Сравнение материалов для печатных плат РЧ для устройств миллиметрового диапазона

Когда некоторые дизайнеры начинают говорить о материалах, они, вероятно, по умолчанию думают о ламинатах FR4. На самом деле существует множество материалов FR4, каждый из которых имеет относительно похожую структуру и ряд значений свойств материала. Проекты на FR4 сильно отличаются от тех, с которыми сталкиваются на низких частотах в диапазоне ГГц и частотах миллиметрового диапазона. Так что же именно меняется на высоких частотах, и что делает эти материалы особенными?

Чтобы увидеть, что делает определенный ламинат полезным как материал для РЧ печатных плат, ознакомьтесь с нашим руководством ниже. Мы покажем вам некоторые примеры от популярных производителей и как вы можете использовать их в вашем стеке печатной платы.

Когда вам нужен материал для РЧ печатной платы?

Это справедливый вопрос, и он связан с некоторыми важными задачами в анализе систем. Существует несколько различных соображений, которые дизайнер должен рассмотреть при выборе альтернативного материала подложки печатной платы. Вот краткий список некоторых аспектов, на которые вы могли бы обратить внимание при выборе материала подложки для РЧ печатной платы.

• Тангенс угла потерь: Это первая основная область, которую дизайнеры печатных плат будут использовать для начала сравнения вариантов материалов.
• Диэлектрическая постоянная: Хотя это иногда неправильно понимают, и все стремятся выбирать ламинаты с низкой диэлектрической постоянной, но ламинаты с высокой диэлектрической постоянной также могут иметь низкий тангенс угла потерь и другие преимущества.
• Тепловые свойства: Существует несколько тепловых свойств, но наиболее важными, вероятно, являются температура стеклования и коэффициент теплового расширения (CTE).
• Обрабатываемость при изготовлении: Дизайнеры, оставляющие это на усмотрение своего производителя, рискуют. Лучше всего связаться с вашим производителем по поводу доступности материалов, их способности обрабатывать плату и наличия материалов.
• Толщина: Вы не можете просто выбрать любую толщину, которую хотите, вам нужно будет проверить у вашего производителя их предпочтительный стек слоёв. Если вы знаете, какие толщины слоев они могут поддерживать, вы обычно можете подобрать ваш дизайн достаточно близко к спецификациям производителя.
• Дисперсия: Я поставил это в конец списка, поскольку это имеет наименьшее значение для приложений миллиметровых волн. Полосы пропускания в устройствах миллиметровых волн могут быть достаточно узкими, чтобы дисперсия была незначительной, но всё же стоит проверить это, где возможно.

К сожалению, как и во многих инженерных задачах, не существует идеального ответа или идеального материала, который мог бы одновременно работать во всех этих областях. Однако для высоконадежных РЧ продуктов существуют некоторые распространенные материалы подложек РЧ печатных плат, которые разработаны для поддержки определенных частотных диапазонов без ущерба для важных тепловых свойств.

Известные поставщики материалов для РЧ печатных плат на основе ПТФЭ

Сегодня стандартными материалами для устройств РЧ и миллиметрового диапазона являются материалы на основе ПТФЭ. Возможно, Rogers является наиболее известным производителем материалов для РЧ печатных плат на основе ПТФЭ, и компания производит разнообразие материалов ламината для печатных плат высокой частоты. Некоторые из них специализированы для использования в диапазонах Ka и W (радары автомобилей и будущие диапазоны 5G). Если вы когда-либо скачивали эталонный проект печатной платы для РЧ продукта, их примерная компоновка, вероятно, была выполнена с использованием материалов от Rogers.

Еще один известный производитель - Isola, чьи материалы для РЧ печатных плат охватывают диапазон частот вплоть до W-диапазона. Помимо некоторых материалов для РЧ печатных плат, они также предлагают ряд стандартных ламинатов класса FR4. Один из ламинатов, к которому я обычно склоняюсь, - это 370HR, и я использовал его для создания нескольких сетевых продуктов и пользовательских платформ IoT. Он отлично работает на частотах Wi-Fi для разводки и трассировки РЧ печатных плат и будет хорошо работать для большинства цифровых приложений.

Ниже в таблице показаны некоторые примеры материалов для РЧ печатных плат на основе PTFE и их характеристики. Обратите внимание, что в качестве базового уровня для диапазонов X-K включены некоторые типичные значения для FR4 с низкой температурой стеклования.

Мы не можем показать все возможные варианты субстратов для проектирования РЧ печатных плат, но я сосредоточился на этих, поскольку они популярны по нескольким причинам. Значения тангенса угла потерь соответствуют ожидаемым по сравнению с типичными материалами FR4 (примерно на порядок ниже), и эти материалы имеют высокие температуры разложения по сравнению с типичными ламинатами FR4. Это некоторые из основных характеристик, указанных в листах IPC, и ваш производитель может предложить альтернативный материал печатной платы, который будет совместим с желаемым ламинатом.

Независимо от того, хотите ли вы использовать один из вариантов в приведенной выше таблице или какую-либо другую материальную платформу, будьте внимательны при чтении технических описаний. Поставщик материалов должен быть в состоянии подтвердить значения, которые они указывают, в рамках перечисленных условий эксплуатации. Вы можете узнать гораздо больше о диэлектрических материалах для вашей подложки и методах испытаний от Джона Кунрода из Rogers Corp.

Работа с PTFE и другими материалами

Каждое решение в дизайне сопряжено с компромиссами, и материалы на основе PTFE имеют некоторые основные недостатки по сравнению с FR4:

• Высокий КТР, так что тепловое расширение оказывает большее напряжение на медные элементы
• PTFE не легко соединяется с другими материалами, поэтому используется связующий слой
• PTFE является мягким веществом, его можно легко деформировать

Затем идет стоимость. Ламинаты PTFE являются специализированным материалом, несмотря на их популярность, поэтому РЧ устройства обычно не строятся полностью из PTFE. Одним из вариантов является использование гибридного стека, где ламинат PTFE размещается на поверхностном слое, и высокочастотные сигналы прокладываются только на ламинате PTFE над слоем плоскости. Ниже показан пример таблицы стека для 6-слойной РЧ платы.

Следите за новыми инновационными материалами

Компании, занимающиеся материалами, будут продолжать разрабатывать инновационные решения с низкими потерями и низкой дисперсией. Некоторые из новейших экспериментальных материалов нацелены на эффекты переплетения волокон и будут пытаться решить эти проблемы с помощью более гладких материалов. Имея подходящие инструменты для создания стека слоев печатной платы, вы не будете ограничены конкретными значениями материалов, вы можете ввести данные о пользовательских материалах от вашего производителя в дизайн вашего стека.

После выбора подходящего материала для РЧ печатной платы, поддерживающего высокочастотную компоновку и трассировку, вы можете создать качественный стек с помощью Altium Designer®. Все пользователи Altium Designer могут использовать расширение EDB Exporter для импорта своего дизайна в решатели поля Ansys для продвинутых симуляций целостности сигнала.

Когда вы закончите свой дизайн и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.