Leitfaden zu PCB-Materialien mit niedrigem Dk

Wenn Sie sich die Zeit genommen haben, sich über PCB-Materialoptionen und Schichtaufbauten zu informieren, haben Sie wahrscheinlich die breite Palette an Materialien bemerkt, die auf dem Markt verfügbar sind. Materialhersteller produzieren Laminate mit unterschiedlichen Dk-Werten, Tg-Werten, Gewebestilen, CTI-Werten und mechanischen Eigenschaften, um verschiedene Anwendungen in der Elektronikindustrie anzusprechen.

Es gibt eine Gruppe von Materialien, die aufgrund ihres geringen Verlustverhaltens viel Aufmerksamkeit erhält: Materialien mit niedrigem Dk-Wert für PCBs. Diese Materialien werden oft für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs als Option für Materialien mit geringen Verlusten empfohlen. Allerdings benötigen nicht alle Systeme diese Materialien, und es gibt andere Systeme, bei denen die Zuverlässigkeit von PTFE-basierten Materialien mit niedrigem Dk-Wert viel wünschenswerter sein kann. Lesen Sie weiter, um mehr über die Verwendung dieser Materialien zu erfahren und wie Sie intelligentere Materialentscheidungen für Ihr Board treffen können.

Standardoptionen für PCB-Materialien mit niedrigem Dk-Wert

Im Allgemeinen gibt es vier breite Klassen von Materialien mit niedrigem Dk-Wert, die in einem PCB-Stackup verwendet werden können:

Diese Materialien tendieren dazu, einen niedrigeren Verlustfaktor als Standard-FR4-Materialien mit höherem Dk (im Bereich von ~4,2 bis ~4,8) zu haben. Das ist ein Grund, warum sie oft für den Einsatz in Hochgeschwindigkeits-PCBs empfohlen werden, aber diese Empfehlung wird oft ohne den richtigen Kontext gegeben. Ich werde einige der typischen Zeiten zur Verwendung von Materialien mit niedrigem Dk unten besprechen. Für jetzt schauen wir uns jede dieser Materialoptionen an:

Niedrigverlust-FR4

Diese Materialien sind Ingenieur-Epoxidharz-Verbundmaterialien, die in den meisten Aspekten mit anderen FR4-Laminaten vergleichbar sind, was die primären Materialeigenschaften und Konstruktionen betrifft (Glasgewebe/Harzgehalt, Tg-Wert, mechanische Eigenschaften). Zwei der beliebtesten Anbieter für diese Materialien sind Isola und ITEQ, obwohl es auch andere gibt, die vergleichbare Laminate herstellen. Diese Materialien werden in einem PCB-Stackup genauso verwendet, wie jedes andere FR4-Grad-Laminat verwendet werden würde; die Materialien sind in Prepreg- und Kernoptionen verfügbar, und es gibt keine größeren Hybridkonstruktions-Probleme zu berücksichtigen.

• Dk-Wert: ~3.7
• Verlustfaktor: 0.005-0.01
• Tg-Wert: Niedrige (~130 °C) und hohe (~180 °C) Optionen verfügbar
• Dickenwerte: Bis zu 2 mil
• Kupferoptionen: Typischerweise ED- oder RA-Kupfer

Die Glasgewebestile in diesen Laminaten können stark variieren, von offenen (106) Geweben bis hin zu stark geschlossenen (2116) Geweben und mechanisch gespreiztem Glas. Für Anwendungen bei hoher Geschwindigkeit sind diese Laminate wünschenswert, da sie mit den meisten Hochgeschwindigkeitsprotokollen verwendet werden können (DDR3+, PCIe, Gigabit Ethernet, MIPI-Standards usw.).

PTFE-Laminate

Das typische Niedrig-Dk-Laminatmaterial, das jedem Designer bekannt sein sollte, ist PTFE. Diese Materialien verwenden PTFE und ein Härtungsmittel gemischt mit keramischen Füllstoffen, um die Dielektrizitätskonstante, den Verlustfaktor und die Glasübergangstemperatur (Tg) auf bestimmte Werte zu bringen. Diese Materialien sind auch so konzipiert, dass sie sehr hohe Dk-Werte für den Einsatz in Anwendungen mit niedrigerem Dk haben (sie haben immer noch geringere Gesamtverluste als FR4), wie ich in diesem Artikel dargelegt habe.

