Przewodnik po materiałach PCB o niskim Dk

Jeśli poświęciłeś czas na naukę o opcjach materiałów PCB i konstrukcjach warstw, prawdopodobnie zauważyłeś szeroki zakres dostępnych na rynku materiałów. Firmy produkujące laminaty oferują różnorodne wartości Dk, wartości Tg, style tkanin, wartości CTI oraz właściwości mechaniczne, aby sprostać różnym zastosowaniom w przemyśle elektronicznym.

Istnieje jeden zestaw materiałów, który cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na swoje właściwości niskich strat: materiały PCB o niskim Dk. Te materiały są często rekomendowane do projektowania PCB wysokiej prędkości jako opcja materiału o niskich stratach. Jednak nie wszystkie systemy potrzebują tych materiałów, a są inne systemy, gdzie niezawodność materiałów na bazie PTFE o niskim Dk może być znacznie bardziej pożądana. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o użyciu tych materiałów i jak podejmować mądrzejsze decyzje materiałowe dla swojej płytki.

Standardowe opcje materiałów PCB o niskim Dk

Ogólnie rzecz biorąc, istnieją cztery szerokie klasy materiałów o niskim Dk, które mogą być użyte w stosie PCB:

Te materiały zazwyczaj mają niższy tangens kąta strat niż standardowe materiały klasy FR4 o wyższym Dk (w zakresie od ~4,2 do ~4,8). Jest to jeden z powodów, dla których często są one rekomendowane do stosowania w szybkich PCB, ale ta rekomendacja często jest podawana bez właściwego kontekstu. Poniżej omówię niektóre typowe przypadki użycia materiałów o niskim Dk. Na razie przyjrzyjmy się każdej z tych opcji materiałowych:

FR4 o niskich stratach

Te materiały to kompozyty epoksydowo-żywiczne, które pod względem głównych właściwości materiałowych i konstrukcji (splot szklany/zawartość żywicy, wartość Tg, właściwości mechaniczne) są porównywalne w większości aspektów do innych laminatów FR4. Dwa z najpopularniejszych dostawców tych materiałów to Isola i ITEQ, chociaż istnieją również inni producenci, którzy wytwarzają porównywalne laminaty. Te materiały są używane w układzie PCB tak samo, jak używane byłyby inne laminaty klasy FR4; materiały są dostępne w opcjach prepreg i rdzenia, i nie ma większych problemów związanych z hybrydową konstrukcją do rozważenia.

• Wartość Dk: ~3.7
• Tangens stratności: 0.005-0.01
• Wartość Tg: Niska (około 130 °C) i wysoka (około 180 °C) opcje dostępne
• Wartości grubości: Do 2 mil
• Opcje miedzi: Zazwyczaj miedź ED lub RA

Style tkaniny szklanej w tych laminatach mogą się znacznie różnić, od otwartych (106) do bardzo zamkniętych (2116) splotów oraz mechanicznie rozprzestrzenionego szkła. W aplikacjach wysokoprędkościowych te laminaty są pożądane, ponieważ mogą być używane z większością protokołów wysokiej prędkości (DDR3+, PCIe, gigabit Ethernet, standardy MIPI itp.).

Laminaty PTFE

Typowy materiał laminatu o niskim Dk, który powinien być znany każdemu projektantowi, to PTFE. Te materiały używają PTFE i środka utwardzającego zmieszanego z ceramicznymi wypełniaczami, aby zaprojektować stałą dielektryczną, tangens strat oraz Tg do określonych wartości. Te materiały są również zaprojektowane tak, aby miały bardzo wysokie wartości Dk do użytku w aplikacjach o niższym Dk (nadal mają niższe całkowite straty niż FR4), jak opisałem w tym artykule.

