Best Practices für die Materialauswahl für Hochfrequenz-PCBs

Hochfrequenz-PCB-Design kann esoterisch wirken, und ich habe schon manchen Ingenieur gehört, der es als „schwarze Magie” bezeichnet! Das Thema ist auch etwas unübersichtlich, besonders wenn jemand fragt, welche Frequenzen vernünftigerweise als „hoch” angesehen werden können. Tatsächlich treten einige der Herausforderungen aus dem High-Speed-Design auch beim Hochfrequenzdesign auf, nur denken wir auf unterschiedliche Weise darüber nach. Bevor Sie irgendetwas im Layout einer High-Speed- oder HF-Leiterplatte vornehmen, müssen Sie auf die Materialien achten, die in der Leiterplatte/PCB verwendet werden.

Die meisten Designer, die eine Leiterplatte für den Einsatz mit Hochfrequenzen konstruieren müssen, wählen in der Regel ein verlustarmes FR4-Laminat oder ein PTFE-Laminat mit niedrigem Dk-Wert, und es damit gut sein lassen. Ein niedriger Dk-Wert ist jedoch nicht immer notwendig, je nach Frequenz natürlich, und Sie können mit einem Standardlaminat oder möglicherweise einem Laminat mit hohem Dk-Wert für Ihre spezielle Anwendung gut arbeiten. Wenn Sie unsicher sind, welche Hochfrequenz-PCB-Materialien Sie verwenden sollten, dann lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren.

Beginnen Sie mit den Eigenschaften von Hochfrequenz-PCB-Materialien

Es gibt ein paar Materialeigenschaften, auf die beim Kauf von Hochfrequenz-PCB-Materialien besonderer Wert gelegt werden sollte. Es gibt mehrere Anbieter, die diese Materialien herstellen, und alle versuchen, aufgrund der elektromagnetischen Eigenschaften der von ihnen hergestellten Materialien miteinander zu konkurrieren. Sie können alle Materialeigenschaften, die ich hier beschreibe, unten im Datenblatt des Anbieters wiederfinden.

Dk und Df (Verlustfaktor)

Beim Lesen von Datenblättern sucht wahrscheinlich jeder zuerst nach diesem Punkt. Materialanbieter geben diese Werte für bestimmte Frequenzen an, normalerweise 1 GHz oder 10 GHz, je nach Zielmarkt für das Material. Ich denke, dass die meisten Designer nach dieser Spezifikation suchen, weil sie mit einem System arbeiten, das einen geringen Verlust aufweisen muss, so dass sie im Allgemeinen mit einem Vergleich der dielektrischen Verlustwerte beginnen.

Der wichtige Faktor, auf den Sie sich konzentrieren sollten, hängt von der Art der Hochfrequenz-Leiterplatte ab, die Sie entwerfen möchten:

1. Wenn Sie sehr kleine gedruckte HF-Schaltkreise herstellen möchten, benötigen Sie einen größeren Realteil der dielektrischen Konstante.
2. Wenn Ihr Ziel ein geringer Verlust ist, sollten Sie einen niedrigen Imaginärteil der dielektrischen Konstante anstreben.

Wenn Ihre Verbindungen sehr lang werden und die Gefahr übermäßiger Verluste besteht, sollten Sie ein Material mit einem kleineren Imaginärteil der dielektrischen Konstante verwenden. Das reale Bauteil (Dk) hat nichts mit dielektrischen Verlusten zu tun, wenn die Impedanz auf Ihren Zielwert festgelegt ist. Dk spielt jedoch eine Rolle, weil es die Wellenlänge Ihres Betriebssignals in Ihrer Hochfrequenz-Leiterplatte bestimmt. Kleinere Schaltungen benötigen im Allgemeinen eine kleinere Wellenlänge, was bedeutet, dass Sie einen größeren Dk-Wert benötigen.

Ein wichtiger Punkt, der bei jedem gedruckten HF-Schaltkreis auftaucht, der auf Resonanz beruht (z. B. Wellenleiter, Antennen und Resonatoren), ist die Richtung des elektrischen Feldes. Die dielektrische Konstante von Substratmaterialien ist entlang jeder Achse im Material unterschiedlich, weshalb die dielektrische Konstante, die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und Resonanz bestimmt, von der Richtung des elektrischen Feldes im System abhängt. Diese Unterschiede machen vielleicht nur etwa 5 % aus, sie sind aber bei einigen High-Q-Strukturen, wie kurzen Resonatoren und Emittern, die modulierte Signale unterstützen, von Bedeutung. Der dielektrische konstante Wert, der verschiedenen elektrischen Polarisierungsrichtungen entspricht, sollte in Ihren Materialdatenblättern angegeben werden.

