So sánh Vật liệu PCB RF cho các Thiết bị sóng mm

Khi một số nhà thiết kế bắt đầu nói về vật liệu, họ có thể mặc định chọn vật liệu lớp phủ FR4. Thực tế là có nhiều loại vật liệu FR4, mỗi loại có cấu trúc tương đối tương tự nhau và một loạt các giá trị tính chất vật liệu. Thiết kế trên FR4 khá khác biệt so với những thiết kế gặp phải ở dải tần GHz thấp và tần số mmWave. Vậy điều gì thực sự thay đổi ở tần số cao, và làm cho những vật liệu này khác biệt như thế nào?

Để thấy rõ điều gì làm cho một loại lớp phủ cụ thể hữu ích như một vật liệu PCB RF, hãy xem hướng dẫn dưới đây của chúng tôi. Chúng tôi sẽ cho bạn thấy một số ví dụ từ các nhà cung cấp phổ biến và cách bạn có thể sử dụng chúng trong bố cục PCB của mình.

Khi nào bạn cần một vật liệu PCB RF?

Đây là một câu hỏi hợp lý và nó liên quan đến một số nhiệm vụ quan trọng trong phân tích hệ thống. Có một số khía cạnh khác nhau mà nhà thiết kế nên xem xét khi đánh giá liệu một vật liệu nền PCB thay thế nên được sử dụng. Dưới đây là một danh sách ngắn gọn về một số khía cạnh bạn có thể xem xét khi chọn một vật liệu nền PCB RF.

• Hệ số tổn hao: Đây là lĩnh vực chính đầu tiên mà các nhà thiết kế PCB sẽ sử dụng để bắt đầu so sánh các lựa chọn vật liệu.
• Hằng số điện môi: Mặc dù đôi khi bị hiểu nhầm, và mọi người thường chỉ chọn vật liệu cách điện có Dk thấp, nhưng vật liệu cách điện có Dk cao cũng có thể có hệ số tổn thất thấp và những lợi ích khác.
• Tính chất nhiệt: Có nhiều tính chất nhiệt, nhưng quan trọng nhất có lẽ là nhiệt độ chuyển pha và CTE.
• Khả năng gia công: Nếu nhà thiết kế để việc này cho nhà sản xuất của họ quyết định thì họ tự gây rủi ro cho mình. Tốt nhất là liên hệ với nhà sản xuất của bạn về khả năng có sẵn vật liệu, khả năng làm việc với bảng mạch, và khả năng có sẵn vật liệu.
• Độ dày: Bạn không thể chọn bất kỳ độ dày nào bạn muốn, bạn cần phải kiểm tra với nhà sản xuất của mình về cấu trúc chồng lớp họ ưa thích. Nếu bạn biết được độ dày của từng lớp mà họ có thể hỗ trợ, bạn thường có thể làm cho thiết kế của mình gần với thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.
• Sự phân tán: Tôi đã đặt điều này ở cuối danh sách vì nó có xu hướng ít quan trọng nhất đối với các ứng dụng mmWave. Băng thông trong các thiết bị mmWave có thể đủ nhỏ đến mức sự phân tán không đáng kể, nhưng bạn vẫn nên kiểm tra điều này khi có thể.

Rất tiếc, như trong nhiều vấn đề kỹ thuật, không có câu trả lời hoàn hảo hay vật liệu hoàn hảo nào có thể hoạt động tốt trong tất cả các lĩnh vực này cùng một lúc. Tuy nhiên, đối với các sản phẩm RF đáng tin cậy cao, có một số vật liệu nền PCB RF phổ biến được thiết kế để hỗ trợ các băng tần cụ thể mà không làm ảnh hưởng đến các tính chất nhiệt quan trọng.

Nhà cung cấp Vật liệu PCB RF PTFE Nổi tiếng

Ngày nay, vật liệu tiêu chuẩn cho các thiết bị RF và mmWave là vật liệu dựa trên PTFE. Rogers có lẽ là nhà sản xuất vật liệu PCB RF dựa trên PTFE nổi tiếng nhất, và công ty sản xuất đa dạng vật liệu laminate PCB tần số cao. Một số trong số này được chuyên biệt cho việc sử dụng trong các băng Ka và W (radar xe hơi và các băng tần 5G tương lai). Nếu bạn từng tải xuống một thiết kế tham khảo PCB cho một sản phẩm RF, bố cục mẫu của họ có lẽ được xây dựng sử dụng Rogers.

