Vergleich von RF-PCB-Materialien für mmWave-Geräte

Wenn einige Designer über Materialien sprechen, denken sie wahrscheinlich standardmäßig an FR4-Laminate. In Wirklichkeit gibt es viele FR4-Materialien, jedes mit einer relativ ähnlichen Struktur und einer Reihe von Materialeigenschaftswerten. Designs auf FR4 unterscheiden sich deutlich von denen, die im niedrigen GHz-Bereich und bei mmWave-Frequenzen auftreten. Was ändert sich also bei hohen Frequenzen genau, und was macht diese Materialien anders?

Um zu sehen, was ein spezifisches Laminat als RF-PCB-Material nützlich macht, werfen Sie einen Blick auf unseren Leitfaden unten. Wir zeigen Ihnen einige Beispiele von beliebten Anbietern und wie Sie diese in Ihrem PCB-Stackup verwenden können.

Wann benötigen Sie ein RF-PCB-Material?

Dies ist eine berechtigte Frage und sie bezieht sich auf einige wichtige Aufgaben in der Systemanalyse. Es gibt einige verschiedene Überlegungen, die ein Designer prüfen sollte, wenn ein alternatives PCB-Substratmaterial verwendet werden soll. Hier ist eine kurze Liste einiger Dimensionen, die Sie beim Auswählen eines RF-PCB-Substratmaterials betrachten könnten.

• Verlustfaktor: Dies ist der erste wichtige Bereich, den PCB-Designer verwenden werden, um mit dem Vergleich von Materialoptionen zu beginnen.
• Dielektrizitätskonstante: Obwohl dies manchmal missverstanden wird und jeder dazu neigt, einfach Laminaten mit niedriger Dk zu wählen, können High-Dk-Laminate ebenfalls eine niedrige Verlusttangente und andere Vorteile haben.
• Thermische Eigenschaften: Es gibt mehrere thermische Eigenschaften, aber die wahrscheinlich wichtigsten sind Glasübergangstemperatur und CTE.
• Verarbeitbarkeit in der Fertigung: Designer, die dies allein ihrem Fertiger überlassen, gehen ein Risiko ein. Es ist am besten, Ihren Fertiger bezüglich der Verfügbarkeit von Materialien, deren Verarbeitungsmöglichkeiten und der Materialverfügbarkeit zu kontaktieren.
• Dicke: Sie können nicht einfach eine beliebige Dicke wählen, Sie müssen mit Ihrem Fertiger über dessen bevorzugten Stackup sprechen. Wenn Sie wissen, welche Schichtdicken sie unterstützen können, können Sie Ihr Design in der Regel ausreichend genau an die Spezifikationen des Fertigers anpassen.
• Dispersion: Ich habe dies an das Ende der Liste gesetzt, da es für mmWave-Anwendungen am wenigsten wichtig zu sein scheint. Die Bandbreiten in mmWave-Geräten können klein genug sein, dass die Dispersion vernachlässigbar ist, aber Sie sollten dies dennoch überprüfen, wo es möglich ist.

Leider gibt es, wie bei vielen Ingenieurproblemen, keine perfekte Antwort oder perfektes Material, das gleichzeitig in all diesen Bereichen leisten kann. Für hochzuverlässige RF-Produkte gibt es jedoch einige gängige RF-PCB-Substratmaterialien, die speziell dafür entwickelt wurden, bestimmte Frequenzbänder zu unterstützen, ohne wichtige thermische Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Bekannte PTFE RF-PCB-Materialanbieter

Die heutigen Standardmaterialien für RF- und mmWave-Geräte sind PTFE-basierte Materialien. Rogers ist wahrscheinlich der bekannteste Hersteller von PTFE-basierten RF-PCB-Materialien, und das Unternehmen stellt eine Vielzahl von hochfrequenten PCB-Laminatmaterialien her. Einige davon sind spezialisiert für den Einsatz in den Ka- und W-Bändern (Autradar und zukünftige 5G-Bänder). Wenn Sie jemals ein PCB-Referenzdesign für ein RF-Produkt heruntergeladen haben, wurde dessen Beispiel-Layout wahrscheinlich mit Rogers gebaut.