Verfügbare Dicke und Plattengröße

Das mag etwas banal klingen, aber Hochfrequenz-PCB-Materialien können nicht immer in jeder gewünschten Dicke oder Plattengröße gekauft werden. Bei diesen Materialien handelt es sich im Allgemeinen um kupferkaschierte Laminate mit einer bestimmten Dicke, und mehrere dieser Laminate können mit einer Bondply zusammen gestapelt werden. Sie können auch in einem Hybrid-Stackup mit anderen FR4-Laminaten ähnlicher Dicke verwendet werden. Die Laminatdicke bestimmt dann die Gesamtdicke der Leiterplatte sowie die Linienbreiten der Kupfer-Leiterbahn/Schaltung, die Sie für die Weiterleitung von HF-Signalen und die Erstellung gedruckter HF-Schaltkreise auf der Leiterplatte verwenden können.

Die Dicke ist besonders wichtig, da sie die Linienbreite bestimmt, die erforderlich ist, um die Zielimpedanz des Systems zu erreichen. Dies ist ein wichtiger Bestandteil jeder HF-Leiterplatte, da Komponenten und alle gedruckten Elemente überwiegend auf eine Systemimpedanz von 50 Ohm ausgelegt sind. Selbst wenn Sie Schaltkreise mit Impedanzabstimmung verwenden, um die Impedanz des gedruckten Schaltkreises an die Systemimpedanz anzupassen, bestimmt die Substratdicke immer noch die Impedanzfehlanpassung, die Sie in Ihrem Anpassungsschaltkreis kompensieren müssen, weil sie den Abstand zur Massefläche auf der nächsten Schicht festlegt. Wenn Sie also kleinere Schaltkreisgrößen und Linienbreiten benötigen, gibt es zwei Möglichkeiten:

1. Verwenden Sie einen größeren Dk-Wert, um kleinere Schaltkreise zu erhalten
2. Verwenden Sie ein dünneres Laminat, um kleinere Schaltkreise zu erhalten

Wenn Sie mit einem externen Hersteller zusammenarbeiten und aus dessen Materialbeständen beziehen, sind Sie auch auf dessen Materialien beschränkt und geben normalerweise keine Plattengröße an. Hersteller mit hoher Serienfertigung können eher diversifizierte Materialbestände vorhalten. Die Plattengröße bestimmt die Kosten pro Einheit, da die Platte nur für eine maximale Anzahl von Leiterplatten geeignet ist. Jedoch ist es ziemlich sinnlos, aufgrund der Plattengröße bei Herstellern einzukaufen. Wenn Sie größere oder kleinere Plattengrößen als die Standardplattenfläche erhalten können, betrachten Sie dies als praktischen Bonus und nutzen Sie die Gelegenheit, um ein paar zusätzliche Platten zu bestellen. Wenn nicht, dann machen Sie sich keinen Stress wegen der Plattengröße, denn sie ist nur ein kleines Detail.

Art der Kupferfolie

Für Hochfrequenzmaterialien kann eine bestimmte Reihe von Kupferfolienmaterialien verwendet werden. Dabei kann es sich um gewalztes geglühtes Kupfer oder um Rohkupfer mit niedrigem Profil handeln, das die geringstmöglichen Verluste aufweisen soll. In einem guten Datenblatt wird die ungefähre Rauheit angegeben (normalerweise die RMS-Rauheit der z-Achse), so dass Sie die ungefähren Verluste bei Ihrer Betriebsfrequenz abschätzen können. Im Allgemeinen ist glatteres Kupfer (geringere RMS-Rauheit) im Hinblick auf Verluste wünschenswert, da es eine geringere Verstärkung des Skin-Effekts und eine geringere Impedanzabweichung bewirkt. Wenn Ihre Verbindungen sehr kurz sind und Sie kleinere gedruckte Schaltkreise benötigen, konzentrieren Sie sich mehr auf die Dk/Df-Paarung als auf die spezifische Art der Kupferfolie.

Wenn Sie ein bestimmtes Hochfrequenz-Leiterplattenmaterial bewerten und ein Gefühl für die Leitungsverluste im Schaltkreis bekommen müssen, können Sie eine einfache Näherung für die Ausbreitungskonstante verwenden, um die Leitungsverluste anhand des Gleichstromwiderstands der Leiterbahn, des Skin-Effekts und des Kupfer-Rauheitsfaktors abzuschätzen:

Diese Formel gibt Ihnen die Leistungsverluste pro Längeneinheit entlang des Leiters an. Der Skin-Effekt und der DC-Widerstand können von einer Rechenanwendung bestimmt werden, während der Kupfer-Rauheitsfaktor K eine Messung oder ein Standard-Rauheitsmodell zur Berechnung erfordert.

