Porównanie materiałów PCB RF dla urządzeń mmWave

Gdy niektórzy projektanci zaczynają rozmowę o materiałach, domyślnie skupiają się na laminatach FR4. Rzeczywistość jest taka, że istnieje wiele materiałów FR4, każdy z dość podobną strukturą i różnym zakresem wartości właściwości materiałowych. Projekty na FR4 znacznie różnią się od tych spotykanych w niskim zakresie GHz i częstotliwościach mmWave. Co więc dokładnie zmienia się przy wysokich częstotliwościach i co sprawia, że te materiały są inne?

Aby zobaczyć, co dokładnie sprawia, że określony laminat jest użyteczny jako materiał na PCB RF, zapoznaj się z naszym przewodnikiem poniżej. Pokażemy Ci kilka przykładów od popularnych dostawców i jak możesz użyć tych materiałów w swoim układzie PCB.

Kiedy potrzebujesz materiału na PCB RF?

To uczciwe pytanie i dotyczy kilku ważnych zadań w analizie systemów. Istnieje kilka różnych kwestii, które projektant powinien rozważyć, decydując, kiedy należy użyć alternatywnego materiału podłoża PCB. Oto krótka lista niektórych aspektów, które możesz rozważyć przy wyborze materiału podłoża PCB RF.

• Tangens stratności: To pierwszy główny obszar, który projektanci PCB wykorzystają do porównywania opcji materiałowych.
• Stała dielektryczna: Chociaż jest to czasami źle rozumiane i wszyscy zwykle wybierają laminaty o niskiej Dk, to laminaty o wysokiej Dk również mogą mieć niski tangens kąta strat oraz inne korzyści.
• Właściwości termiczne: Istnieje wiele właściwości termicznych, ale najważniejsze to prawdopodobnie temperatura przejścia szklistego oraz CTE.
• Przetwarzalność w produkcji: Projektanci, którzy pozostawiają to na łasce swojego producenta, robią to na własne ryzyko. Najlepiej jest skontaktować się z producentem w sprawie dostępności materiałów, ich zdolności do obróbki płyty oraz dostępności materiałów.
• Grubość: Nie można po prostu wybrać dowolnej grubości, trzeba sprawdzić u producenta ich preferowany układ warstw. Jeśli wiesz, jakie grubości warstw mogą obsłużyć, zazwyczaj możesz dostosować swój projekt wystarczająco blisko do specyfikacji producenta.
• Dispersja: Umieściłem to na końcu listy, ponieważ zwykle ma to najmniejsze znaczenie dla aplikacji mmWave. Pasma w urządzeniach mmWave mogą być na tyle małe, że dyspersja jest znikoma, ale mimo to należy to sprawdzić, gdzie tylko jest to możliwe.

Niestety, jak to bywa w wielu problemach inżynierskich, nie ma idealnej odpowiedzi ani idealnego materiału, który mógłby działać jednocześnie we wszystkich tych obszarach. Jednakże, dla produktów RF o wysokiej niezawodności, istnieją pewne powszechne materiały podłoża PCB RF, które są zaprojektowane do wspierania określonych pasm częstotliwości bez kompromisu w ważnych właściwościach termicznych.

Znani dostawcy materiałów PCB RF PTFE

Obecnie standardowe materiały dla urządzeń RF i mmWave to materiały na bazie PTFE. Rogers jest prawdopodobnie najlepiej znanym producentem materiałów PCB RF na bazie PTFE, a firma produkuje różnorodne materiały laminowane PCB o wysokiej częstotliwości. Niektóre z nich są specjalizowane do użytku w pasmach Ka i W (radar samochodowy i przyszłe pasma 5G). Jeśli kiedykolwiek pobierałeś referencyjny projekt PCB dla produktu RF, ich przykładowy układ był prawdopodobnie zbudowany przy użyciu materiałów Rogers.