Một nhà cung cấp nổi tiếng khác là Isola, với các lựa chọn vật liệu PCB RF hướng đến một loạt các tần số lên đến băng tần W. Ngoài một số vật liệu PCB RF, họ cũng cung cấp một loạt các lớp phủ tiêu chuẩn cấp FR4. Một loại lớp phủ mà tôi thường xuyên sử dụng là 370HR, và tôi đã sử dụng nó để xây dựng một số sản phẩm mạng và nền tảng IoT tùy chỉnh. Nó hoạt động hoàn hảo tại các tần số Wifi cho bố trí và định tuyến PCB RF, và nó sẽ hoạt động tốt cho hầu hết các ứng dụng kỹ thuật số.

Một số ví dụ về vật liệu PCB RF PTFE và hiệu suất của từng loại được hiển thị trong bảng dưới đây. Lưu ý rằng một số giá trị điển hình cho FR4 có Tg thấp được bao gồm trong các băng tần X-K như một cơ sở so sánh.

Chúng tôi không thể hiển thị mọi lựa chọn nền tảng có thể có cho thiết kế PCB RF, nhưng tôi đã tập trung vào những lựa chọn này vì chúng là các lựa chọn phổ biến vì một số lý do. Các giá trị góc mất mát là những gì bạn mong đợi so với các vật liệu FR4 điển hình (khoảng thấp hơn 10 lần), và những vật liệu này có nhiệt độ phân hủy cao so với các lớp phủ FR4 điển hình. Đây là một số đặc điểm chính được xác định trong IPC slash sheets, và nhà sản xuất của bạn có thể đề xuất một vật liệu PCB thay thế sẽ tương thích với lớp phủ mong muốn của bạn.

Dù bạn muốn sử dụng một trong những lựa chọn trong bảng trên hay một nền tảng vật liệu khác, hãy cẩn thận khi đọc tờ dữ liệu kỹ thuật. Nhà cung cấp vật liệu nên có khả năng xác minh các giá trị mà họ trích dẫn trong điều kiện hoạt động được liệt kê. Bạn có thể tìm hiểu nhiều hơn về vật liệu điện môi cho lớp nền của mình và phương pháp thử nghiệm từ John Coonrod của Rogers Corp.

Làm Việc Với PTFE và Các Vật Liệu Khác

Mỗi quyết định thiết kế đều đi kèm với những sự đánh đổi, và vật liệu dựa trên PTFE có một số nhược điểm cơ bản so với FR4:

• CTE cao, vì vậy sự giãn nở nhiệt đặt nhiều áp lực hơn lên các yếu tố đồng
• PTFE không dễ dàng kết dính với các vật liệu khác, do đó một lớp kết dính được sử dụng
• PTFE là một chất mềm có thể dễ dàng bị biến dạng

Sau đó là vấn đề về chi phí. Lớp phủ PTFE là một vật liệu chuyên biệt dù rằng chúng rất phổ biến, vì vậy thiết bị RF thường không được xây dựng hoàn toàn bằng PTFE trong toàn bộ cấu trúc lớp. Một lựa chọn là sử dụng một cấu trúc hỗn hợp, nơi lớp phủ PTFE được đặt trên lớp bề mặt và tín hiệu tần số cao chỉ được định tuyến trên lớp phủ PTFE trên một lớp mặt phẳng. Một ví dụ về bảng xếp lớp cho một bảng mạch RF 6 lớp được hiển thị dưới đây.

Chú Ý Đến Các Vật Liệu Đổi Mới

Các công ty vật liệu sẽ tiếp tục phát triển các giải pháp mới với độ mất mát thấp, độ phân tán thấp. Một số vật liệu thử nghiệm mới nhất đang nhắm vào hiệu ứng dệt sợi và sẽ cố gắng giải quyết vấn đề này bằng các vật liệu mượt mà hơn. Với công cụ xếp chồng lớp PCB phù hợp, bạn sẽ không bị giới hạn bởi các giá trị vật liệu cụ thể, bạn có thể nhập dữ liệu vật liệu tùy chỉnh từ nhà sản xuất của mình vào thiết kế xếp chồng của bạn.

Sau khi bạn đã chọn một vật liệu PCB RF phù hợp để hỗ trợ bố trí và định tuyến tần số cao, bạn có thể tạo một xếp chồng chất lượng cao với Altium Designer®. Tất cả người dùng Altium Designer có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập thiết kế của họ vào máy giải Ansys cho các mô phỏng tính toán tín hiệu nâng cao.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.