Types de matériaux PTFE pour la conception de PCB RF

Les conceptions de PCB RF utilisent souvent des matériaux à base de PTFE à faible perte grâce à leurs très faibles pertes diélectriques et à leur large gamme de valeurs Dk possibles. Ces matériaux utilisent le polytétrafluoroéthylène (PTFE) comme matériau de base, mais ce n'est pas le seul constituant de ces matériaux stratifiés. Il y a également des renforcements et des charges qui sont utilisés pour concevoir les matériaux de PCB en PTFE afin qu'ils aient les propriétés matérielles requises.

Les matériaux à base de PTFE disponibles dans le commerce sont disponibles avec ou sans renforcement, mais c'est le travail du concepteur de spécifier ce dont ils ont besoin pour garantir la fiabilité et la fonctionnalité. Avant de choisir n'importe quel matériel à base de PTFE pour votre carte, assurez-vous de comprendre comment les charges et les renforcements dans les stratifiés en PTFE affectent le fonctionnement de votre carte.

Composants Matériels dans les Stratifiés en PTFE

Les matériaux à base de PTFE comprennent deux composants matériels principaux qui définissent leurs propriétés matérielles :

• Renforcement - assure la rigidité
• Charge - poudres céramiques utilisées pour concevoir les propriétés matérielles

Les stratifiés en PTFE utilisés dans les PCB utilisent des particules céramiques comme matériau de charge pour concevoir les propriétés matérielles du matériau stratifié. Les effets exacts sur les propriétés matérielles dépendent du type de céramique utilisé et de son contenu dans le substrat, et cela constitue largement la propriété intellectuelle des fabricants de stratifiés en PTFE.

En plus de l'utilisation de charges céramiques pour concevoir les propriétés thermiques, mécaniques et électromagnétiques, les stratifiés à base de PTFE peuvent inclure un renforcement dans la matrice de PTFE.

Renforcement par Tissage de Verre

Les renforcements en verre sont un renforcement standard utilisé dans les matériaux à base de PTFE pour les PCB RF. Ces renforcements sont les mêmes styles de tissu de verre tissé que l'on trouve dans les stratifiés standard en époxy-fibre de verre. En raison de la rigidité inférieure des matériaux de stratifié PTFE par rapport au FR4, le renforcement peut augmenter la rigidité globale de la carte si cela est nécessaire pour assurer la fiabilité. Cela simplifie également le perçage à travers un empilement, y compris dans les empilements hybrides.

Les styles de verre typiquement utilisés pour le renforcement comprennent :

• 1078
• 106
• 1080
• Verre étalé/plat

Comment ces styles de tissage diffèrent-ils, et comment créent-ils des différences dans la réponse en phase à travers les circuits ? En général, les tissages plus ouverts créeront une plus grande déviation entre votre réponse en phase cible sur un interconnect, et la réponse en phase réelle (mesurée), qui est l'effet classique de tissage de fibre. Cela est mauvais pour tout système sensible à la phase, tel que les réseaux phasés.

Si vous devez concevoir et fabriquer un système avec une réponse en phase cible avec un décalage minimal, alors vous devriez utiliser un renforcement en verre étalé/plat, ou pas de renforcement du tout. Il existe également des renforcements en verre non tissé et en céramique.

Renforcement en Verre Non Tissé

Il existe également un type de renforcement en verre qui est complètement aléatoire. Dans ce matériau à base de PTFE, vous pouvez généralement trouver le même niveau de rigidité mécanique que vous trouveriez dans les laminés renforcés tissés, mais sans le même niveau d'effets de tissage de fibres que vous verriez dans un laminé renforcé tissé. L'utilisation de verres non tissés dans les laminés PTFE est beaucoup moins courante car tous les fabricants n'offrent pas cette option dans leurs matériaux. Cependant, si elle est proposée (voir ci-dessous), les propriétés matérielles dans les PTFE renforcés tissés vs non tissés sont similaires.

Renforcé en Céramique vs. Rempli de Céramique

L'utilisation de renforcements en verre a permis l'utilisation de matériaux à base de PTFE plus minces dans les empilements de PCB, ce qui nécessite que la rigidité soit renforcée dans la matrice de PTFE. Cependant, le verre n'est pas le seul renforcement disponible ; les renforcements en céramique sont également utilisés pour fournir de la rigidité. Ces renforcements fournissent également la même fonction que les charges, mais ils ne fournissent pas le même type de renforcement mécanique que les tissages en verre.

Je mentionne la céramique comme renforcement car ces matériaux sont parfois spécifiquement désignés comme renforcements en céramique, et non simplement comme remplissage en céramique. Le renforcement en céramique ne contient pas de style de tissage, et donc, vous n'avez pas d'effets de tissage de fibres dans le stratifié de PCB. Cependant, la ligne entre le renforcement en céramique et le remplissage en céramique est floue et certains fournisseurs peuvent utiliser ces deux termes de manière interchangeable. Soyez prudent pour vérifier s'il existe une différence significative avant de finaliser une sélection de matériel.

Non renforcé

Enfin, il existe des stratifiés en PTFE non renforcés, qui contiennent uniquement un remplissage de microparticules de céramique et des additifs, mais pas d'autres renforcements. Beaucoup des produits de stratifié à base de PTFE que vous trouverez sont disponibles en variétés renforcées ou non renforcées. Je pense que la plupart des concepteurs supposent que leur stratifié en PTFE sera non renforcé, mais à moins que vous ne spécifiez exactement ce dont vous avez besoin, vous serez à la merci des stocks de matériaux de votre maison de fabrication.

Avantages : Pourquoi utiliserions-nous un matériau non renforcé ? Nous ferions cela si nous voulons éliminer toute possibilité que le renforcement crée des effets de tissage de fibres ou de biais le long des interconnexions dans le matériau de substrat. C'est le principal avantage de ces matériaux, surtout pour une utilisation dans des systèmes à très haute fréquence comme le radar. Il y a aussi des avantages dans les radars avancés à haute densité qui pourraient utiliser des vias aveugles sur les couches de construction extérieures, à savoir :

• Élimination du biais à travers les lignes RF à phase équilibrée
• Élimination des zones de nœuds où les brins de fibres se chevauchent

Inconvénients : Le principal inconvénient d'un matériau à base de PTFE non renforcé est son manque de rigidité avant qu'il ne soit intégré dans un empilement et durci. Cela peut entraîner un mauvais alignement des couches, en particulier dans les trous de perçage et les pastilles, qui pourraient présenter un léger désalignement. Sur les cartes modernes mentionnées ci-dessus, cela peut être une source significative de perte de retour à des fréquences très élevées.

Je ne veux pas dire que ces matériaux auront toujours une plus grande mésalignement, mais il est possible qu'ils présentent un plus grand mésalignement si votre maison de fabrication n'a pas l'expérience de travail avec ces matériaux. J'ai entendu un ingénieur d'application de chez Rogers décrire ces stratifiés non renforcés comme des « nouilles mouillées », signifiant qu'ils sont très souples et peuvent se plier lorsqu'ils sont ajoutés au stackup. Si vous envisagez d'utiliser du non renforcé, assurez-vous que votre fabricant a de l'expérience dans la manipulation de ces matériaux.

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