Hướng dẫn về Vật liệu PCB Dk thấp

Nếu bạn đã dành thời gian để tìm hiểu về các lựa chọn vật liệu PCB và cấu trúc lớp, bạn có thể đã thấy sự đa dạng của các vật liệu có sẵn trên thị trường. Các công ty vật liệu sản xuất các loại laminate với các giá trị Dk, giá trị Tg, kiểu dệt, giá trị CTI và tính chất cơ học khác nhau để nhắm đến các ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp điện tử.

Có một bộ vật liệu nhận được nhiều sự chú ý vì tính năng hao hụt thấp của nó: vật liệu PCB Dk thấp. Những vật liệu này thường được khuyến nghị cho thiết kế PCB tốc độ cao như một lựa chọn vật liệu hao hụt thấp. Tuy nhiên, không phải tất cả các hệ thống đều cần vật liệu này, và có những hệ thống khác mà độ tin cậy của vật liệu Dk thấp dựa trên PTFE có thể được mong muốn hơn nhiều. Hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm về việc sử dụng các vật liệu này và cách đưa ra quyết định vật liệu thông minh hơn cho bảng mạch của bạn.

Các Lựa Chọn Vật Liệu PCB Dk Thấp Tiêu Chuẩn

Nói chung, có bốn loại vật liệu Dk thấp rộng lớn có thể được sử dụng trong cấu trúc PCB:

Những vật liệu này thường có hệ số tổn hao thấp hơn so với vật liệu cấp FR4 tiêu chuẩn với Dk cao hơn (khoảng từ ~4.2 đến ~4.8). Đây là một lý do tại sao chúng thường được khuyến nghị sử dụng trong các PCB tốc độ cao, nhưng khuyến nghị này thường được đưa ra mà không có bối cảnh chính xác. Tôi sẽ thảo luận một số thời điểm điển hình để sử dụng vật liệu Dk thấp dưới đây. Bây giờ, hãy xem xét từng lựa chọn vật liệu này:

FR4 ít tổn hao

Những vật liệu này là vật liệu composite epoxy nhựa kỹ thuật có thể so sánh về mọi mặt với các loại laminate FR4 khác về các tính chất vật liệu chính và cấu trúc (sợi thủy tinh/nội dung nhựa, giá trị Tg, tính chất cơ học). Hai nhà cung cấp phổ biến nhất cho những vật liệu này là Isola và ITEQ, mặc dù cũng có những nhà sản xuất khác tạo ra các laminate tương đương. Những vật liệu này được sử dụng trong cấu trúc PCB giống như bất kỳ laminate cấp FR4 nào khác; các vật liệu có sẵn ở dạng prepreg và lõi, và không có vấn đề lớn nào về cấu trúc hỗn hợp cần xem xét.

• Giá trị Dk: ~3.7
• Hệ số mất mát: 0.005-0.01
• Giá trị Tg: Tùy chọn thấp (~130 °C) và cao (~180 °C)
• Giá trị độ dày: Thấp nhất là 2 mil
• Tùy chọn đồng: Thông thường là đồng ED hoặc RA

Các kiểu dệt thủy tinh trong những tấm lớp này có thể thay đổi đáng kể, từ dệt mở (106) đến dệt kín (2116) và thủy tinh phân tán cơ học. Đối với các ứng dụng tốc độ cao, những tấm lớp này được ưa chuộng vì chúng có thể được sử dụng với hầu hết các giao thức tốc độ cao (DDR3+, PCIe, Ethernet gigabit, các tiêu chuẩn MIPI, v.v.).

Laminates PTFE

Vật liệu laminate có Dk thấp điển hình mà mọi nhà thiết kế đều nên biết là PTFE. Những vật liệu này sử dụng PTFE và một chất đóng rắn được trộn với các chất độn gốm để kỹ thuật hóa hằng số điện môi, góc mất mát, và Tg đến những giá trị nhất định. Những vật liệu này cũng được kỹ thuật để có giá trị Dk rất cao để sử dụng trong các ứng dụng Dk thấp (chúng vẫn có tổn thất tổng thấp hơn FR4), như tôi đã trình bày trong bài viết này.

