Guida ai materiali PCB a basso Dk

Se hai dedicato del tempo a conoscere le opzioni di materiali per PCB e le costruzioni a strati, probabilmente hai notato l'ampia gamma di materiali disponibili sul mercato. Le aziende produttrici di materiali producono laminati con vari valori di Dk, valori di Tg, stili di tessitura, valori di CTI e proprietà meccaniche per indirizzarsi verso varie applicazioni nell'industria elettronica.

C'è un insieme di materiali che riceve molta attenzione per il suo comportamento a bassa perdita: i materiali per PCB a basso Dk. Questi materiali sono spesso raccomandati per il design di PCB ad alta velocità come opzione di materiale a bassa perdita. Tuttavia, non tutti i sistemi necessitano di questi materiali, e ci sono altri sistemi dove l'affidabilità dei materiali a basso Dk basati su PTFE può essere molto più desiderabile. Continua a leggere per saperne di più sull'uso di questi materiali e su come prendere decisioni più informate sui materiali per la tua scheda.

Opzioni standard di materiali per PCB a basso Dk

In generale, ci sono quattro ampie classi di materiali a basso Dk che possono essere utilizzati in un impilamento PCB:

Questi materiali tendono ad avere un tangente di perdita inferiore rispetto ai materiali standard di grado FR4 con Dk più alto (che varia da ~4,2 a ~4,8). Questo è uno dei motivi per cui spesso vengono raccomandati per l'uso in PCB ad alta velocità, ma questa raccomandazione viene spesso fornita senza il contesto corretto. Discuterò di alcuni dei momenti tipici per utilizzare materiali a basso Dk di seguito. Per ora, diamo un'occhiata a ciascuna di queste opzioni di materiali:

FR4 a bassa perdita

Questi materiali sono materiali compositi in resina epossidica ingegneristica che sono comparabili sotto molti aspetti ad altri laminati FR4 in termini di proprietà materiali primarie e costruzioni (tessuto di vetro/contenuto di resina, valore Tg, proprietà meccaniche). Due dei fornitori più popolari per questi materiali sono Isola e ITEQ, sebbene ci siano altri che producono laminati comparabili. Questi materiali vengono utilizzati in un impilamento PCB proprio come qualsiasi altro laminato di grado FR4 sarebbe utilizzato; i materiali sono disponibili in opzioni prepreg e core, e non ci sono grandi problemi di costruzione ibrida da considerare.

• Valore Dk: ~3.7
• Tangente di perdita: 0.005-0.01
• Valore Tg: Opzioni basse (~130 °C) e alte (~180 °C) disponibili
• Valori di spessore: Fino a 2 mil
• Opzioni di rame: Tipicamente rame ED o RA

Gli stili di tessitura del vetro in questi laminati possono variare notevolmente, da tessiture aperte (106) a tessiture molto chiuse (2116) e vetro meccanicamente disteso. Per applicazioni ad alta velocità, questi laminati sono desiderabili poiché possono essere utilizzati con la maggior parte dei protocolli ad alta velocità (DDR3+, PCIe, Ethernet gigabit, standard MIPI, ecc.).

Laminati PTFE

Il tipico materiale laminato a basso Dk che dovrebbe essere familiare a ogni progettista è il PTFE. Questi materiali utilizzano PTFE e un agente di reticolazione miscelato con riempitivi ceramici per ingegnerizzare la costante dielettrica, il tangente di perdita e il Tg a determinati valori. Questi materiali sono inoltre progettati per avere valori Dk molto alti per l'uso in applicazioni a Dk inferiore (hanno comunque una perdita totale inferiore rispetto a FR4), come ho descritto in questo articolo.

• Valore Dk: da 3 a 10 con bassa dispersione
• Tangente di perdita: 0.0013-0.004 con bassa dispersione
• Valore Tg: Molto alto (~280 °C) ma varia con la composizione del materiale
• Valori di spessore: Alcune opzioni sotto i 5 mil
• Opzioni di rame: ED, RA, trattato o rame a basso profilo

Le applicazioni più frequentemente citate per questi materiali si trovano nei sistemi RF che operano ben oltre la gamma dei GHz. Nota che non è necessario utilizzare Rogers per ogni scheda RF; al di sotto di circa 5 GHz (gamma di frequenza WiFi), le perdite dielettriche e di rame nelle schede FR4 sono troppo piccole per essere significative, a meno che una scheda non diventi molto grande.

Questo tipo di risultato può essere chiaramente visto nei dati di perdita dielettrica di Rogers (ho citato più esempi in questo blog). Puoi vedere ciò molto chiaramente anche dai risultati di simulazione, e dai risultati analitici che mostro in un blog sulla rugosità del rame.