• Wartość Dk: od 3 do 10 z niską dyspersją
• Tangens strat: 0.0013-0.004 z niską dyspersją
• Wartość Tg: Bardzo wysoka (~280 °C) ale zależna od składu materiału
• Wartości grubości: Niektóre opcje poniżej 5 mil
• Opcje miedzi: ED, RA, traktowana lub miedź o niskim profilu

Najczęściej wymieniane zastosowania tych materiałów znajdują się w systemach RF pracujących w zakresie GHz. Należy zauważyć, że nie musisz używać Rogers dla każdej płytki RF; poniżej około 5 GHz (zakres częstotliwości WiFi), straty dielektryczne i miedziane w płytach FR4 są po prostu zbyt małe, aby miały znaczenie, chyba że płyta stanie się bardzo duża.

Ten typ wyniku można wyraźnie zobaczyć w danych o stratach dielektrycznych Rogers (przytoczyłem wiele przykładów na tym blogu). Można to również bardzo wyraźnie zobaczyć na wynikach symulacji, oraz na analizach wyników, które pokazuję na blogu o chropowatości miedzi.

Niektóre materiały PCB na bazie PTFE oferujące niskie Dk mogą być dostępne jako laminaty niewzmocnione, co oznacza, że nie mają wzmocnienia z włókna szklanego. Na przykład, Rogers 3003 to jeden z przykładów laminatu o bardzo niskim tangensie strat z bardzo gładką miedzią, dostępny bez wzmocnienia szklanego. Eliminuje to efekt splotu włókien, ale sprawia, że materiał jest trudniejszy w obróbce, gdy laminat jest cieńszy.

Likwidkryształowy Polimer

Ten materiał o niskiej wartości Dk i niskich stratach jest najlepiej znany ze swojego zastosowania w zaawansowanych elastycznych PCB działających w zakresie ultrawysokiej gęstości linii i odstępów. Te materiały mogą być używane z modyfikowanymi polimidami do tworzenia obwodów o wysokiej liczbie warstw, często stosowane są w smartfonach. Inne obszary zastosowań obejmują systemy o wysokiej niezawodności wymagające eliminacji złącza w celu zapobiegania awarii urządzenia, takie jak w systemach lotniczych.

• Wartość Dk: ~3.1
• Tangens kąta strat: ~0.002
• Wartość Tg: Wysoka (~250 °C)
• Wartości grubości: Szeroki zakres
• Opcje miedzi: Niski profil/ED, zwykle niska masa miedzi

Aby dowiedzieć się więcej o tej klasie materiałów, przeczytaj ten artykuł autorstwa Happy Holdena.

Polimidy i folie klejące

Te dwa zestawy materiałów są używane w montażach elastycznych lub sztywno-elastycznych. Polimidy są standardowym zestawem materiałów używanych w elastycznych i sztywno-elastycznych stosach warstw jako substraty płyt. Niektóre z głównych właściwości tych materiałów obejmują:

• Wartość Dk: 2,8 do 3,5
• Tangens strat: 0,003-0,01
• Wartość Tg: Bardzo wysoka (>300 °C)
• Wartości grubości: Szeroki zakres
• Opcje miedzi: RA

Podstawowe materiały poliimidowe już oferują nieco niższe wartości Dk niż większość laminatów FR4, przy czym typowa wartość Dk dla poliimidów wynosi około 3,4. Poliimidy występują w wielu odmianach i nazwach produktów, a ich właściwości materiałowe różnią się w zależności od składu folii. Należy zauważyć, że istnieją raporty o poliimidach o niskim Dk/niskich stratach działających w zakresie GHz. Poniższa praca jest jednym z przykładów takiego materiału.

• Tomikawa, M., i inni. "Low dispersion loss polyimides for high frequency applications." Na 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), s. 167-170. IEEE, 2018.

