Arten von PTFE-Materialien für das Design von HF-Leiterplatten

RF-PCB-Designs nutzen oft PTFE-basierte Materialien mit geringen Verlusten, dank ihrer sehr niedrigen dielektrischen Verluste und der großen Bandbreite möglicher Dk-Werte. Diese Materialien verwenden Polytetrafluorethylen (PTFE) als Basismaterial, aber dies ist nicht der einzige Bestandteil dieser Laminatmaterialien. Es gibt auch Verstärkungen und Füllstoffe, die verwendet werden, um PTFE-PCB-Materialien so zu entwickeln, dass sie die erforderlichen Materialeigenschaften aufweisen.

Kommerziell verfügbare PTFE-basierte Materialien sind mit oder ohne Verstärkung erhältlich, aber es ist die Aufgabe des Designers, zu spezifizieren, was sie benötigen, um Zuverlässigkeit und Funktionalität zu gewährleisten. Bevor Sie einfach irgendein PTFE-basiertes Material für Ihre Platine auswählen, stellen Sie sicher, dass Sie verstehen, wie Füllstoffe und Verstärkungen in PTFE-Laminaten die Funktion Ihrer Platine beeinflussen.

Materialkomponenten in PTFE-Laminaten

PTFE-basierte Materialien umfassen zwei Hauptmaterialkomponenten, die ihre Materialeigenschaften definieren:

• Verstärkung - sorgt für Steifigkeit
• Füllstoff - keramische Pulver, die verwendet werden, um die Materialeigenschaften zu entwickeln

PTFE-Laminate, die in PCBs verwendet werden, nutzen keramische Partikel als Füllmaterial, um die Materialeigenschaften des Laminatmaterials zu entwickeln. Die genauen Auswirkungen auf die Materialeigenschaften hängen von der Art der verwendeten Keramik und ihrem Gehalt im Substrat ab, und dies ist weitgehend das geistige Eigentum der Hersteller von PTFE-Laminaten.

Neben der Verwendung von keramischen Füllstoffen zur Gestaltung thermischer, mechanischer und elektromagnetischer Eigenschaften können PTFE-basierte Laminate eine Verstärkung in der PTFE-Matrix enthalten.

Glasgewebeverstärkung

Glasverstärkungen sind eine Standardverstärkung, die in PTFE-basierten Materialien für HF-PCBs verwendet wird. Diese Verstärkungen sind die gleichen gewebten Glasfasermaterialien, die in standardmäßigen Epoxy-Glasfaserlaminaten zu finden sind. Aufgrund der geringeren Steifigkeit von PTFE-Laminatmaterialien im Vergleich zu FR4 kann eine Verstärkung die Gesamtsteifigkeit der Platine erhöhen, falls dies zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit erforderlich ist. Es vereinfacht auch das Bohren durch einen Stapel, einschließlich in hybriden Stapeln.

Die typischen Glasstile, die für die Verstärkung verwendet werden, umfassen:

• 1078
• 106
• 1080
• Spread/Flachglas

Wie unterscheiden sich diese Gewebestile und wie erzeugen sie Unterschiede in der Phasenantwort über Schaltkreise? Im Allgemeinen werden offenere Gewebe eine größere Abweichung zwischen Ihrer Zielphasenantwort auf einer Verbindung und der tatsächlichen (gemessenen) Phasenantwort erzeugen, was der klassische Fasergewebeeffekt ist. Dies ist schlecht für jedes phasenempfindliche System, wie zum Beispiel Phased-Array-Antennen.

Wenn Sie ein System entwerfen und herstellen müssen, das eine Zielphasenantwort mit minimaler Verzögerung aufweist, sollten Sie eine Verstärkung mit gestreutem/flachem Glas oder gar keine Verstärkung verwenden. Es gibt auch nicht gewebte Glas- und Keramikverstärkungen.

Nicht gewebte Glasverstärkung

Es gibt auch eine Art von Glasverstärkung, die völlig zufällig ist. In diesem PTFE-basierten Material finden Sie typischerweise das gleiche Niveau an mechanischer Steifigkeit, das Sie in gewebten Verstärkungslaminaten finden würden, jedoch ohne das gleiche Niveau an Fasergewebewirkungen, die Sie in einem gewebten Verstärkungslaminat sehen würden. Die Verwendung von nicht gewebtem Glas in PTFE-Laminaten ist viel weniger verbreitet, da nicht alle Hersteller diese Option in ihren Materialien anbieten. Wenn es jedoch angeboten wird (siehe unten), sind die Materialeigenschaften in gewebten vs. nicht gewebten verstärkten PTFE ähnlich.