Alcuni materiali PCB basati su PTFE che offrono un basso Dk possono essere disponibili come laminati non rinforzati, il che significa che non hanno un rinforzo in tessuto di vetro. Ad esempio, Rogers 3003 è un esempio di laminato a bassissima tangente di perdita con rame molto liscio, ed è disponibile senza rinforzo in vetro. Questo elimina l'effetto della trama in fibra, ma rende il materiale più difficile da lavorare quando il laminato è più sottile.

Polimero a Cristalli Liquidi

Questo materiale a basso Dk e bassa perdita è meglio conosciuto per il suo utilizzo in PCB flessibili avanzati che operano nell'intervallo di larghezza/intercapedine ultra-HDI. Questi materiali possono essere utilizzati con poliimmidi modificati per formare circuiti ad alto numero di strati e sono spesso utilizzati negli smartphone. Altre aree di applicazione includono sistemi ad alta affidabilità che richiedono l'eliminazione di un connettore per prevenire il fallimento del dispositivo, come nei sistemi aerospaziali.

• Valore Dk: ~3.1
• Tangente di perdita: ~0.002
• Valore Tg: Alto (~250 °C)
• Valori di spessore: Ampia gamma
• Opzioni di rame: Basso profilo/ED, tipicamente basso peso del rame

Per saperne di più su questa classe di materiali, leggi questo articolo di Happy Holden.

Poliimmidi e Film di Collegamento

Questi due insiemi di materiali sono utilizzati in assemblaggi flessibili o rigido-flessibili. I poliimmidi sono l'insieme standard di materiali utilizzati nei substrati delle schede per strati flessibili e rigido-flessibili. Alcune delle principali proprietà dei materiali per questi materiali includono:

• Valore Dk: da 2,8 a 3,5
• Tangente di perdita: 0,003-0,01
• Valore Tg: Molto alto (>300 °C)
• Valori di spessore: Ampia gamma
• Opzioni di rame: RA

I materiali poliimidici di base offrono già valori Dk leggermente inferiori rispetto alla maggior parte dei laminati FR4, con il valore Dk tipico di circa 3,4 per i poliimidi. I poliimidi si presentano in molte varietà e nomi di prodotto, e le loro proprietà materiche variano in base alla composizione del film. Si noti che ci sono alcune segnalazioni di poliimidi a basso Dk/bassa perdita che operano nella gamma GHz. Il documento sottostante è un esempio di tale materiale.

• Tomikawa, M., et al. "Poliimidi a bassa dispersione di perdita per applicazioni ad alta frequenza." In 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), pp. 167-170. IEEE, 2018.

I film di collegamento sono un materiale che può essere utilizzato negli stackup PCB flessibili/rigido-flessibili per fornire una regione a basso Dk sopra uno strato di segnale in rame. Questi film sono strati adesivi di copertura molto sottili che vengono utilizzati per aderire alla copertura in uno stackup PCB flessibile/rigido-flessibile. Questi film possono avere un valore di Dk molto basso (inferiore a 3) e un angolo di perdita molto basso, ma sono utili solo negli stackup flessibili come adesivo di copertura a bassa perdita. Altre applicazioni potrebbero utilizzare questo materiale purché possa essere incorporato in uno stackup. Lo spessore tipico del materiale è di ~1 mil, quindi diventa utile solo in schede con un numero maggiore di strati.

• Valore Dk: ~2.5
• Angolo di perdita: ~0.002
• Valore Tg: Molto alto (~300 °C) ma varia con la composizione del materiale
• Valori di spessore: ~1 mil
• Opzioni di rame: N/D

Per saperne di più sui motivi per cui dovresti e non dovresti utilizzare materiali PCB a basso Dk, guarda il seguente video.

Materiali Ultra Low-Dk (Fino a Dk = 2)

Se date un'occhiata al mondo RF, troverete materiali per circuiti stampati rigidi con valori di Dk molto bassi, persino inferiori a 3. Questi materiali non sono spesso utilizzati nei design HDI avanzati perché attualmente non sono disponibili in strati molto sottili (come 2 mil o meno). Ho accennato a questi materiali sopra nella sezione sul poliimide, ma il poliimide è un materiale flessibile sottile utilizzato come film di accumulo in queste applicazioni e non scende molto al di sotto di Dk = 3.

Invece, dobbiamo guardare al PTFE rinforzato con ceramica per trovare materiali che arrivano fino a Dk = 2. Due fornitori di questi materiali sono AGC Multimaterial (che include Nelco e Taconic) e Rogers Corporation.

Come esempio, date un'occhiata ai dati del Rogers RT/Duroid 5880LZ mostrati di seguito. Questo laminato ha valori di Dk e Df molto bassi, che sono molto desiderabili nei sistemi RF e digitali che operano a frequenze/larghezze di banda molto elevate. A causa degli spessori del laminato disponibili (come discusso di seguito), le applicazioni ideali per questo materiale sono ancora nel dominio RF a causa delle larghezze di traccia richieste.