Ein weiterer bekannter Anbieter ist Isola, dessen RF-PCB-Materialoptionen eine Reihe von Frequenzen bis hin zum W-Band abdecken. Neben einigen RF-PCB-Materialien bieten sie auch eine Reihe von Standard-FR4-Grad-Laminaten an. Ein Laminat, zu dem ich standardmäßig tendiere, ist 370HR, und ich habe dieses verwendet, um mehrere Netzwerkprodukte und benutzerdefinierte IoT-Plattformen zu bauen. Es funktioniert perfekt bei Wifi-Frequenzen für RF-PCB-Layout und -Routing, und es wird auch für die meisten digitalen Anwendungen gut funktionieren.

Einige Beispiele für PTFE-RF-PCB-Materialien und die Leistung jedes einzelnen werden in der untenstehenden Tabelle gezeigt. Beachten Sie, dass einige typische Werte für niedrig-Tg FR4 in den X-K-Bändern als Basislinie enthalten sind.

Wir können nicht jede mögliche Substratoption für RF-PCB-Design zeigen, aber ich habe mich auf diese konzentriert, da sie aus einigen Gründen beliebte Optionen sind. Die Verlustfaktorwerte entsprechen dem, was man im Vergleich zu typischen FR4-Materialien erwarten würde (etwa ein Faktor 10 niedriger), und diese Materialien haben hohe Zersetzungstemperaturen im Vergleich zu typischen FR4-Laminaten. Dies sind einige der Hauptmerkmale, die in IPC-Slash-Blättern identifiziert wurden, und Ihr Hersteller kann ein alternatives PCB-Material vorschlagen, das mit Ihrem gewünschten Laminat kompatibel sein wird.

Egal, ob Sie eine der Optionen in der obigen Tabelle verwenden möchten oder eine andere Materialplattform, seien Sie aufmerksam beim Lesen von Datenblättern. Der Materialhersteller sollte in der Lage sein, die angegebenen Werte unter den aufgeführten Betriebsbedingungen zu verifizieren. Sie können viel mehr über dielektrische Materialien für Ihr Substrat und Testmethoden von John Coonrod von Rogers Corp erfahren.

Arbeiten mit PTFE und anderen Materialien

Jede Designentscheidung bringt Kompromisse mit sich, und PTFE-basierte Materialien haben einige grundlegende Nachteile im Vergleich zu FR4:

• Hoher CTE, sodass thermische Ausdehnung mehr Stress auf Kupferelemente ausübt
• PTFE haftet nicht leicht an anderen Materialien, daher wird eine Bindeschicht verwendet
• PTFE ist eine weiche Substanz, die leicht verformt werden kann

Dann gibt es die Kosten. PTFE-Laminate sind ein Spezialmaterial trotz ihrer Beliebtheit, daher werden HF-Geräte normalerweise nicht durchgehend mit PTFE in den Schichtstapeln gebaut. Eine Option ist die Verwendung eines Hybrid-Stapelaufbaus, bei dem das PTFE-Laminat auf der Oberflächenschicht platziert wird und Hochfrequenzsignale nur auf dem PTFE-Laminat über einer Planarschicht geroutet werden. Eine Beispiel-Stapeltabelle für eine 6-Lagen-HF-Platine wird unten gezeigt.

Achten Sie auf neue innovative Materialien

Materialunternehmen werden weiterhin innovative Lösungen mit geringen Verlusten und geringer Dispersion entwickeln. Einige der neuesten experimentellen Materialien zielen auf Fasergewebeeffekte ab und werden versuchen, diese mit glatteren Materialien zu lösen. Mit den richtigen PCB-Lagenstapelwerkzeugen sind Sie nicht auf spezifische Materialwerte beschränkt, Sie können benutzerdefinierte Materialdaten von Ihrem Hersteller in Ihr Stapeldesign eingeben.

Sobald Sie ein geeignetes HF-PCB-Material ausgewählt haben, das ein Hochfrequenz-Layout und -Routing unterstützt, können Sie mit Altium Designer einen hochwertigen Stapel erstellen. Alle Altium Designer-Benutzer können die EDB Exporter-Erweiterung nutzen, um ihr Design in Ansys-Feldlöser für fortgeschrittene Signalintegritätssimulationen zu importieren.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, erleichtert die Altium 365™-Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Funktionsbeschreibung oder eines der On-Demand-Webinare überprüfen.