Keramikverstärkt vs. Keramikgefüllt

Die Verwendung von Glasverstärkungen hat den Einsatz dünnerer PTFE-basierter Materialien in PCB-Stackups ermöglicht, was erfordert, dass Steifigkeit im PTFE-Matrix erzwungen wird. Glas ist jedoch nicht die einzige verfügbare Verstärkung; auch Keramikverstärkungen werden verwendet, um Steifigkeit zu bieten. Diese Verstärkungen erfüllen auch die gleiche Funktion wie Füllstoffe, bieten jedoch nicht die gleiche Art von mechanischer Verstärkung wie Glasgewebe.

Ich spreche Keramik als Verstärkung an, weil diese Materialien manchmal speziell als Keramikverstärkungen und nicht nur als Keramikfüllstoff bezeichnet werden. Keramikverstärkungen enthalten keinen Gewebestil, sodass es keine Fasergewebewirkungen im PCB-Laminat gibt. Allerdings ist die Grenze zwischen Keramikverstärkung und Keramikfüllung verschwommen, und einige Anbieter verwenden diese beiden Begriffe möglicherweise austauschbar. Seien Sie vorsichtig und prüfen Sie, ob es einen bedeutenden Unterschied gibt, bevor Sie eine Materialauswahl abschließen.

Unverstärkt

Schließlich gibt es unverstärkte PTFE-Laminate, die nur einen keramischen Mikropartikelfüller und Zusatzstoffe enthalten, aber keine weiteren Verstärkungen. Viele der PTFE-basierten Laminatprodukte, die Sie finden können, sind in verstärkten oder unverstärkten Varianten erhältlich. Ich denke, die meisten Designer gehen davon aus, dass ihr PTFE-Laminat unverstärkt sein wird, aber wenn Sie nicht genau angeben, was Sie benötigen, sind Sie auf die Materialbestände Ihres Fertigungshauses angewiesen.

Vorteile: Warum sollten wir ein unverstärktes Material verwenden? Wir würden dies tun, wenn wir jegliche Möglichkeit ausschließen wollen, dass die Verstärkung Effekte wie Fasergewebe oder Schrägstellung entlang der Verbindungen im Substratmaterial erzeugt. Dies ist der Hauptvorteil dieser Materialien, insbesondere für den Einsatz in Systemen mit sehr hohen Frequenzen wie Radar. Es gibt auch Vorteile bei hochdichten fortschrittlichen Radarsystemen, die möglicherweise Blindvias in äußeren Aufbauschichten verwenden, nämlich:

• Schrägstellungsausgleich über phasenabgeglichene HF-Leitungen
• Eliminierung von Knickbereichen, wo sich Faserstränge überlappen

Nachteile: Der Hauptnachteil eines unverstärkten PTFE-basierten Materials ist seine mangelnde Steifigkeit, bevor es in einen Stapel eingebaut und ausgehärtet wird. Dies kann zu Schicht-für-Schicht-Fehlregistrierungen führen, insbesondere bei Bohrlöchern und Pads, die eine leichte Fehlausrichtung aufweisen könnten. Bei den modernen Platinen, die ich oben erwähnt habe, kann dies eine bedeutende Quelle für Rückflussverluste bei sehr hohen Frequenzen sein.

Ich möchte nicht behaupten, dass diese Materialien immer eine größere Fehlregistrierung aufweisen werden, aber es ist möglich, dass sie eine größere Fehlregistrierung aufweisen, wenn Ihr Fertigungsbetrieb keine Erfahrung im Umgang mit diesen Materialien hat. Ich habe einen Anwendungsingenieur von Rogers diese unverstärkten Laminate als „nasse Nudeln“ beschreiben hören, was bedeutet, dass sie sehr schlaff sind und sich biegen können, wenn sie zum Stapel hinzugefügt werden. Wenn Sie unverstärkte Materialien verwenden möchten, stellen Sie sicher, dass Ihr Hersteller Erfahrung in der Handhabung dieser Materialien hat.

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