• Dk-Wert: 3 bis 10 mit geringer Dispersion
• Verlustfaktor: 0,0013-0,004 mit geringer Dispersion
• Tg-Wert: Sehr hoch (~280 °C), variiert jedoch mit der Materialzusammensetzung
• Dickenwerte: Einige Optionen unter 5 mil
• Kupferoptionen: ED, RA, behandelt oder Kupfer mit niedrigem Profil

Die am häufigsten genannten Anwendungen für diese Materialien finden sich in RF-Systemen, die weit in den GHz-Bereich hinein operieren. Beachten Sie, dass Sie nicht für jede RF-Platine Rogers verwenden müssen; unterhalb von etwa 5 GHz (WiFi-Frequenzbereich) sind die dielektrischen Verluste und Kupferverluste in FR4-Platinen einfach zu gering, um bedeutend zu sein, es sei denn, eine Platine wird sehr groß.

Diese Art von Ergebnis kann in den Daten zum dielektrischen Verlust von Rogers deutlich gesehen werden (ich habe mehrere Beispiele in diesem Blog zitiert). Sie können dies auch sehr deutlich aus Simulationsergebnissen sehen, und aus den analytischen Ergebnissen, die ich in einem Blog über Kupferrauheit zeige.

Einige auf PTFE basierende PCB-Materialien, die ein niedriges Dk bieten, sind möglicherweise als unverstärkte Laminate erhältlich, was bedeutet, dass sie keine Glasfasergewebeverstärkung haben. Zum Beispiel ist Rogers 3003 ein Beispiel für ein Laminat mit sehr niedrigem Verlustfaktor und sehr glattem Kupfer, und es ist ohne Glasverstärkung erhältlich. Dies eliminiert den Fasergewebefeffekt, macht das Material jedoch schwieriger zu bearbeiten, wenn das Laminat dünner ist.

Liquid Crystal Polymer

Dieses Material mit niedrigem Dk-Wert und geringen Verlusten ist am besten bekannt für seinen Einsatz in fortschrittlichen Flex-PCBs, die im Ultra-HDI-Leiterbahnen-/Abstands-Bereich arbeiten. Diese Materialien können mit modifizierten Polyimiden verwendet werden, um Schaltkreise mit hoher Lagenanzahl zu bilden, und sie werden oft in Smartphones eingesetzt. Andere Anwendungsbereiche umfassen hochzuverlässige Systeme, die die Eliminierung eines Steckverbinders erfordern, um ein Geräteversagen zu verhindern, wie z.B. in der Luft- und Raumfahrttechnik.

• Dk-Wert: ~3.1
• Verlustfaktor: ~0.002
• Tg-Wert: Hoch (~250 °C)
• Dickenwerte: Breites Spektrum
• Kupferoptionen: Niedrigprofil/ED, typischerweise geringes Kupfergewicht

Um mehr über diese Klasse von Materialien zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel von Happy Holden.

Polyimide und Verbindungsschichten

Diese beiden Materialgruppen werden in Flex- oder Rigid-Flex-Baugruppen verwendet. Polyimide sind die Standardmaterialien, die in Flex- und Rigid-Flex-Lagenstapeln als Substrate für Leiterplatten verwendet werden. Einige der wichtigsten Materialeigenschaften für diese Materialien umfassen:

• Dk-Wert: 2,8 bis 3,5
• Verlustfaktor: 0,003-0,01
• Tg-Wert: Sehr hoch (>300 °C)
• Dickenwerte: Breites Spektrum
• Kupferoptionen: RA

Grundlegende Polyimidmaterialien bieten bereits leicht niedrigere Dk-Werte als die meisten FR4-Laminate, wobei der typische Dk-Wert für Polyimide etwa 3,4 beträgt. Polyimide gibt es in vielen Varianten und Produktnamen, und ihre Materialeigenschaften variieren je nach Filmaufbau. Beachten Sie, dass es einige Berichte über Polyimide mit niedrigem Dk/niedrigem Verlust gibt, die im GHz-Bereich arbeiten. Das folgende Papier ist ein Beispiel für ein solches Material.

• Tomikawa, M., et al. "Polyimide mit geringen Dispersionverlusten für Hochfrequenzanwendungen." In 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), S. 167-170. IEEE, 2018.

