Понимание проблем материала для печатных плат на частотах в диапазоне миллиметровых волн. Часть 3
Конечно, большинство устройств ПП, работающих на миллиметровых частотах – это электронные цепи, и полезно будет оценить эффекты TCDk в форме цепи. Это может быть сделано, но важно понимать, что при оценке TCDk свойств в форме цепи, есть значительно больше переменных, чем у просто сырого материала. Форма цепи, тестируемая при различных температурах, имеет переменную изменяющуюся проводимость меди при изменении температуры. Кроме того, обработка медью также изменяет проводимость, что может быть отличным от изменения чистой меди. Чтобы прояснить это, обработка медью – это тонкий слой, который обычно является не-медным сплавом, и находится на медной подложке покрытия. Влияние изменения медной проводимости при изменении температуры трудно оценить при миллиметровых частотах, так как влиянию подвергаются прямой ток (DC) и RF свойства. Как побочный эффект, глубина кожи также меняется при изменении проводимости, также, как и поверхностный импеданс. Для учета этих переменных проводника, которые трудно рассчитать точно, лучшим способом будет посмотреть на результаты тестирования цепи на TCDk как на приблизительные и уделить большее внимание на тенденции при сравнении цепей различных материалов.
Тестирование цепей было проведено и сравнение проводилось между комнатной температурой и температурой 65°C. Кроме отмеченных выше переменных проводника, есть также и другие переменные, связанные с тестированием, такие как изменение характеристик разъемов и кабелей при изменении температуры.
Для тестирования, приведенного здесь, были использованы специальные кабели, которые были оценены значительно выше тестируемой температуры, также, как и разъемы. Кроме того, разъемы были разъемами концевого запуска сжатия (непаянные разъемы), что позволяет использовать одни и те же физические соединители для различных анализируемых схем. Это помогает минимизировать разницу разхемов при сравнении результатов различных цепей в этом тесте. График на Рис.3 показывает тестирование схем микрополосковой линии передачи с использованием двух различных материалов схемы, которые имеют значительно различные TCDk показатели.
Чтобы сохранить переменные цепей на минимуме, при сборе длянных, показанных на Рис.3, были использованы цепи с 50 Ом микрополосковой линией передачи. Схемы линии передачи были достаточно длинными, 8 дюймов (203 мм), и оба конца цепи были защищены от тепла насколько это возможно. На концах цепей были разъемы концевого запуска и соединения с кабелями, таким образом эти зоны были намеренно ближе к комнатной температуре. Основная часть длины 8-дюймовой цепи была подвергнута повышенной температуре и зона цепи, подверженная этой температуре, была постоянной для различных анализируемых цепей. Ось Y на графике показывает разницу угловой фазы, когда цепь тестировалась при комнатной температуре (25°C, ≈ 20% RH) по сравлению с этой же цепью, тестируемой при 65°C и приблизительно 20% RH. После сбора данных схемам удалось достичь теплового равновесия.
Синяя кривая на Рис.3 – это тот же материал «заполненный керамикой PTFE», показанный на Рис.2 темно-синей кривой. Этот материал имеет показатель TCDk -3 ppm/°C при измерении на 10 ГГц, и в соответствии с тестом с зажатым полосковым резонатором, описанном выше в данной статье. Этот материал отмечен как «практический чистый PTFE материал» на Рис.3 и имеет показатель TCDk -125 ppm/°C при тестировании вышеуказанным методом.
Для объяснения данных, показанных на Рис.3, разница фазового угла при 80 ГГц для керамически заполненного PTFE материала составляет около 18 градусов. Что значите, что это 18-градусное отличие фазового угла от цепи, измеряемой при комнатной температуре, по сравлениню с измерением при 65°C. Практически чистый PTFE материал с худшим TCDk показан оранжевой кривой на Рис.3 и при 80 ГГц разница фазового угла составила около 59 градусов. Снова напомню, что тестирование цепей имеет больше переменных, чем тестирование сырого материала при повышенных температурах, поэтому тенденции TCDk цепей должны использоваться в сравнении или как приблизительный тренд. Датчики автомобильных радаров на миллимитровых частотах чувствительны к разницам в фазовых углах, но это очень сильно зависит от дизайна датчика. В некоторых случаях разница фазового угла в несколько градусов может быть значительной, в других случаях это может быть чувствительно только к разнице, более чем 10 градусов. Общим комментарием по поводу фазового угла в автомобильных датчиках на миллимитровых волнах будут разницы, показанные на Рис.3 для керамически заполненного материала PTFE, которые считаются хорошими, а разницы угла для практически чистого PTFE материала считаются плохими.
Другой проблемой на миллиметровых частотах может быть вариации диэлектрической постоянной из-за влагопоглощения и его влияния на фазовый угол. В общем, материал, который может поглощать влагу из окружающей среды может изменить свойства Dk. Вода имеет показатель Dk около 70, и когда большее количество влаги впитывается в подложку за счет влагопоглощения, диэлекрическая постоянная подложки увеличивается. Тест, применяемый в последнее время и известный как тест 85/85, - это оценка материала или цепей в окружающей среде, представляющей собой 85°C и 85% RH на достаточный период времени. Результаты теста 85/85 на 72 часа показан на Рис.4.
