Comparaison des matériaux de PCB RF pour les dispositifs en ondes millimétriques

Lorsque certains concepteurs commencent à parler de matériaux, ils pensent probablement par défaut aux stratifiés FR4. La réalité est qu'il existe de nombreux matériaux FR4, chacun ayant une structure relativement similaire et une gamme de valeurs de propriétés matérielles. Les conceptions sur FR4 sont assez différentes de celles rencontrées dans la gamme des basses GHz et des fréquences mmWave. Alors, qu'est-ce qui change exactement à haute fréquence, et qu'est-ce qui rend ces matériaux différents ?

Pour voir ce qui rend un stratifié spécifique utile comme matériau de PCB RF, jetez un œil à notre guide ci-dessous. Nous vous montrerons quelques exemples de fournisseurs populaires et comment vous pouvez utiliser ces matériaux dans votre empilement de PCB.

Quand avez-vous besoin d'un matériau de PCB RF ?

C'est une question légitime et elle se rapporte à certaines tâches importantes dans l'analyse des systèmes. Il y a quelques considérations différentes qu'un concepteur devrait examiner lors de la qualification d'un matériau de substrat de PCB alternatif à utiliser. Voici une courte liste de certaines dimensions que vous pourriez examiner lors de la sélection d'un matériau de substrat de PCB RF.

• Tangente de perte : C'est le premier domaine majeur que les concepteurs de PCB utiliseront pour commencer à comparer les options de matériaux.
• Constante diélectrique : Bien que cela soit parfois mal compris, et que tout le monde tende simplement à opter pour des stratifiés à faible Dk, les stratifiés à haute Dk peuvent également présenter un faible angle de perte et d'autres avantages.
• Propriétés thermiques : Il existe de multiples propriétés thermiques, mais les plus importantes sont probablement la température de transition vitreuse et le CTE.
• Facilité de fabrication : Les concepteurs qui laissent cela à la discrétion de leur fabricant prennent des risques. Il est préférable de contacter votre fabricant concernant la disponibilité des matériaux, leur capacité à travailler la carte, et la disponibilité des matériaux.
• Épaisseur : Vous ne pouvez pas simplement choisir n'importe quelle épaisseur, vous devrez vérifier avec votre fabricant leur empilement préféré. Si vous savez quelles épaisseurs de couche ils peuvent supporter, vous pouvez généralement adapter votre conception assez près des spécifications du fabricant.
• Dispersion : J’ai mis cela en bas de la liste car cela a tendance à être le moins important pour les applications mmWave. Les bandes passantes dans les dispositifs mmWave peuvent être suffisamment petites pour que la dispersion soit négligeable, mais vous devriez tout de même vérifier cela lorsque c'est possible.

Malheureusement, comme c'est le cas dans de nombreux problèmes d'ingénierie, il n'existe pas de réponse parfaite ou de matériau parfait capable de performer dans tous ces domaines simultanément. Cependant, pour les produits RF de haute fiabilité, il existe certains matériaux de substrat de PCB RF courants qui sont conçus pour supporter des bandes de fréquences spécifiques sans compromettre les propriétés thermiques importantes.

Fournisseurs de matériaux de PCB RF PTFE bien connus

Les matériaux standards d'aujourd'hui pour les dispositifs RF et mmWave sont basés sur le PTFE. Rogers est probablement le fabricant le plus connu de matériaux de PCB RF à base de PTFE, et l'entreprise fabrique une variété de matériaux de stratifié de PCB à haute fréquence. Certains de ces matériaux sont spécialisés pour être utilisés dans les bandes Ka et W (radar de voiture et futures bandes 5G). Si vous avez déjà téléchargé un design de référence de PCB pour un produit RF, leur exemple de layout a probablement été construit en utilisant Rogers.

Un autre fournisseur bien connu est Isola, dont les options de matériaux pour PCB RF ciblent une gamme de fréquences jusqu'à la bande W. En plus de certains matériaux pour PCB RF, ils proposent également une gamme de stratifiés de grade FR4 standard. Un stratifié vers lequel j'ai tendance à me tourner par défaut est le 370HR, et je l'ai utilisé pour construire plusieurs produits de réseautage et plateformes IoT personnalisées. Il fonctionne parfaitement bien à des fréquences Wifi pour la disposition et le routage de PCB RF, et il conviendra bien pour la plupart des applications numériques.

Quelques exemples de matériaux pour PCB RF en PTFE et la performance de chacun sont présentés dans le tableau ci-dessous. Notez que certaines valeurs typiques pour le FR4 à faible Tg sont incluses dans les bandes X-K comme base de référence.

Nous ne pouvons pas montrer toutes les options de substrat possibles pour la conception de PCB RF, mais je me suis concentré sur celles-ci car elles sont des options populaires pour plusieurs raisons. Les valeurs de l'angle de perte sont celles que vous attendriez par rapport aux matériaux FR4 typiques (environ un facteur 10 plus bas), et ces matériaux ont des températures de décomposition élevées par rapport aux stratifiés FR4 typiques. Ce sont certaines des principales caractéristiques identifiées dans les fiches IPC, et votre fabricant peut suggérer un matériau de PCB alternatif qui sera compatible avec votre stratifié souhaité.

Que vous souhaitiez utiliser l'une des options du tableau ci-dessus ou une autre plateforme de matériaux, soyez attentif lorsque vous lisez les fiches techniques. Le fournisseur de matériaux devrait être en mesure de vérifier les valeurs qu'ils indiquent dans les conditions de fonctionnement listées. Vous pouvez en apprendre beaucoup plus sur les matériaux diélectriques pour votre substrat et les méthodes de test auprès de John Coonrod de Rogers Corp.

Travailler avec le PTFE et d'autres matériaux

Chaque décision de conception comporte des compromis, et les matériaux à base de PTFE présentent quelques inconvénients de base par rapport au FR4 :

• Un CTE élevé, donc l'expansion thermique met plus de stress sur les éléments en cuivre
• Le PTFE ne se lie pas facilement à d'autres matériaux, donc un bondply est utilisé
• Le PTFE est une substance douce qui peut être facilement déformée

Il y a ensuite le coût. Les stratifiés en PTFE sont un matériel spécialisé malgré leur popularité, donc les dispositifs RF ne sont normalement pas construits avec du PTFE dans toute la pile de couches. Une option consiste à utiliser un empilement hybride, où le stratifié en PTFE est placé sur la couche de surface et les signaux haute fréquence sont uniquement routés sur le stratifié en PTFE au-dessus d'une couche plane. Un exemple de tableau d'empilement pour une carte RF à 6 couches est présenté ci-dessous.

Surveillez les nouveaux matériaux innovants

Les entreprises de matériaux continueront à développer des solutions innovantes à faible perte et à faible dispersion. Certains des matériaux expérimentaux les plus récents ciblent les effets de tissage de fibre et tenteront de les résoudre avec des matériaux plus lisses. Avec les bons outils de superposition de couches PCB, vous ne serez pas limité à des valeurs de matériaux spécifiques, vous pouvez entrer des données de matériaux personnalisées de votre fabricant dans votre conception de superposition.

Une fois que vous avez sélectionné un matériau PCB RF approprié pour supporter la disposition et le routage à haute fréquence, vous pouvez créer une superposition de haute qualité avec Altium Designer. Tous les utilisateurs d'Altium Designer peuvent utiliser l'extension EDB Exporter pour importer leur conception dans les solveurs de champ Ansys pour des simulations avancées d'intégrité de signal.

Lorsque vous avez terminé votre conception, et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description des fonctionnalités plus approfondie ou l'un des Webinaires à la Demande.