Руководство по материалам для печатных плат с низкой диэлектрической проницаемостью

Если вы уделили время изучению вариантов материалов для печатных плат и конструкций слоев, вы, вероятно, видели широкий ассортимент материалов, доступных на рынке. Компании, производящие ламинаты, предлагают их с различными значениями Dk, Tg, стилями переплетения, значениями CTI и механическими свойствами для различных приложений в электронной промышленности.

Есть один набор материалов, который привлекает много внимания из-за своего низкого потерь: материалы для печатных плат с низким Dk. Эти материалы часто рекомендуются для проектирования высокоскоростных печатных плат как вариант материала с низкими потерями. Однако не все системы нуждаются в этих материалах, и есть другие системы, где надежность материалов на основе PTFE с низким Dk может быть гораздо более желательной. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о применении этих материалов и о том, как принимать более обоснованные решения относительно материалов для вашей платы.

Стандартные варианты материалов для печатных плат с низким Dk

В общем, существуют четыре основных класса материалов с низким Dk, которые могут быть использованы в стеке печатной платы:

Эти материалы обычно имеют более низкий тангенс угла потерь, чем стандартные материалы класса FR4 с более высоким Dk (примерно от ~4,2 до ~4,8). Это одна из причин, по которой их часто рекомендуют для использования в высокоскоростных печатных платах, но эта рекомендация часто дается без правильного контекста. Ниже я обсужу некоторые типичные случаи использования материалов с низким Dk. А пока давайте рассмотрим каждый из этих вариантов материалов:

FR4 с низкими потерями

Эти материалы представляют собой композитные материалы на основе эпоксидной смолы, которые по большинству основных свойств и конструкций сопоставимы с другими ламинатами FR4 (содержание стеклоткани/смолы, значение Tg, механические свойства). Два наиболее популярных производителя этих материалов - Isola и ITEQ, хотя есть и другие, производящие сопоставимые ламинаты. Эти материалы используются в стеке печатной платы так же, как и любой другой ламинат класса FR4; материалы доступны в вариантах препрега и основы, и нет значительных проблем с гибридной конструкцией для учета.

• Значение Dk: ~3.7
• Тангенс угла потерь: 0.005-0.01
• Значение Tg: Низкое (~130 °C) и высокое (~180 °C) варианты доступны
• Толщина: До 2 мил
• Варианты меди: Типично ED или RA медь

Стили стеклоткани в этих ламинатах могут сильно различаться, от открытых (106) до плотно закрытых (2116) тканей и механически растянутого стекла. Для применений на высоких скоростях эти ламинаты желательны, поскольку они могут использоваться с большинством протоколов высокой скорости (DDR3+, PCIe, гигабитный Ethernet, стандарты MIPI и т.д.).

Ламинаты PTFE

Типичный материал ламината с низким Dk, который должен быть знаком каждому конструктору, это PTFE. Эти материалы используют PTFE и отвердитель, смешанный с керамическими наполнителями, для инженерного задания диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь и Tg до определенных значений. Эти материалы также разработаны для обладания очень высокими значениями Dk для использования в приложениях с нижним Dk (они все еще имеют меньшие общие потери, чем FR4), как я описал в этой статье.

• Значение Dk: от 3 до 10 с низкой дисперсией
• Тангенс угла потерь: 0.0013-0.004 с низкой дисперсией
• Значение Tg: Очень высокое (~280 °C), но варьируется в зависимости от состава материала
• Толщина: Некоторые варианты менее 5 mil
• Варианты меди: ED, RA, обработанная или медь с низким профилем

Наиболее часто упоминаемые применения этих материалов находятся в радиочастотных системах, работающих в диапазоне ГГц. Заметьте, что вам не нужно использовать Rogers для каждой радиочастотной платы; ниже примерно 5 ГГц (диапазон частот WiFi) диэлектрические и медные потери на платах FR4 слишком малы, чтобы иметь значение, если только плата не становится очень большой.

Такой результат можно ясно увидеть в данных о потерях диэлектрика Rogers (я привел несколько примеров в этом блоге). Это также очень четко видно из результатов моделирования и из аналитических результатов, которые я показываю в блоге о шероховатости меди.

Некоторые материалы для печатных плат на основе ПТФЭ, предлагающие низкую диэлектрическую проницаемость, могут быть доступны в виде невысоких ламинатов, что означает, что они не имеют усиления из стекловолокна. Например, Rogers 3003 является одним из примеров ламината с очень низким тангенсом потерь и очень гладкой медью, и он доступен без стекловолоконного усиления. Это устраняет эффект волоконной сетки, но делает материал более сложным в обработке, когда ламинат тоньше.

