Tipi di materiali PTFE per il design di PCB RF

I progetti di PCB RF spesso utilizzano materiali a base di PTFE a bassa perdita grazie alle loro perdite dielettriche molto basse e all'ampia gamma di possibili valori di Dk. Questi materiali utilizzano il politetrafluoroetilene (PTFE) come materiale di base, ma questo non è l'unico costituente di questi materiali laminati. Ci sono anche rinforzi e riempitivi che vengono utilizzati per ingegnerizzare i materiali PCB in PTFE affinché abbiano le proprietà materiali richieste.

I materiali a base di PTFE disponibili commercialmente sono disponibili con o senza rinforzo, ma è compito del progettista specificare ciò di cui hanno bisogno per garantire affidabilità e funzionalità. Prima di scegliere qualsiasi materiale a base di PTFE per la tua scheda, assicurati di capire come riempitivi e rinforzi nei laminati in PTFE influenzano il funzionamento della tua scheda.

Componenti dei Materiali nei Laminati in PTFE

I materiali a base di PTFE includono due principali componenti materiali che definiscono le loro proprietà materiali:

• Rinforzo - fornisce rigidità
• Riempitivo - polveri ceramiche utilizzate per ingegnerizzare le proprietà del materiale

I laminati in PTFE utilizzati nei PCB usano particelle ceramiche come materiale di riempimento per ingegnerizzare le proprietà materiali del materiale laminato. Gli effetti esatti sulle proprietà materiali dipendono dal tipo di ceramica utilizzata e dal suo contenuto nel substrato, e questo è in gran parte proprietà intellettuale dei produttori di laminati in PTFE.

Oltre all'uso di riempitivi ceramici per ingegnerizzare proprietà termiche, meccaniche ed elettromagnetiche, i laminati basati su PTFE possono includere un rinforzo nella matrice di PTFE.

Tessuto di Vetro Rinforzato

I rinforzi in vetro sono un rinforzo standard utilizzato nei materiali basati su PTFE per PCB RF. Questi rinforzi sono gli stessi stili di tessuto in vetro intrecciato che si trovano nei laminati standard in epossidico-vetroresina. A causa della minore rigidità dei materiali laminati in PTFE rispetto a FR4, il rinforzo può aumentare la rigidità complessiva della scheda se ciò è necessario per garantire l'affidabilità. Semplifica anche la perforazione attraverso un impilamento, inclusi gli impilamenti ibridi.

Gli stili di vetro tipici utilizzati per il rinforzo includono:

• 1078
• 106
• 1080
• Vetro piatto/diffuso

Come differiscono questi stili di tessitura e come creano differenze nella risposta di fase attraverso i circuiti? In generale, le tessiture più aperte creeranno una maggiore deviazione tra la risposta di fase target su un interconnettore e la risposta di fase effettiva (misurata), che è l'effetto classico della trama della fibra. Questo è negativo per qualsiasi sistema sensibile alla fase, come le reti in fase.

Se hai bisogno di progettare e produrre un sistema con una risposta in fase target con minima distorsione, allora dovresti utilizzare rinforzi in vetro distribuito/piatto, o nessun rinforzo affatto. Esistono anche rinforzi in vetro non tessuto e rinforzi in ceramica.

Rinforzo in Vetro Non Tessuto

Esiste anche un tipo di rinforzo in vetro che è completamente casuale. In questo materiale basato su PTFE, puoi tipicamente trovare lo stesso livello di rigidità meccanica che troveresti in laminati rinforzati tessuti, ma senza lo stesso livello di effetti della trama delle fibre che vedresti in un laminato rinforzato tessuto. L'uso di vetri non tessuti nei laminati PTFE è molto meno comune perché non tutti i produttori offrono questa opzione nei loro materiali. Tuttavia, se viene offerto (vedi sotto), le proprietà dei materiali in PTFE rinforzato tessuto vs. non tessuto sono simili.

Rinforzo in Ceramica vs. Riempimento in Ceramica

L'uso di rinforzi in vetro ha permesso l'uso di materiali basati su PTFE più sottili negli impilamenti dei PCB, che richiede che la rigidità sia imposta nella matrice di PTFE. Tuttavia, il vetro non è l'unico rinforzo disponibile; i rinforzi in ceramica sono utilizzati anche per fornire rigidità. Questi rinforzi forniscono anche la stessa funzione dei riempitivi, ma non forniscono lo stesso tipo di rinforzo meccanico dei tessuti in vetro.

Parlo della ceramica come rinforzo perché questi materiali sono talvolta specificati espressamente come rinforzi in ceramica, non semplicemente come riempitivi in ceramica. Il rinforzo in ceramica non contiene uno stile di tessitura, quindi non si hanno effetti di tessitura delle fibre nel laminato del PCB. Tuttavia, la linea tra rinforzo in ceramica e riempimento in ceramica è sfumata e alcuni fornitori possono usare questi due termini in modo interscambiabile. Fate attenzione a verificare se esiste una differenza significativa prima di finalizzare una selezione del materiale.

Non rinforzato

Infine, ci sono laminati in PTFE non rinforzati, che contengono solo un riempitivo di microparticelle di ceramica e additivi, ma nessun altro rinforzo. Molti dei prodotti laminati basati su PTFE che troverete disponibili sono disponibili in varietà rinforzate o non rinforzate. Penso che la maggior parte dei progettisti assuma che il loro laminato in PTFE sarà non rinforzato, ma a meno che non specificiate esattamente ciò di cui avete bisogno, sarete alla mercé delle scorte di materiali della vostra fabbrica di produzione.

Vantaggi: Perché dovremmo usare un materiale non rinforzato? Lo faremmo se vogliamo eliminare qualsiasi possibilità che il rinforzo crei effetti di tessitura delle fibre o di skew lungo gli interconnettori nel materiale di substrato. Questo è il principale vantaggio di questi materiali, specialmente per l'uso in sistemi a frequenza molto alta come il radar. Ci sono anche benefici nei radar avanzati ad alta densità che potrebbero utilizzare via cieche sugli strati esterni di costruzione, nello specifico:

• Eliminazione dello skew attraverso linee RF fase-accoppiate
• Eliminazione delle aree di nocca dove si sovrappongono le fibre

Svantaggi: Il principale svantaggio di un materiale basato su PTFE non rinforzato è la sua mancanza di rigidità prima che venga applicato in un impilamento e curato. Questo può risultare in una mancata registrazione tra strato e strato, particolarmente nei fori di trapano e nei pad, che potrebbero avere un leggero disallineamento. Sulle moderne schede di cui ho parlato sopra, questo può essere una significativa fonte di perdita di ritorno a frequenze molto alte.

Non voglio dire che questi materiali avranno sempre una maggiore disallineazione, ma è possibile che presentino una maggiore disallineazione se la vostra fabbrica non ha esperienza nel lavorare con questi materiali. Ho sentito un ingegnere applicativo di Rogers descrivere questi laminati non rinforzati come "noodles bagnati", nel senso che sono molto flessibili e possono piegarsi quando vengono aggiunti allo stackup. Se avete intenzione di utilizzare materiali non rinforzati, assicuratevi che il vostro fabbricante abbia esperienza nella gestione di questi materiali.

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