Klebefolien sind ein Material, das in Flex-/Rigid-Flex-PCB-Stackups verwendet werden kann, um eine Region mit niedrigem Dk-Wert über einer Kupfersignalschicht zu bieten. Diese Folien sind sehr dünne Abdeckklebeschichten, die zum Verbinden mit der Abdeckung in einem Flex-/Rigid-Flex-PCB-Stackup verwendet werden. Diese Folien können einen sehr niedrigen Dk-Wert (weniger als 3) und einen sehr niedrigen Verlustfaktor aufweisen, aber sie sind nur in Flex-Stackups als klebende Abdeckung mit geringen Verlusten nützlich. Andere Anwendungen könnten dieses Material nutzen, solange es in einen Stackup integriert werden kann. Die typische Materialdicke beträgt ~1 mil, daher wird es erst bei Platinen mit einer höheren Schichtanzahl nützlich.

• Dk-Wert: ~2,5
• Verlustfaktor: ~0,002
• Tg-Wert: Sehr hoch (~300 °C), variiert jedoch mit der Materialzusammensetzung
• Dickenwerte: ~1 mil
• Kupferoptionen: Nicht zutreffend

Um mehr über die Gründe zu erfahren, warum Sie Materialien mit niedrigem Dk-Wert verwenden sollten oder nicht, schauen Sie sich das folgende Video an.

Ultra-niedrige Dk-Materialien (bis zu Dk = 2)

Wenn Sie sich in der Welt der HF-Technik umsehen, werden Sie feststellen, dass es starre Leiterplattenmaterialien mit sehr niedrigen Dielektrizitätskonstanten gibt, sogar weniger als Dk = 3. Diese Materialien werden in fortgeschrittenen HDI-Designs nicht oft verwendet, da sie derzeit nicht in sehr dünnen Schichten verfügbar sind (wie 2 mils oder weniger). Ich habe oben im Abschnitt über Polyimid auf diese Materialien hingewiesen, aber Polyimid ist ein dünnes, flexibles Material, das in diesen Anwendungen als Aufbaufilm verwendet wird und nicht weit unter Dk = 3 kommt.

Stattdessen müssen wir uns keramikverstärktem PTFE zuwenden, um Materialien zu finden, die bis zu Dk = 2 niedrig sind. Zwei Anbieter für diese Materialien sind AGC Multimaterial (einschließlich Nelco und Taconic) und Rogers Corporation.

Als Beispiel betrachten Sie die unten gezeigten Daten von Rogers RT/Duroid 5880LZ. Dieses Laminat hat sehr niedrige Dk- und Df-Werte, die in HF- und digitalen Systemen, die mit sehr hohen Frequenzen/Bandbreiten arbeiten, sehr wünschenswert sind. Aufgrund der verfügbaren Laminatdicken (wie unten diskutiert) sind die idealen Anwendungen für dieses Material immer noch im HF-Bereich aufgrund der erforderlichen Leiterbahnbreiten.

Leider ist dieses Rogers-Material für Designer digitaler Systeme nicht in Laminatdicken unter 10 Mil erhältlich. Bei einem 10 Mil Laminat mit Dk = 2 wäre eine 50 Ohm Mikrostreifenleitung 31 Mil breit! Eine einseitige 50 Ohm koplanare Mikrostreifenleitung mit 10 Mil Abstand von Leiterbahn zu Massefläche wäre immer noch 27 Mil breit. Offensichtlich ist dies ein Ausschlusskriterium für fortschrittliche digitale PCBs und Substrate, die niedrigere Dk-Werte fordern, da man nie in der Lage wäre, in feinverteilte Ballouts zu routen.

Während Designer digitaler Systeme, die ultraschnelle Schnittstellen (z.B. 224G PAM-4) verwenden, gerne starre digitale Materialien mit Dk-Werten so niedrig wie 2 finden würden, hat die Laminatwelt noch etwas aufzuholen. Designer von digitalen PCBs und Verpackungen würden sehr gerne ein sehr dünnes starres Material mit einem Dk so niedrig wie 2 haben, da es die Signalintegrität in HDI-Systemen erheblich verbessert. Ich kenne ein Startup, das an dieser Art von Material arbeitet, und ich erwarte, dass die größeren Materialanbieter schließlich nachziehen werden.

Warum liegt der Fokus auf PCB-Materialien mit niedrigem Dk?