Filmy łączące to jeden z materiałów, które mogą być używane w układach PCB elastycznych/rigid-flex do zapewnienia regionu o niskim Dk nad warstwą sygnałową z miedzi. Są to bardzo cienkie warstwy kleju pokrywającego, które są używane do łączenia z pokryciem w układzie PCB elastycznym/rigid-flex. Te filmy mogą mieć bardzo niską wartość Dk (mniej niż 3) oraz bardzo niski tangens kąta strat, ale są przydatne tylko w układach elastycznych jako klej o niskich stratach do pokrycia. Inne zastosowania mogą korzystać z tego materiału, o ile można go włączyć do układu. Typowa grubość materiału to ~1 mil, więc staje się on użyteczny tylko w płytach o wyższej liczbie warstw.

• Wartość Dk: ~2.5
• Tangens kąta strat: ~0.002
• Wartość Tg: Bardzo wysoka (~300 °C) ale zależna od składu materiału
• Wartości grubości: ~1 mil
• Opcje miedzi: N/D

Aby dowiedzieć się więcej o powodach, dla których powinieneś i nie powinieneś używać materiałów PCB o niskim Dk, obejrzyj poniższy film.

Ultra niskie materiały Dk (tak niskie jak Dk = 2)

Jeśli rozejrzysz się po świecie RF, znajdziesz materiały na sztywne płytki obwodów, które mają bardzo niską stałą dielektryczną, nawet mniejszą niż Dk = 3. Te materiały nie są często używane w zaawansowanych projektach HDI, ponieważ obecnie nie są dostępne w bardzo cienkich warstwach (takich jak 2 mils lub mniej). Wspomniałem o tych materiałach powyżej, w sekcji dotyczącej poliimidu, ale poliimid to cienki, elastyczny materiał, który jest używany jako film budujący w tych aplikacjach i nie spada znacznie poniżej Dk = 3.

Zamiast tego musimy zwrócić się ku ceramicznie wzmacnianemu PTFE, aby znaleźć materiały, które osiągają wartości tak niskie jak Dk = 2. Dostawcami tych materiałów są AGC Multimaterial (w tym Nelco i Taconic) oraz Rogers Corporation.

Jako przykład, spójrz na poniższe dane Rogers RT/Duroid 5880LZ. Ten laminat ma bardzo niskie wartości Dk i Df, które są bardzo pożądane w systemach RF i cyfrowych pracujących na bardzo wysokich częstotliwościach/pasmach. Ze względu na dostępne grubości laminatów (omówione poniżej), idealne zastosowania tego materiału nadal znajdują się w domenie RF ze względu na wymagane szerokości ścieżek.

Niestety dla projektantów systemów cyfrowych, materiał Rogers nie jest dostępny w laminatach o grubości poniżej 10 mils. Na laminacie 10 mils z Dk = 2, linia mikropaskowa 50 Ohm miałaby 31 mils szerokości! Jednostronna mikropaskowa linia koplanarna 50 Ohm z odstępem ścieżki do pola 10 mils nadal miałaby 27 mils szerokości. Oczywiście, jest to nie do przyjęcia w zaawansowanych cyfrowych PCB i substratach, które wymagają niższych wartości Dk, ponieważ nigdy nie byłoby możliwe prowadzenie ścieżek do drobnozłaczkowych wyprowadzeń.

Podczas gdy projektanci systemów cyfrowych korzystający z ultraszybkich interfejsów (np. 224G PAM-4) chcieliby znaleźć sztywne materiały cyfrowe z wartościami Dk tak niskimi jak 2, świat laminatów wciąż ma trochę do nadrobienia. Projektanci PCB i opakowań cyfrowych chcieliby mieć bardzo cienki sztywny materiał z Dk tak niskim jak 2, ponieważ znacznie to pomaga w integralności sygnału w systemach HDI. Znam jedno startup, który pracuje nad tego typu materiałem i spodziewam się, że więksi gracze materiałowi ostatecznie pójdą w ich ślady.

Dlaczego skupiamy się na materiałach PCB o niskim Dk?

