по мере того, как диэлектрик абсорбирует влагу. Как известно, значение DK для воды - 70, и накопление влаги способствует росту DK диэлектрика. Повышение влажности вызывает эффект поляризации, что ведет к увеличению Df. Именно поэтому материалы для высокочастотных печатных плат должны обладать низким влагопоглощением.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что для материалов высокочастотных плат значения DK и Df увеличиваются с ростом температуры и влажности, при увеличении частоты значение DK падает, а значение Df растет.
Какие значения DK и Df требуются для производства высокочастотных/высокоскоростных печатных плат
DK влияет на ширину линии передачи (с заданным импедансом), а Df — на затухание сигнала в различных частотных диапазонах. Для производства высокочастотных/высокоскоростных печатных плат требуется использовать материалы со стабильными и низкими значениями DK и Df.
Базовые материалы для высокочастотных/высокоскоростных печатных плат в основном изготавливаются из эпоксидных компаундов и стекловолокна (FR4 and PTFE), некоторые материалы – на основе керамики или по смешанной технологии.
Эпоксидные компаунды обладают меньшим значением DK (3.6 на 1МГц), чем стекловолокно (на 1МГц, стекловолокно E-типа 6.6, NE-типа 4.6, D-типа 4.7, Q-типа 3.9), при этом значение Df для эпоксидных компаундов (0.025 на 1 МГц) больше, чем у стекловолокна. Соотношение количества эпоксидного компаунда и стекловолокна в материале влияет на результирующие значения DK и Df. При выборе типа материала для высокочастотных печатных плат следует помнить об этом и соблюдать необходимый компромисс между значениями DK и Df.
Насколько низкими должны быть значения DK и Df для материалов высокочастотных/высокоскоростных плат? Для различных областей применения печатных плат требования к DK и Df различаются.
Если плата предназначена для передачи высокоскоростных сигналов, приоритетом является низкий Df. Но это не безусловно. Высокоскоростные сигналы могут содержать высокочастотные компоненты, в этом случае от материала требуется также и низкое значение DK.
Если плата предназначена для передачи высокочастотных сигналов, приоритетом являются низкие DK и TCDK. Для высокочастотных ПП требуются материалы с низким значением DK, т.к. скорость распространения высокочастотных сигналов обратно пропорциональна квадратному корню DK.
Для задач СВЧ техники высокочастотные печатные платы должны обладать низким Df и DK в диапазоне от 2 до 4 на 1МГц. Для примера, значение DK у RO3003 составляет 3, а Df — 0.0013, у RO4350B DK составляет 3.66, Df — 0.0031.
Раньше значения частот сигналов для большинства применений не превышали 11ГГц, и традиционный FR4 с высокими значениями DK и Df удовлетворял техническим требованиям. С развитием технологий частоты используемых сигналов растут, и на сегодняшний день диапазон частот выше 2ГГц является преобладающим. Таким образом, высокочастотные/высокоскоростные материалы с низкими значениями DK и Df играют ключевую роль при проектировании печатных плат.
Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что материалы для высокочастотных/высокоскоростных печатных плат должны обладать как низким значением DK, так и низким значением. Если же это невозможно, то для высокоскоростных применений приоритетом является низкий Df, а для высокочастотных — низкие значения DK и TCDK. Однако, для высокочастотных/высокоскоростных применений нет единственно верного решения, поэтому разработчику необходимо проконсультироваться с производителем высокочастотных/высокоскоростных плат до начала работы над проектом.
В поисках надежного производителя высокочастотных/высокоскоростных печатных плат
Надежный производитель обеспечивает разработчику помощь в решении задач, связанных с изготовлением высокочастотных/высокоскоростных плат, что позволяет выпускать качественную продукцию. А-КОНТРАКТ, как производитель высокочастотных/высокоскоростных печатных плат, предоставляет универсальные решения для высокочастотных/высокоскоростных проектов.
Заключение
В статье даны описания понятий DK и Df, приведён анализ факторов, влияющих на их изменения, а также предложен вариант компромисса в случае, когда материалы не могут одновременно обеспечить низкие значения и DK, и Df.
Для изготовления качественных высокочастотных/высокоскоростных печатных плат очень важно найти надежного производителя. Выбирая А-КОНТРАКТ в качестве производителя высокочастотных печатных плат, вы можете быть уверенным, что платы будут обладать низкими DK и Df наиболее соответствующими назначению конечного изделия.
Сергей Шихов, директор по управлению проектами А-КОНТРАКТ:
С точки зрения специалиста в области электродинамики сплошных сред, тема характеристик базовых материалов раскрыта не полностью. Не рассмотрен, например, вопрос изотропности параметров по поверхности печатной платы, а для материалов на основе стекловолокна это весьма актуально. С другой стороны, инженеру-схемотехнику нет необходимости досконально разбираться в теоретических вопросах, главное — знать общие понятия и зависимости, которые и приведены в статье. А при необходимости, специалист всегда сможет углублённо изучить различные аспекты данной темы.
Данная публикация была напечатана в журнале «СВЧ-электроника» 3'2022 в составе статьи «Материалы и производственные процессы плат для СВЧ-приложений»