Innym znanym dostawcą jest Isola, której opcje materiałów na PCB RF obejmują zakres częstotliwości aż do pasma W. Oprócz niektórych materiałów na PCB RF, oferują również szereg standardowych laminatów klasy FR4. Jednym z laminatów, do którego często wracam, jest 370HR, którego użyłem do budowy kilku produktów sieciowych i niestandardowych platform IoT. Doskonale sprawdza się na częstotliwościach Wifi dla układu i trasowania PCB RF, i będzie dobrze działać dla większości aplikacji cyfrowych.

Przykłady materiałów PCB RF z PTFE i wydajność każdego z nich przedstawiono w poniższej tabeli. Należy zauważyć, że typowe wartości dla niskiego Tg FR4 są uwzględnione w pasmach X-K jako punkt odniesienia.

Nie możemy pokazać każdej możliwej opcji substratu dla projektowania PCB RF, ale skupiłem się na tych, ponieważ są popularne z kilku powodów. Wartości tangensa strat są takie, jak można by oczekiwać w porównaniu do typowych materiałów FR4 (około 10 razy niższe), a te materiały mają wysokie temperatury dekompozycji w porównaniu do typowych laminatów FR4. Są to niektóre z głównych cech zidentyfikowanych w IPC slash sheets, a twój producent może zasugerować alternatywny materiał PCB, który będzie kompatybilny z pożądanym laminatem.

Bez względu na to, czy chcesz użyć jednej z opcji z powyższej tabeli, czy innego materiału, bądź uważny podczas czytania kart katalogowych. Dostawca materiałów powinien być w stanie zweryfikować podane wartości w ramach wymienionych warunków pracy. Możesz dowiedzieć się znacznie więcej o materiałach dielektrycznych dla twojego podłoża i metodach testowania od Johna Coonroda z Rogers Corp.

Praca z PTFE i innymi materiałami

Każda decyzja projektowa niesie za sobą kompromisy, a materiały na bazie PTFE mają kilka podstawowych wad w porównaniu z FR4:

• Wysoki współczynnik CTE, więc rozszerzalność termiczna wywiera większy nacisk na elementy miedziane
• PTFE nie łączy się łatwo z innymi materiałami, dlatego używa się warstwy wiążącej
• PTFE jest miękką substancją i może być łatwo zniekształcona

Potem jest kwestia kosztów. Laminaty PTFE są materiałem specjalistycznym pomimo ich popularności, więc urządzenia RF nie są zwykle budowane z PTFE na całej grubości warstw. Jedną z opcji jest użycie hybrydowego układu warstw, gdzie laminat PTFE jest umieszczony na warstwie powierzchniowej, a sygnały wysokiej częstotliwości są prowadzone tylko na laminacie PTFE nad warstwą płaszczyzny. Poniżej pokazano przykładową tabelę układu warstw dla 6-warstwowej płyty RF.

Obserwuj nowe, innowacyjne materiały

Firmy zajmujące się materiałami będą kontynuować rozwój innowacyjnych rozwiązań o niskich stratach i niskiej dyspersji. Niektóre z najnowszych materiałów eksperymentalnych są ukierunkowane na efekty splotu włókien i będą próbowały rozwiązać te problemy za pomocą bardziej gładkich materiałów. Dysponując odpowiednimi narzędziami do projektowania układu warstw PCB, nie będziesz ograniczony do konkretnych wartości materiałów, możesz wprowadzić niestandardowe dane materiałowe od swojego producenta do projektu układu warstw.

Po wybraniu odpowiedniego materiału PCB RF wspierającego układ i trasowanie wysokich częstotliwości, możesz stworzyć wysokiej jakości układ warstw za pomocą Altium Designer®. Wszyscy użytkownicy Altium Designer mogą użyć rozszerzenia EDB Exporter do importowania swojego projektu do solverów polowych Ansys w celu zaawansowanych symulacji integralności sygnału.

Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. To tylko wierzchołek góry lodowej tego, co można zrobić z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu po bardziej szczegółowy opis funkcji lub jedno z Webinarów na Żądanie.