Жидкокристаллический полимер

Этот материал с низким значением Dk и низкими потерями наиболее известен своим использованием в передовых гибких печатных платах (PCB), работающих в диапазоне ультра-высокой плотности трассировки/расстояния между дорожками. Эти материалы могут использоваться с модифицированными полиимидами для формирования схем с большим количеством слоев, и они часто используются в смартфонах. Другие области применения включают высоконадежные системы, требующие устранения соединителя для предотвращения отказа устройства, например, в аэрокосмических системах.

• Значение Dk: ~3.1
• Тангенс угла потерь: ~0.002
• Значение Tg: Высокое (~250 °C)
• Значения толщины: Широкий диапазон
• Варианты меди: Низкопрофильная/ED, обычно низкий вес меди

Чтобы узнать больше об этом классе материалов, прочтите эту статью Хэппи Холдена.

Полиимиды и пленки для склеивания

Эти два набора материалов используются в гибких или жестко-гибких сборках. Полиимиды являются стандартным набором материалов, используемых в гибких и жестко-гибких стеках слоев в качестве подложек для плат. Некоторые из основных свойств этих материалов включают:

• Значение Dk: 2.8 до 3.5
• Тангенс угла потерь: 0.003-0.01
• Значение Tg: Очень высокое (>300 °C)
• Толщина: Широкий диапазон
• Варианты меди: RA

Базовые полиимидные материалы уже предлагают несколько более низкие значения Dk, чем большинство ламинатов FR4, с типичным значением Dk около 3.4 для полиимидов. Полиимиды представлены множеством разновидностей и торговых наименований, и их материальные свойства варьируются в зависимости от состава пленки. Отметим, что существуют отчеты о полиимидах с низким значением Dk и низкими потерями, работающих в диапазоне ГГц. Ниже приведен один пример такого материала.

• Томикава, М. и др. "Полиимиды с низкими дисперсионными потерями для высокочастотных приложений." На Симпозиуме IEEE CPMT Япония (ICSJ) 2018, стр. 167-170. IEEE, 2018.

Связующие пленки — это один из материалов, который может использоваться в стеках гибких и жестко-гибких печатных плат для создания области с низким значением Dk над медным сигнальным слоем. Эти пленки представляют собой очень тонкие клеевые слои покрытия, которые используются для соединения с покрытием в стеке гибкой/жестко-гибкой печатной платы. Эти пленки могут иметь очень низкое значение Dk (менее 3) и очень низкий тангенс угла потерь, но они полезны только в гибких стеках как клеевое покрытие с низкими потерями. Другие применения могут использовать этот материал, если его можно включить в стек. Типичная толщина материала составляет ~1 мил, поэтому он становится полезным только в платах с большим количеством слоев.

• Значение Dk: ~2.5
• Тангенс угла потерь: ~0.002
• Значение Tg: Очень высокое (~300 °C), но варьируется в зависимости от состава материала
• Значения толщины: ~1 мил
• Варианты меди: Н/Д

Чтобы узнать больше о причинах использования и неиспользования материалов с низким значением Dk для печатных плат, посмотрите следующее видео.

Материалы с ультранизким Dk (до Dk = 2)

Если вы оглянетесь вокруг мира РЧ, вы найдете материалы для жестких печатных плат с очень низкими значениями, даже меньше, чем Dk = 3. Эти материалы нечасто используются в передовых HDI-проектах, поскольку в настоящее время они не доступны в очень тонких слоях (например, 2 мил или меньше). Я упоминал об этих материалах выше в разделе о полиимиде, но полиимид является тонким гибким материалом, используемым в качестве пленки для наращивания в этих приложениях, и его значение Dk не опускается намного ниже 3.

Вместо этого нам приходится обращаться к керамически армированному ПТФЭ, чтобы найти материалы с такими низкими значениями, как Dk = 2. Два поставщика этих материалов - AGC Multimaterial (включая Nelco и Taconic) и Rogers Corporation.

Как пример, рассмотрим данные Rogers RT/Duroid 5880LZ, представленные ниже. Этот ламинат имеет очень низкие значения Dk и Df, которые очень желательны в РЧ и цифровых системах, работающих на очень высоких частотах/ширине полосы. Из-за доступных толщин ламината (как обсуждается ниже), идеальные применения для этого материала все еще находятся в области РЧ из-за требуемых ширин дорожек.