• Giá trị Dk: 3 đến 10 với sự phân tán thấp
• Góc mất mát: 0.0013-0.004 với sự phân tán thấp
• Giá trị Tg: Rất cao (~280 °C) nhưng thay đổi theo thành phần vật liệu
• Giá trị độ dày: Một số lựa chọn dưới 5 mil
• Lựa chọn đồng: ED, RA, xử lý, hoặc đồng hồ sơ thấp

Các ứng dụng thường được nhắc đến nhất cho những vật liệu này là trong các hệ thống RF hoạt động ở dải GHz. Lưu ý rằng bạn không cần phải sử dụng Rogers cho mọi bảng mạch RF; dưới khoảng 5 GHz (dải tần số WiFi), sự mất mát điện môi và đồng trong bảng mạch FR4 quá nhỏ để có ý nghĩa trừ khi bảng mạch trở nên rất lớn.

Loại kết quả này có thể được thấy rõ ràng trong dữ liệu mất mát điện môi của Rogers (Tôi đã trích dẫn nhiều ví dụ trên blog này). Bạn cũng có thể thấy điều này rất rõ ràng từ kết quả mô phỏng, và từ kết quả phân tích tôi trình bày trong một blog về độ nhám của đồng.

Một số vật liệu PCB dựa trên PTFE có Dk thấp có thể được cung cấp dưới dạng lớp phủ không cố định, nghĩa là chúng không có sự cố định bằng sợi thủy tinh. Ví dụ, Rogers 3003 là một ví dụ về lớp phủ có góc mất mát thấp rất thấp với đồng rất mịn, và nó được cung cấp mà không cần cố định bằng kính. Điều này loại bỏ hiệu ứng sợi dệt, nhưng làm cho vật liệu khó làm việc hơn khi lớp phủ mỏng hơn.

Polyme Tinh Thể Lỏng

Vật liệu này có Dk thấp, tổn hao thấp được biết đến nhiều nhất vì ứng dụng trong việc sản xuất mạch in linh hoạt (flex PCBs) tiên tiến hoạt động trong phạm vi đường kính/ khoảng cách ultra-HDI. Những vật liệu này có thể được sử dụng cùng với polyimides đã được chỉnh sửa để tạo ra các mạch có số lượng lớp cao, và thường được sử dụng trong điện thoại thông minh. Các lĩnh vực ứng dụng khác bao gồm các hệ thống độ tin cậy cao yêu cầu loại bỏ kết nối để ngăn chặn sự cố thiết bị, như trong hệ thống hàng không vũ trụ.

• Giá trị Dk: ~3.1
• Tổn hao tangent: ~0.002
• Giá trị Tg: Cao (~250 °C)
• Giá trị độ dày: Phạm vi rộng
• Tùy chọn đồng: Hồ sơ thấp/ED, thường là trọng lượng đồng thấp

Để tìm hiểu thêm về loại vật liệu này, đọc bài viết này của Happy Holden.

Polyimides và Phim Kết Dính

Hai bộ vật liệu này được sử dụng trong lắp ráp linh hoạt hoặc cứng-linh hoạt. Polyimides là bộ vật liệu tiêu chuẩn được sử dụng trong các lớp chồng linh hoạt và cứng-linh hoạt như là vật liệu nền cho bảng mạch. Một số tính chất vật liệu chính cho những vật liệu này bao gồm:

• Giá trị Dk: 2.8 đến 3.5
• Hệ số tổn hao: 0.003-0.01
• Giá trị Tg: Rất cao (>300 °C)
• Giá trị độ dày: Phạm vi rộng
• Lựa chọn đồng: RA

Vật liệu polyimide cơ bản đã cung cấp giá trị Dk hơi thấp hơn so với hầu hết các lớp phủ FR4, với giá trị Dk điển hình là khoảng 3.4 đối với polyimides. Polyimides có nhiều loại và tên sản phẩm khác nhau, và tính chất vật liệu của chúng thay đổi tùy theo thành phần của phim. Lưu ý rằng có một số báo cáo về polyimides có Dk thấp/tổn hao thấp hoạt động trong phạm vi GHz. Bài báo dưới đây là một ví dụ về loại vật liệu như vậy.

• Tomikawa, M., và cộng sự. "Polyimides tổn hao phân tán thấp cho các ứng dụng tần số cao." Trong 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), tr. 167-170. IEEE, 2018.

