Confronto dei materiali per PCB RF per dispositivi mmWave

Quando alcuni progettisti iniziano a parlare di materiali, probabilmente pensano subito ai laminati FR4. La realtà è che esistono molti materiali FR4, ognuno con una struttura relativamente simile e una gamma di valori delle proprietà dei materiali. I progetti su FR4 sono piuttosto diversi da quelli che si incontrano nelle basse frequenze GHz e nelle frequenze mmWave. Quindi, cosa cambia esattamente ad alte frequenze e cosa rende questi materiali diversi?

Per vedere cosa rende specifico un laminato utile come materiale per PCB RF, dai un'occhiata alla nostra guida qui sotto. Ti mostreremo alcuni esempi di fornitori popolari e come puoi utilizzare questi nei tuoi stackup PCB.

Quando hai bisogno di un materiale per PCB RF?

Questa è una domanda lecita e si riferisce ad alcuni compiti importanti nell'analisi dei sistemi. Ci sono diverse considerazioni che un progettista dovrebbe esaminare quando si qualifica se un materiale alternativo per il substrato del PCB dovrebbe essere utilizzato. Ecco un breve elenco di alcune dimensioni che potresti guardare quando selezioni un materiale per substrato PCB RF.

• Tangente di perdita: Questa è la prima grande area che i progettisti di PCB utilizzeranno per iniziare a confrontare le opzioni di materiali.
• Costante dielettrica: Anche se a volte questo concetto è frainteso, e tutti tendono semplicemente a scegliere laminati a bassa Dk, ma i laminati ad alta Dk possono anche avere basso angolo di perdita e altri benefici.
• Proprietà termiche: Ci sono molteplici proprietà termiche, ma le più importanti sono probabilmente la temperatura di transizione vetrosa e il CTE.
• Lavorabilità in fabbricazione: I progettisti che lasciano questa decisione al loro fabbricante lo fanno a proprio rischio. È meglio contattare il proprio fabbricante riguardo alla disponibilità dei materiali, alla loro capacità di lavorare la scheda e alla disponibilità dei materiali.
• Spessore: Non si può semplicemente scegliere uno spessore qualsiasi, sarà necessario verificare con il proprio fabbricante il loro stackup preferito. Se si conoscono gli spessori dei layer che possono supportare, si può di solito avvicinare il proprio design alle specifiche del fabbricante.
• Dispersione: Ho messo questo in fondo alla lista poiché tende ad essere meno rilevante per le applicazioni mmWave. Le larghezze di banda nei dispositivi mmWave possono essere abbastanza piccole che la dispersione è trascurabile, ma è comunque bene verificarlo dove possibile.

Sfortunatamente, come accade in molti problemi di ingegneria, non esiste una risposta perfetta o un materiale perfetto che possa funzionare in tutte queste aree contemporaneamente. Tuttavia, per i prodotti RF ad alta affidabilità, esistono alcuni materiali substrato PCB RF comuni che sono progettati per supportare specifiche bande di frequenza senza compromettere importanti proprietà termiche.

Fornitori di Materiali PCB RF PTFE Ben Conosciuti

I materiali standard di oggi per dispositivi RF e mmWave sono materiali basati su PTFE. Rogers è probabilmente il produttore più noto di materiali PCB RF basati su PTFE, e l'azienda produce una varietà di materiali laminati per PCB ad alta frequenza. Alcuni di questi sono specializzati per l'uso nelle bande Ka e W (radar per auto e future bande 5G). Se hai mai scaricato un progetto di riferimento PCB per un prodotto RF, il loro layout di esempio è stato probabilmente realizzato utilizzando Rogers.

Un altro fornitore ben noto è Isola, le cui opzioni di materiali per PCB RF mirano a una gamma di frequenze fino alla banda W. Oltre ad alcuni materiali per PCB RF, offrono anche una gamma di laminati standard di grado FR4. Un laminato al quale tendo di default è il 370HR, e l'ho utilizzato per costruire diversi prodotti di rete e piattaforme IoT personalizzate. Funziona perfettamente bene alle frequenze Wifi per il layout e il routing di PCB RF, e andrà bene per la maggior parte delle applicazioni digitali.

Alcuni esempi di materiali per PCB RF in PTFE e le prestazioni di ciascuno sono mostrati nella tabella sottostante. Si noti che alcuni valori tipici per FR4 a basso Tg sono inclusi nelle bande X-K come base di riferimento.

Non possiamo mostrare ogni possibile opzione di substrato per la progettazione di PCB RF, ma mi sono concentrato su questi poiché sono opzioni popolari per alcune ragioni. I valori del tangente di perdita sono quelli che ci si aspetterebbe confrontati con i materiali FR4 tipici (circa un fattore 10 inferiore), e questi materiali hanno temperature di decomposizione elevate rispetto ai laminati FR4 tipici. Queste sono alcune delle principali caratteristiche identificate nei fogli slash IPC, e il tuo fabbricante potrebbe suggerire un materiale per PCB alternativo che sarà compatibile con il laminato desiderato.

Sia che tu voglia utilizzare una delle opzioni nella tabella sopra o qualche altra piattaforma di materiali, fai attenzione quando leggi i datasheet. Il fornitore del materiale dovrebbe essere in grado di verificare i valori che citano nelle condizioni operative elencate. Puoi imparare molto di più sui materiali dielettrici per il tuo substrato e sui metodi di test da John Coonrod di Rogers Corp.

Lavorare con PTFE e Altri Materiali

Ogni decisione di progettazione comporta dei compromessi, e i materiali a base di PTFE presentano alcuni svantaggi di base rispetto a FR4:

• Alto CTE, quindi l'espansione termica mette più stress sugli elementi in rame
• Il PTFE non si lega facilmente ad altri materiali, quindi si utilizza un bondply
• Il PTFE è una sostanza morbida e può essere facilmente distorta

Poi c'è il costo. I laminati in PTFE sono un materiale specializzato nonostante la loro popolarità, quindi i dispositivi RF non sono normalmente costruiti interamente in PTFE. Un'opzione è utilizzare un impilamento ibrido, dove il laminato in PTFE è posizionato sullo strato superficiale e i segnali ad alta frequenza sono instradati solo sul laminato in PTFE sopra uno strato piano. Di seguito è mostrata una tabella di esempio di impilamento per una scheda RF a 6 strati.

Attenzione ai Nuovi Materiali Innovativi

Le aziende dei materiali continueranno a sviluppare soluzioni innovative a bassa perdita e bassa dispersione. Alcuni dei materiali sperimentali più recenti stanno prendendo di mira gli effetti della tessitura delle fibre e cercheranno di risolverli con materiali più lisci. Con gli strumenti giusti per la stratificazione dei PCB, non sarai limitato a valori di materiali specifici, puoi inserire dati sui materiali personalizzati dal tuo produttore nel tuo progetto di stratificazione.

Una volta che hai selezionato un materiale PCB RF appropriato per supportare layout e routing ad alta frequenza, puoi creare una stratificazione di alta qualità con Altium Designer. Tutti gli utenti di Altium Designer possono utilizzare l'estensione EDB Exporter per importare il loro progetto nei risolutori di campo Ansys per simulazioni avanzate di integrità del segnale.

Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti. Abbiamo appena sfiorato la superficie di ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi controllare la pagina del prodotto per una descrizione delle funzionalità più approfondita o uno degli Webinar On-Demand.