Sfortunatamente per i progettisti di sistemi digitali, questo materiale Rogers non è disponibile in spessori di laminato inferiori a 10 mils. Su un laminato da 10 mils con Dk = 2, una linea microstrip da 50 Ohm avrebbe una larghezza di 31 mils! Una microstrip coplanare a 50 Ohm con uno spazio di traccia-verso-versamento di 10 mils sarebbe ancora larga 27 mils. Ovviamente, questo è inaccettabile nei PCB digitali avanzati e nei substrati che richiedono valori di Dk più bassi, poiché non si sarebbe mai in grado di instradare verso ballouts a passo fine.

Mentre i progettisti di sistemi digitali che utilizzano interfacce ad altissima velocità (ad es., 224G PAM-4) desidererebbero trovare materiali digitali rigidi con valori di Dk bassi come 2, il mondo dei laminati deve ancora recuperare. I progettisti di PCB digitali e di packaging vorrebbero avere un materiale rigido molto sottile con un Dk basso come 2 poiché ciò favorisce notevolmente l'integrità del segnale nei sistemi HDI. Conosco una startup che sta lavorando verso questo tipo di materiale, e mi aspetto che i maggiori produttori di materiali seguano eventualmente l'esempio.

Perché l'attenzione sui materiali PCB a basso Dk?

Quando molte linee guida per la progettazione di PCB ad alta velocità affermano di utilizzare un laminato con "basso Dk", di solito raccomandano un laminato in PTFE. Ho trovato due motivi per questa raccomandazione, entrambi privi di senso:

1. C'è un'assunzione errata che basso Dk equivalga a bassa perdita
2. Il basso Dk equivale a una propagazione del segnale più veloce, che viene poi utilizzata come scusa per non abbinare l'impedenza o utilizzare un piano di massa

L'assunzione nel Punto #1 è semplicemente sbagliata. Le perdite sperimentate da un'onda elettromagnetica sono determinate interamente dalla parte immaginaria della costante dielettrica, non dal tangente di perdita. Il tangente di perdita è solo una metrica sommativa che confronta la velocità dell'onda alla perdita dell'onda, e semplifica anche alcuni calcoli matematici che coinvolgono i valori degli elementi del circuito distribuito per le linee di trasmissione. Tutto ciò significa che, per una data quantità di perdita dielettrica, un materiale con Dk più basso avrebbe un tangente di perdita più alto rispetto a un materiale con Dk più alto.

Questo è qualcosa che i fisici imparano il loro primo giorno in una classe di ottica. Per qualche motivo, gli ingegneri delle microonde non hanno mai ricevuto la comunicazione.

L'assunzione nel Punto #2 è anche una linea guida priva di senso nella progettazione di PCB ad alta velocità. Se stai progettando un PCB ad alta velocità, impiegherai molto più tempo a calcolare le lunghezze delle tracce se stai cercando di rimanere al di sotto della lunghezza critica per una linea di trasmissione. Inoltre, la "lunghezza critica" non è ben definita, come ho discusso molte volte. Pertanto, dovresti semplicemente progettare per l'impedenza richiesta per le tue interfacce, indipendentemente dal fatto che tu stia progettando su un materiale a basso Dk o ad alto Dk.

È anche estremamente facile ottenere una stima accurata della larghezza che raggiunge la tua impedenza target. Oltre al Layer Stack Manager in Altium Designer, ho pubblicato sul questo blog molteplici applicazioni di calcolo che possono fornire stime molto accurate vicino all'impedenza target di 50 Ohm.

• Consulta la nostra lista di calcolatori di impedenza online

Quali applicazioni necessitano di materiali a basso Dk?

Nonostante quanto scritto sopra riguardo alle linee guida sulla progettazione ad alta velocità, ci sono applicazioni che necessitano di materiali a basso Dk, inclusa la progettazione di PCB ad alta velocità. Ad esempio, le seguenti applicazioni utilizzano comunemente un materiale a basso Dk.

I materiali a basso Dk tipicamente utilizzati in queste applicazioni possono essere scelti perché coincidono con un tangente di perdita inferiore. Altre schede, come l'elettronica di potenza ad alta affidabilità, potrebbero essere costruite su PTFE o polimide, ma non perché questi materiali hanno un valore Dk inferiore rispetto ai laminati FR4 standard.

L'ultimo punto nella tabella sopra è probabilmente il più importante per i sistemi ad alta velocità e nei sistemi a frequenza molto alta. In entrambi questi sistemi, saranno necessarie dimensioni di caratteristiche piccole per raggiungere le impedenze target e operare alla lunghezza d'onda richiesta (nei sistemi RF). Questo significa che potrai arrivare a un numero maggiore di strati e operare a frequenze più alte, ma sarai in grado di utilizzare un processo di fabbricazione meno preciso. Questo è argomentabilmente uno dei maggiori vantaggi di questi materiali poiché i prodotti più avanzati avanzano ulteriormente nella gamma ultra-HDI.

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