Các phim kết dính là một loại vật liệu có thể được sử dụng trong cấu trúc PCB linh hoạt/cứng-linh hoạt để cung cấp một khu vực Dk thấp phía trên lớp tín hiệu đồng. Những phim này là các lớp keo phủ mỏng rất mỏng được sử dụng để kết dính với lớp phủ trong cấu trúc PCB linh hoạt/cứng-linh hoạt. Những phim này có thể có giá trị Dk rất thấp (dưới 3) và hệ số mất mát rất thấp, nhưng chúng chỉ hữu ích trong cấu trúc linh hoạt như một keo phủ mất mát thấp. Các ứng dụng khác có thể sử dụng vật liệu này miễn là nó có thể được tích hợp vào cấu trúc. Độ dày vật liệu điển hình là ~1 mil, vì vậy nó chỉ trở nên hữu ích trong các bảng mạch có số lượng lớp cao hơn.

• Giá trị Dk: ~2.5
• Hệ số mất mát: ~0.002
• Giá trị Tg: Rất cao (~300 °C) nhưng thay đổi tùy theo thành phần vật liệu
• Giá trị độ dày: ~1 mil
• Tùy chọn đồng: Không áp dụng

Để tìm hiểu thêm về lý do bạn nên và không nên sử dụng vật liệu PCB Dk thấp, xem video sau.

Vật liệu Dk cực thấp (Thấp đến Dk = 2)

Nếu bạn quan sát xung quanh thế giới RF, bạn sẽ tìm thấy các vật liệu mạch in cứng có chỉ số Dk rất thấp, thậm chí ít hơn 3. Những vật liệu này không thường được sử dụng trong các thiết kế HDI tiên tiến vì chúng hiện không có sẵn ở các lớp mỏng rất mỏng (như 2 mils hoặc ít hơn). Tôi đã ám chỉ đến những vật liệu này ở phần trên về polyimide, nhưng polyimide là một vật liệu linh hoạt mỏng được sử dụng như một lớp phủ trong những ứng dụng này, và không giảm xuống dưới Dk = 3.

Thay vào đó, chúng ta phải tìm đến PTFE được củng cố bằng gốm để tìm vật liệu có chỉ số Dk thấp đến mức 2. Hai nhà cung cấp giải pháp cho những vật liệu này là AGC Multimaterial (bao gồm Nelco và Taconic), và Rogers Corporation.

Là một ví dụ, hãy xem dữ liệu của Rogers RT/Duroid 5880LZ dưới đây. Laminate này có giá trị Dk và Df rất thấp, là điều rất mong muốn trong các hệ thống RF và số hoạt động ở tần số/băng thông rất cao. Do độ dày laminate có sẵn (như đã thảo luận dưới đây), các ứng dụng lý tưởng cho vật liệu này vẫn nằm trong lĩnh vực RF do yêu cầu về độ rộng dấu vết.

Rất tiếc cho các nhà thiết kế hệ thống số, vật liệu Rogers này không có sẵn ở độ dày dưới 10 mils. Trên một lớp cách điện 10 mil với Dk = 2, một đường microstrip 50 Ohm sẽ rộng 31 mils! Một đường microstrip đồng mức 50 Ohm với khoảng cách từ dấu vết đến đổ là 10 mils vẫn sẽ rộng 27 mils. Rõ ràng, đây là một bước khởi đầu không thể chấp nhận được trong các PCB số tiên tiến và các vật liệu nền yêu cầu giá trị Dk thấp hơn vì bạn sẽ không bao giờ có thể định tuyến vào các bóng bánh có khoảng cách nhỏ.

Trong khi các nhà thiết kế hệ thống số sử dụng giao diện tốc độ cực cao (ví dụ, 224G PAM-4) sẽ rất muốn tìm kiếm vật liệu số cứng với giá trị Dk thấp như 2, thế giới vật liệu lớp cách điện vẫn còn một số việc phải bắt kịp. Các nhà thiết kế PCB số và bao bì sẽ rất muốn có một vật liệu cứng mỏng với Dk thấp như 2 vì nó rất hỗ trợ tính toàn vẹn tín hiệu trong các hệ thống HDI. Tôi biết một startup đang hướng tới loại vật liệu này, và tôi mong đợi các nhà sản xuất vật liệu lớn hơn cuối cùng sẽ theo kịp.

Tại sao lại Tập trung vào Vật liệu PCB Dk Thấp?