• Erfahren Sie mehr über die Verwendung dieser Formeln und die Schätzung von Kupferverlusten.
• Erfahren Sie mehr über die Modellierung von Korrekturfaktoren für die Kupfer-Rauheit.

Im Allgemeinen ist eine glattere Kupferfolie in einem HF-PCB-Layout wünschenswerter, aber das ist nicht alles. Auch das Beschichtungsmaterial ist zu berücksichtigen, da diese Materialien eine raue Schnittstelle in die Kupferschicht einbringen können, die zu größeren Rohverlusten führt. Es gibt zwei Oberflächenmetallisierungen, die im Vergleich zu blankem Kupfer praktisch keine zusätzlichen Verluste verursachen können: Organischer Oberflächenschutz (Organic Solderability Preserve - OSP) und Immersionssilber (ImAg). Im Allgemeinen müssen Sie ein verlustärmeres Metallisierungsmaterial wählen, wenn Sie über 2,4 GHz Wifi arbeiten oder Ihre Verbindungen lang sind.

• Lesen Sie mehr über Oberflächenveredelungen bei der Herstellung von Leiterplatten.

Thermische und mechanische Eigenschaften

Diese werden oft erst später betrachtet, wenn das Gerät, das Sie bauen, nicht in einer hochzuverlässigen Anwendung eingesetzt werden soll. Bei bestimmten Systemtypen, wie zum Beispiel in der Hochfrequenz-Luftfahrtelektronik, stehen die thermischen und mechanischen Eigenschaften an erster Stelle, da die Geräte während des Betriebs hohen Temperaturen, wiederholten Temperaturwechseln, mechanischen Vibrationen oder Stößen ausgesetzt sein können. Zum Beispiel sind in einigen der Hochfrequenzgeräte, die ich für Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie gebaut habe, aufgrund ihres Zugmoduls immer spezielle Rogers-Laminate eingesetzt. Eine weitere wünschenswerte Materialeigenschaft in der Welt des hybriden Lagenaufbaus ist die Abstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion - CTE); einige PTFE-Materialien können die CTE-Werte sehr gut an FR4 anpassen, so dass sie für die Verwendung in einem hybriden PCB-Stackup geeignet sind.

Zusammenfassung - Arbeiten Sie mit dem Händler Ihres Vertrauens zusammen!

Es gibt viele verschiedene Materialien auf dem Markt, auch von einigen weniger bekannten Anbietern, die nicht die erste Wahl für Hochfrequenz-PCB-Laminate sind. Wenn Sie noch nie mit der weiten Welt der verlustarmen Glasepoxid- und PTFE-Laminate in Berührung gekommen sind, lesen Sie diesen Blogbeitrag über Hochfrequenzmaterialien für Mikrowellen-/mmwave-Geräte. Dort finden Sie eine lange Liste von Materialien, die einen guten Überblick über die möglichen Materialoptionen für HF-Leiterplatten bietet.

Abschließend gebe ich zu bedenken, dass Sie die Preise von vielen verschiedenen Materialien zwar vergleichen, aber letztendlich keine davon verwenden können, wenn sie nicht beim Händler Ihres Vertrauens vorrätig und mit dessen Verarbeitungsprozessen kompatibel sind. Bevor Sie mit dem Design beginnen, stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Lagenaufbau und Ihre Materialauswahl mit Ihrem Händler abstimmen. Nicht alle Hersteller haben Materialien für Mikrowellengeräte auf Lager, weil sie diesen Teil des Marktes möglicherweise nicht bedienen. Das Letzte, was Sie wollen, ist beim Fertigstellen eines Designs festzustellen, dass die von Ihnen gewünschten Materialsätze komplett ausverkauft sind, und Sie Ihre sorgfältig entworfenen gedruckten Schaltkreiselemente anpassen müssen, um sicherzustellen, dass Sie Ihre Verlust- und Impedanzziele erreichen.

Sobald Sie die idealen Hochfrequenz-PCB-Materialien für Ihr HF-System gefunden haben, können Sie den Layer Stack Manager in Altium Designer^® verwenden, um Ihren Lagenaufbau zu definieren, Impedanzen zu bestimmen und Routing-Regeln zu erstellen. Außerdem können Sie und Ihr Team über die Altium 365^™ -Plattform produktiv bleiben und effizient an fortschrittlichen Elektronikdesigns zusammenarbeiten. Alles, was Sie für das Design und die Herstellung moderner Elektronik benötigen, finden Sie hier in einem einzigen Softwarepaket.

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