Справочник проектировщика печатных плат. Основы радиочастотных/сверхвысокочастотных печатных плат. Глава 1. Выбор материала

автор Джон Буши (John Bushie) – Директор по Технологиям в American Standard Circuits. Аная Вардия (Anaya Vardya) – Президент и Генеральный директор American Standard Circuits |

При обсуждении выбора правильного материала для использования в разработке сегодняшние инженеры значительно более компетентны в этом вопросе, чем это было на ранних стадиях возникновения RF технологии в печатных платах. В то время было только несколько вариантов материалов Teflon с низкими потерями и большинство из них содержали слово «Duroid». Сегодня на рынке доступны десятки материалов с контролируемой Dk и низкими потерями, многие из которых содержат запатентованные системы смол, которые позволяют производителю печатных плат производить их, используя процессы, аналогичные стандартным FR-4 материалам.

Как было сказано, не существует одного особенного материала, который является наиболее эффективным для каждого устройства, или даже наиболее экономичного по сравнению с другими. Всегда найдутся выгодные по цене компоненты каждого выбора на основании требований по эффективности и функциональности. Как и с большинством вещей, ориентироваться нужно на общую стоимость. Стоимость начального материала может быть выше, чем у альтернативных, но итоговым результатом будет продукт, отвечающий спецификациям разработки, поэтому выбранный материал можно считать правильным и адекватным (Рис. 1.1).

Проектировщики цифровых логических и RF/сверхвысокочастотных продуктов имеют очень разные запросы, что проявляется в различных к требованиях к материалу. Обычно, цифровые проектировщики более заинтересованы в скорости цепи и плотности. Следовательно, их в первую очередь интересуют тонкие материалы и специфические диэлектрические постоянные, потому что диэлектрическая проницаемость является основной заботой в цифровом мире. Радиочастотные и сверхвысокочастотные проектировщики в свою очередь более заинтересованы в вопросах, связанных с частотой. Им нужны материалы, которые помогают минимизировать энергопотери и обеспечивают диэлектрическую однородность. Они также требуют тщательного контроля толщины материала и электрических свойств, и особенно обеспокоены такими факторами, как тангенс угла диэлектрических потерь и стабильность диэлектрической постоянной при разных условиях обработки.

Два ключевых параметра

Радиочастотные и сверхвысокочастотные схемы обычно работают с точностью и/или передачей сигналов низкого уровня. Это значит, что эти схемы требуют более жёсткого контроля параметров, относящихся к потерям сигнала. Две главные проблемы – это потери, вызванные  отражением сигнала из-за несовпадения импеданса, и потери энергии сигнала в диэлектрике материала. Выбор материала (покрытия и меди) может оказать серьезное влияние на эти причины энергопотерь. В результате материалы, ориентированные на RF арену, жестко контролируют два ключевых параметра – тангенс угла потерь и диэлектрическая постоянная.

Параметр 1: Тангенс угла диэлектрических потерь.

Первая проблема – сколько потерь может выдержать конкретная разработка или, другими словами, сколько входящей мощности против выходящей мощности. При бесконечном поступлении энергии потери не важны. Регулировка всегда может быть сделана для компенсирования потерь материалов или проводников. Исключением является тепло, выделяемое проводником, и возвратные потери, но к счастью в реальности это редкость.

Параметр 2: Диэлектрическая постоянная.

Здесь основной заботой является требуемая толщина диэлектрического материала и ширина проводника, чтобы достичь нужного значения импеданса. Это превращается в потери меди и проблему обращения с мощностью. Вторая проблема – возможность рассеивать тепло, которое образуется как на устройствах питания, так и в проводниках. Это должно быть передано куда-то, а материал должен быть с достаточно низкой диэлектрической постоянной или иметь достаточно большую ширину проводников, чтобы доставить то количество энергии, которое требуется для цепи. Тщательная проработка этих двух параметров обеспечит рекомендацию для выбора правильного типа и толщины материала, требуемых для разрабатываемой печатной платы.

Стабильность размеров

Понимание того, как материал реагирует на условия работы – стабильность размеров – также очень важно при выборе материала для RF печатной платы. Существует три типа материалов, имеющих отношение к стабильности размеров:

1.      Гомогенные. Материал однородного состава, который не может быть механически разделён на различные материалы, такие как пластик, стекло и/или смола.

2.      Изотропические (ненаправленного действия). Материал со свойствами одинаковыми во всех направлениях (X, Y, и Z), такие как стекло микроволокно RT/duroid®.

3.      Анизотропные. Материал со свойствами, которые могут варьироваться в зависимости от направления, такие как ткань из стекловолокна в традиционном FR-4 или определенные усиленные стекловолокнистые PTFE материалы.

Методические рекомендации для выбора материала

Есть несколько методических рекомендаций, которые помогут проектировщику выбрать правильную подложку и медную фольгу для высокочастотных RF устройств.

  • Соответствующая диэлектрическая постоянная: В разработках RF печатных плат очень желательно, чтобы диэлектрическая постоянная (Dk) соответствовала вашим требованиям. Если подложка ПП выполнена из смолы и тканного материала, они могут иметь различные Dk. Не однородные диэлектрические постоянные в подложке могут создать проблемы. Работа с производителем ПП обеспечиваем максимальную приближенность Dk во всех рассматриваемых подложках.
  • Соответствующий коэффициент теплового расширения (СТЕ): степень расширения в ответ на увеличение температуры важна сама по себе, но она может также оказывать влияние на функции ПП. Различные СТЕ слоев подложки в ПП будут расширяться по разному во время производства или работы, что может создать функциональные нарушения или проблемы с надёжностью.
  • Плотное плетение субстрата: Плетение субстрата должно быть плотно заделано, так как это может оказать прямое влияние на диэлектрическую постоянную. Работа с производителем ПП поможет избежать выбор материала, который может негативно повлиять на эффективность.
  • FR-4: Нужно понимать, что если вы используете FR-4 для высокочастотных устройств, он не будет обладать тем же уровнем точности диэлектрической постоянной и контролем толщины, как специально разработанный RF материал.
  • Ровность фольги: Ссылаясь на обсуждаемый выше скин-эффект, гладкая ровная фольга способна обеспечить меньшие резистивные потери при очень высоких частотах.

Наши два руководства по выбору материала можно найти в приложении. При просмотре этого руководства помните, что различные поставщики могут предлагать сходные материалы, но цена и время поставки могут отличаться. Если вы готовы пробовать различные опции, хорошей идеей будет поработать со своим производителем печатных плат, который может дать вам много необходимой информации по этим аспектам. Мы также всегда работаем с заказчиками, которые требуют параллельного изготовления нескольких вариантов с различными материалами на ранних стадиях доводки их разработок.

Источник: Джон Буши и Аная Вардия (John Bushie, Anaya Vardya),
American Standard Circuits,
© 2018 BR Publishing, Inc.

Назад