Khi nhiều hướng dẫn thiết kế PCB tốc độ cao khẳng định rằng sử dụng “lớp cách điện có Dk thấp”, họ thường khuyến nghị sử dụng lớp cách điện PTFE. Tôi đã tìm thấy hai lý do cho khuyến nghị này, cả hai đều không có lý:

1. Có một giả định sai lầm rằng Dk thấp tương đương với tổn hao thấp
2. Dk thấp tương đương với tốc độ truyền tín hiệu nhanh hơn, điều này sau đó được sử dụng làm lý do để không cần phải khớp trở kháng hoặc sử dụng mặt đất

Giả định trong Điểm #1 hoàn toàn sai. Tổn hao mà một sóng điện từ trải qua hoàn toàn được xác định bởi phần ảo của hằng số điện môi, không phải là tangente tổn hao. Tangente tổn hao chỉ là một chỉ số tổng hợp so sánh tốc độ sóng với tổn hao sóng, và nó cũng đơn giản hóa một số phép tính toán học liên quan đến giá trị của các phần tử mạch phân tán cho đường truyền. Điều này có nghĩa là, với một lượng tổn hao điện môi nhất định, một vật liệu có Dk thấp sẽ có tangente tổn hao cao hơn so với vật liệu có Dk cao.

Đây là điều mà các nhà vật lý học được học ngay trong ngày đầu tiên của lớp học quang học. Vì một lý do nào đó, các kỹ sư vi sóng lại không nhận được thông báo này.

Giả định trong Điểm #2 cũng là một hướng dẫn vô lý trong thiết kế PCB tốc độ cao. Nếu bạn đang thiết kế một PCB tốc độ cao, bạn sẽ mất nhiều thời gian hơn để tính toán độ dài dấu vết nếu bạn đang cố gắng giữ dưới chiều dài quan trọng cho đường truyền. Hơn nữa, "chiều dài quan trọng" không được định nghĩa rõ ràng, như tôi đã thảo luận nhiều lần. Do đó, bạn chỉ nên thiết kế theo trở kháng yêu cầu cho các giao diện của mình, bất kể bạn đang thiết kế trên vật liệu có Dk thấp hay cao.

Việc ước lượng chính xác chiều rộng đạt trở kháng mục tiêu cũng cực kỳ dễ dàng. Ngoài Quản lý Lớp Chồng trong Altium Designer, tôi đã đăng nhiều ứng dụng máy tính trên blog này có thể đưa ra ước lượng chính xác cao gần với trở kháng mục tiêu 50 Ohm.

• Xem danh sách các máy tính trở kháng trực tuyến của chúng tôi

Ứng dụng Nào Cần Vật Liệu Dk Thấp?

Mặc dù tôi đã viết ở trên về các hướng dẫn về thiết kế tốc độ cao, có những ứng dụng thực sự cần vật liệu Dk thấp, bao gồm trong thiết kế PCB tốc độ cao. Ví dụ, các ứng dụng sau thường sử dụng vật liệu Dk thấp.

Các vật liệu có Dk thấp thường được sử dụng trong các ứng dụng này có thể được chọn vì chúng tình cờ trùng khớp với hệ số mất mát thấp hơn. Các bảng mạch khác, như điện tử công suất cao độ tin cậy, có thể được xây dựng trên PTFE hoặc polyimide, nhưng không phải vì các vật liệu này có giá trị Dk thấp hơn so với lớp phủ FR4 tiêu chuẩn.

Điểm cuối cùng trong bảng trên có lẽ là quan trọng nhất đối với các hệ thống tốc độ cao và trong các hệ thống tần số rất cao. Trong cả hai hệ thống này, kích thước tính năng nhỏ sẽ được yêu cầu để đạt được trở kháng mục tiêu và hoạt động ở bước sóng yêu cầu (trong các hệ thống RF). Điều này có nghĩa là bạn có thể đạt được số lượng lớp cao hơn và hoạt động ở tần số cao hơn, nhưng bạn sẽ có thể sử dụng quy trình chế tạo kém chính xác hơn. Đây có lẽ là một trong những lợi ích lớn nhất của các vật liệu này khi các sản phẩm tiên tiến hơn tiếp tục tiến xa hơn vào phạm vi ultra-HDI.

Khi bạn sẵn lòng chọn vật liệu cho bố cục PCB của mình, bao gồm cả các cấu trúc tiêu chuẩn với Dk thấp, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế sản phẩm đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình. Hãy xem các cập nhật tính năng hàng tháng trong Altium Designer.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.

Ví dụ về PCB PTFE từ a