Wenn viele Richtlinien für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs dazu raten, ein „Laminat mit niedrigem Dk“ zu verwenden, empfehlen sie typischerweise ein PTFE-Laminat. Ich habe zwei Gründe für diese Empfehlung gefunden, die beide unsinnig sind:

1. Es gibt die falsche Annahme, dass niedriges Dk gleichbedeutend mit geringen Verlusten ist
2. Das niedrige Dk führt zu schnellerer Signalübertragung, was dann als Ausrede verwendet wird, um die Impedanzanpassung oder die Verwendung einer Masseebene zu ignorieren

Die Annahme in Punkt #1 ist einfach falsch. Die Verluste, die eine elektromagnetische Welle erfährt, werden vollständig durch den imaginären Teil der Dielektrizitätskonstante bestimmt, nicht durch den Verlustwinkel. Der Verlustwinkel ist lediglich eine zusammenfassende Kennzahl, die die Wellengeschwindigkeit mit dem Wellenverlust vergleicht und auch einige mathematische Berechnungen mit verteilten Schaltungselementwerten für Übertragungsleitungen vereinfacht. Das bedeutet, dass bei einem gegebenen Maß an dielektrischen Verlusten ein Material mit niedrigerem Dk einen höheren Verlustwinkel haben würde als ein Material mit höherem Dk.

Dies ist etwas, was Physiker am ersten Tag in einer Optikvorlesung lernen. Aus irgendeinem Grund haben Mikrowellen-Ingenieure das Memo nie erhalten.

Die Annahme in Punkt #2 ist ebenfalls eine unsinnige Richtlinie im Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs. Wenn Sie ein Hochgeschwindigkeits-PCB entwerfen, werden Sie viel mehr Zeit damit verbringen, Leiterbahnlängen zu berechnen, wenn Sie versuchen, unter der kritischen Länge für eine Übertragungsleitung zu bleiben. Außerdem ist die "kritische Länge" nicht gut definiert, wie ich schon oft diskutiert habe. Daher sollten Sie einfach das erforderliche Impedanzniveau für Ihre Schnittstellen entwerfen, unabhängig davon, ob Sie auf einem Material mit niedrigem Dk oder hohem Dk entwerfen.

Es ist auch extrem einfach, eine genaue Schätzung der Breite zu erhalten, die Ihre Zielimpedanz erreicht. Zusätzlich zum Layer Stack Manager in Altium Designer habe ich auf diesem Blog mehrere Rechneranwendungen veröffentlicht, die sehr genaue Schätzungen nahe der Zielimpedanz von 50 Ohm liefern können.

• Sehen Sie sich unsere Liste von Online-Impedanzrechnern an

Welche Anwendungen benötigen Materialien mit niedrigem Dk?

Trotz dessen, was ich oben über die Richtlinien zum Hochgeschwindigkeitsdesign geschrieben habe, gibt es Anwendungen, die Materialien mit niedrigerem Dk benötigen, einschließlich im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design. Zum Beispiel verwenden die folgenden Anwendungen häufig ein Material mit niedrigem Dk.

Die typischerweise in diesen Anwendungen verwendeten Materialien mit niedrigem Dk-Wert könnten gewählt werden, weil sie zufällig mit einem niedrigeren Verlustwinkel übereinstimmen. Andere Platinen, wie hochzuverlässige Leistungselektronik, könnten auf PTFE oder Polyimid aufgebaut sein, aber nicht, weil diese Materialien einen niedrigeren Dk-Wert als Standard-FR4-Laminate haben.

Der letzte Punkt in der obigen Tabelle ist wahrscheinlich der wichtigste für Hochgeschwindigkeitssysteme und in Systemen mit sehr hoher Frequenz. In beiden Systemen werden kleine Merkmalsgrößen erforderlich sein, um Zielimpedanzen zu erreichen und bei der erforderlichen Wellenlänge zu arbeiten (in RF-Systemen). Das bedeutet, dass Sie zu höheren Lagenzahlen übergehen und bei höheren Frequenzen arbeiten können, aber Sie werden in der Lage sein, einen weniger präzisen Fertigungsprozess zu verwenden. Dies ist wohl einer der größeren Vorteile dieser Materialien, da fortschrittlichere Produkte weiter in den Ultra-HDI-Bereich vorstoßen.

Wenn Sie bereit sind, Materialien für Ihren PCB-Stackup auszuwählen, einschließlich Standardkonstruktionen mit niedrigem Dk, nutzen Sie den kompletten Satz an Produktdesign-Tools in Altium Designer®. Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, macht die Plattform Altium 365™ die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte einfach. Kommen Sie und sehen Sie die monatlichen Funktionsupdates in Altium Designer.

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