Gdy wiele wytycznych dotyczących projektowania PCB dla wysokich prędkości zaleca użycie laminatu o "niskim Dk", zazwyczaj polecają laminat PTFE. Znalazłem dwa powody tej rekomendacji, z których oba są bezsensowne:

1. Istnieje błędne założenie, że niski Dk równa się niskim stratom
2. Niski Dk równa się szybszej propagacji sygnału, co jest następnie używane jako wymówka, aby nie dopasowywać impedancji lub nie używać płaszczyzny masy

Założenie w punkcie nr 1 jest po prostu błędne. Straty doświadczane przez falę elektromagnetyczną są całkowicie określone przez urojoną część stałej dielektrycznej, a nie przez tangens strat. Tangens strat to tylko sumaryczna metryka, która porównuje prędkość fali do strat fali, i również upraszcza niektóre obliczenia matematyczne dotyczące wartości elementów rozłożonych obwodu dla linii transmisyjnych. To wszystko oznacza, że dla danej ilości strat dielektrycznych, materiał o niższym Dk miałby wyższy tangens strat niż materiał o wyższym Dk.

Jest to coś, czego fizycy uczą się w pierwszym dniu na zajęciach z optyki. Z jakiegoś powodu inżynierowie mikrofalowi nigdy nie otrzymali tego komunikatu.

Założenie w punkcie nr 2 jest również bezsensowną wytyczną w projektowaniu PCB wysokiej prędkości. Projektując PCB wysokiej prędkości, spędzisz znacznie więcej czasu na obliczaniu długości ścieżek, jeśli próbujesz utrzymać się poniżej krytycznej długości linii transmisyjnej. Ponadto "krytyczna długość" nie jest dobrze zdefiniowana, jak wielokrotnie omawiałem. Dlatego powinieneś po prostu projektować zgodnie z wymaganą impedancją dla twoich interfejsów, niezależnie od tego, czy projektujesz na materiale o niskim Dk czy wysokim Dk.

Jest również niezwykle łatwo uzyskać dokładne oszacowanie szerokości, która osiąga pożądaną impedancję. Oprócz Menadżera Stosu Warstw w Altium Designer, opublikowałem na tym blogu wiele aplikacji kalkulatorowych, które mogą dać bardzo dokładne oszacowania bliskie impedancji celu 50 Ohm.

• Zobacz naszą listę kalkulatorów impedancji online

Jakie aplikacje potrzebują materiałów o niskim Dk?

Pomimo tego, co napisałem powyżej na temat wytycznych dotyczących projektowania wysokiej prędkości, istnieją aplikacje, które wymagają materiałów o niższym Dk, w tym w projektowaniu PCB wysokiej prędkości. Na przykład, następujące aplikacje powszechnie używają materiału o niskim Dk.

Typowo używane w tych aplikacjach materiały o niskim Dk mogą być wybrane, ponieważ przypadkowo mają one również niski kąt strat. Inne płytki, takie jak wysoko niezawodna elektronika mocy, mogą być budowane na PTFE lub poliimidzie, ale nie dlatego, że te materiały mają niższą wartość Dk niż standardowe laminaty FR4.

Ostatni punkt w powyższej tabeli jest prawdopodobnie najważniejszy dla systemów wysokich prędkości oraz w systemach o bardzo wysokiej częstotliwości. W obu tych systemach, małe rozmiary elementów będą wymagane do osiągnięcia docelowych impedancji i pracy na wymaganej długości fali (w systemach RF). Oznacza to, że można osiągnąć wyższą liczbę warstw i pracować na wyższych częstotliwościach, ale będzie można użyć mniej precyzyjnego procesu fabrykacji. To jest zdecydowanie jedna z większych zalet tych materiałów, jako że bardziej zaawansowane produkty coraz bardziej wchodzą w zakres ultra-HDI.

Kiedy będziesz gotowy, aby wybrać materiały do swojego układu PCB, w tym standardowe konstrukcje z niskim Dk, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania produktów w Altium Designer®. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. Zobacz miesięczne aktualizacje funkcji w Altium Designer.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.