К сожалению для разработчиков цифровых систем, этот материал Rogers не доступен в ламинатах толщиной менее 10 милов. На ламинате толщиной 10 мил с Dk = 2, микрополосковая линия на 50 Ом будет иметь ширину 31 мил! Однопроводная микрополосковая линия на 50 Ом с расстоянием от следа до заливки 10 мил все еще будет иметь ширину 27 милов. Очевидно, что это неприемлемо для передовых цифровых печатных плат и подложек, требующих более низких значений Dk, поскольку вы никогда не сможете проложить трассы к мелкоразмерным шариковым выводам.

Хотя разработчикам цифровых систем с ультравысокоскоростными интерфейсами (например, 224G PAM-4) хотелось бы найти жесткие цифровые материалы с значениями Dk как можно ближе к 2, миру ламинатов все еще предстоит нагнать отставание. Разработчикам печатных плат и упаковки для цифровых систем хотелось бы иметь очень тонкий жесткий материал с Dk около 2, поскольку это значительно улучшает целостность сигнала в системах HDI. Я знаю о одном стартапе, который работает над таким материалом, и ожидаю, что крупные игроки в области материалов в конечном итоге последуют их примеру.

Почему акцент на материалах ПП с низким Dk?

Когда многие руководства по проектированию высокоскоростных печатных плат рекомендуют использовать "ламинат с низким Dk", обычно они рекомендуют ламинат на основе ПТФЭ. Я нашел две причины для этой рекомендации, обе из которых являются бессмысленными:

1. Существует неверное предположение, что низкий Dk равносилен низким потерям
2. Низкий Dk соответствует более быстрой передаче сигнала, что затем используется в качестве оправдания для того, чтобы не согласовывать импеданс или не использовать земляную плоскость

Предположение в пункте №1 просто неверно. Потери, испытываемые электромагнитной волной, полностью определяются мнимой частью диэлектрической проницаемости, а не тангенсом угла потерь. Тангенс угла потерь - это лишь суммарная метрика, которая сравнивает скорость волны с потерями волны, и она также упрощает некоторые математические расчеты, связанные с значениями распределенных элементов цепи для линий передачи. Это все означает, что при данном количестве диэлектрических потерь материал с более низким Dk будет иметь более высокий тангенс угла потерь, чем материал с более высоким Dk.

Это то, что физики узнают в свой первый день на занятиях по оптике. По какой-то причине инженеры-микроволновики так и не получили это сообщение.

Предположение в пункте №2 также является бессмысленным руководством при проектировании высокоскоростных печатных плат. Если вы разрабатываете высокоскоростную печатную плату, вы потратите гораздо больше времени на расчет длин трасс, если пытаетесь не превысить критическую длину для линии передачи. Кроме того, "критическая длина" не определена четко, как я обсуждал много раз. Поэтому вам следует просто проектировать с требуемым импедансом для ваших интерфейсов, независимо от того, проектируете ли вы на материале с низким или высоким Dk.

Также очень легко получить точную оценку ширины, которая соответствует вашему целевому импедансу. В дополнение к Менеджеру стека слоев в Altium Designer, я опубликовал на этом блоге несколько приложений-калькуляторов, которые могут дать очень точные оценки около целевого импеданса в 50 Ом.

• Посмотрите наш список онлайн-калькуляторов импеданса

Какие приложения нуждаются в материалах с низким Dk?

Несмотря на то, что я написал выше о руководствах по высокоскоростному проектированию, существуют приложения, которым действительно нужны материалы с низким Dk, включая высокоскоростное проектирование печатных плат. Например, следующие приложения обычно используют материал с низким Dk.

Материалы с низким Dk, обычно используемые в этих приложениях, могут быть выбраны из-за того, что они соответствуют более низкому тангенсу угла потерь. Другие платы, такие как высоконадежная силовая электроника, могут быть изготовлены на основе PTFE или полиимида, но не потому, что эти материалы имеют более низкое значение Dk, чем стандартные ламинаты FR4.

Последний пункт в приведенной выше таблице, вероятно, является самым важным для высокоскоростных систем и систем с очень высокой частотой. В обоих этих системах потребуются малые размеры элементов, чтобы достичь целевых импедансов и работать на требуемой длине волны (в РЧ-системах). Это означает, что вы сможете использовать большее количество слоев и работать на более высоких частотах, но сможете использовать менее точный процесс изготовления. Можно сказать, что это одно из величайших преимуществ этих материалов, поскольку более продвинутые продукты все дальше продвигаются в область ультра-HDI.

Когда вы будете готовы выбрать материалы для вашей структуры PCB, включая стандартные конструкции с низким Dk, используйте полный набор инструментов для проектирования продуктов в Altium Designer®. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и обмен проектами. Посмотрите ежемесячные обновления функций в Altium Designer.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.