Какой материал подложки лучше всего подходит для ваших высокоскоростных печатных плат?

Материалы печатной платы (PCB) содержат линии передачи и компоненты, которые позволяют создавать дискретные радиочастотные / микроволновые схемы. Они состоят из множества материалов, включая пластмассы, эпоксидную смолу, стекло и керамику, в жестких и гибких формах и с качествами, которые служат многим различным схемам. Понимание того, как параметры материала печатной платы связаны с производительностью схемы, может упростить задачу согласования материала печатной платы с назначением, а также с процессом изготовления схемы.

Проще говоря, материалы для печатных плат — это изоляторы; они обеспечивают электрическую изоляцию между линиями передачи, компонентами и полупроводниковыми устройствами, установленными на них. Если диэлектрические свойства материала печатной платы , например, из-за чрезмерной мощности или напряжения, изоляция будет уменьшаться, и материал начнет проводить электричество в ущерб присоединенным компонентам. Купить СВЧ материалы для радиочастотных аналоговых электронных схем можно здесь https://a-contract.ru/produkcija/svch/svch-materialy/

Определение диэлектрической постоянной

Материалы для печатных плат коммерчески доступны во многих рецептурах с многочисленными уровнями производительности, причем наиболее обычным компромиссом является цена и производительность. Большое количество параметров описывает характеристики материала схемы, причем диэлектрическая постоянная (ε r или Dk), вероятно, является самой популярной отправной точкой при сравнении материалов.

Dk или относительная диэлектрическая проницаемость материала схемы являются мерой емкости или заряда, хранящейся между двумя проводниками на диэлектрическом материале, по сравнению с теми же двумя проводниками в вакууме. Более высокие значения Dk связаны с более высокой плотностью потока, причем размеры линий СВЧ-линий (например, микрополосковых) уменьшаются с увеличением значений Dk для конкретной частоты.

Для данной частоты и характерного импеданса проводники шире для материалов с более низкими значениями Dk, что приводит к меньшим потерям. Схемы на материалах нижнего Dk будут иметь большие размеры, но это также может означать более высокие выходы для конкретного процесса изготовления схемы — все компромиссы, которые следует учитывать при выборе материала печатной платы.

Диэлектрическая проницаемость вакуума при 1,0, служит в качестве эталона для других диэлектрических материалов, таких как тефлон с диэлектрической постоянной 2,1. Материалы, такие как тефлон или политетрафлуроэтилен (PTFE), часто использовались в
радиочастотных / микроволновых схемах. Однако диапазон значений Dk для материалов высокочастотных схем довольно широк, от менее 2,1 до более 10,0, для миниатюризации низкочастотных схем с более длинными волнами.

Диэлектрическая проницаемость материалов будет варьироваться в зависимости от влажности и температуры. Так как вода имеет высокое значение Dk около 80, любой материал, поглощающий воду в среде с высокой влажностью, будет демонстрировать увеличение Dk, что приведет к изменению характеристик высокочастотных схем. Изменения температуры окружающей среды или тепла, выделяемого компонентами силовой цепи, также могут влиять на Dk, характеризующийся параметром, называемым термическим коэффициентом Dk (TCDk). Для стабильной работы схемы предпочтительны более низкие значения в самых широких диапазонах рабочих температур.

Другим важным параметром материала, связанным с температурой, является коэффициент теплового расширения (CTE), мера того, как материал механически изменяется с температурой. Такие изменения неизбежны, но в идеале они должны быть как можно ближе к другим материалам, таким как медные проводники, объединенные с материалом печатной платы, чтобы минимизировать напряжение, связанное с температурой. Например, в автомобильных электронных приложениях, где рабочие температуры могут охватывать широкий диапазон, следует учитывать как TCDk, так и CTE.

1. Материалы, спроектированные для высоких температур и высоких уровней мощности, обычно обеспечивают высокую теплопроводность и низкое тепловое сопротивление.

Материалы ПХД могут быть указаны во многих размерах, толщинах и диэлектрических постоянных. Поставщики материалов могут характеризовать свои материалы с точки зрения диэлектрической постоянной по оси z (толщина материала) и / или в плоскости xy (длина и ширина материала) и, как правило, на определенной частоте тестирования, такой как 1 или 10 ГГц.

Коэффициент диссипации (Df) или тангенс угла потерь служит в качестве средства сравнения характеристик потерь для разных материалов. Обычно это определяется толщиной или осью z материала, а также при разных частотах и температуре окружающей среды. Коэффициент рассеяния является функцией частоты и возрастает с увеличением частоты; более низкие значения представляют собой более низкие характеристики потерь.

Некоторые типы материалов общего назначения, такие как огнестойкий эпоксидный ламинат FR-4 с эпоксидным стеклом или стекло / эпоксидные композиционные материалы G-10, долгое время служили множеством аналоговых и цифровых схем. Это потому, что они имеют простые требования к обработке по сравнению с более мягкими материалами, такими как PTFE. Сверлильные и гальванические отверстия с металлическими проводниками, как это требуется для покрытых сквозных отверстий в многослойных цепях, могут быть более сложными (и дорогостоящими) в таких более мягких материалах. Таким образом, упрощение производства является еще одним фактором, который следует учитывать при выборе материала схемы.

Обработка тепла

При определенных уровнях мощности будет генерироваться тепло, и в точках теплового несоответствия или на перекрестках будут возникать более высокие температуры, например, когда упакованный компонент монтируется на печатной плате. ПХД должна быть способна эффективно рассеивать тепло, чтобы избежать теплового напряжения на материале и его линиях и компонентах.

Типовые материалы, разработанные для высоких уровней мощности, обычно представляют собой ламинаты с малыми потерями, которые могут включать металлическую подложку и ПТГ через диэлектрический слой для облегчения теплового потока от верхних слоев проводника до нижней плоскости заземления в микрополосковой схеме. Дополнительные компоненты, такие как радиаторы, могут использоваться для улучшения теплового управления мощными печатными платами, но они также добавят размер, вес и стоимость конструкции.

Тепловые свойства материала печатной платы будут определять пределы возможностей по обработке мощности материала, так как высокие уровни мощности обычно означают высокие температуры в контуре. Тепло может исходить от приложенного источника питания, от окружающей среды или от компонента, установленного на печатной плате, такого как высокомощный транзистор в усилителе. Самые надежные печатные платы могут направлять тепловую энергию без повреждения схемы или материала платы. Эта способность суммируется теплопроводностью материала, причем более высокие значения
указывают на более низкое сопротивление потоку тепла. Теплопроводность по существуявляется мерой скорости потери материала в виде тепла. Более высокие значения теплопроводности приводят к более высокой мощности для материалов для печатных плат.

Электрические проводники, например, из меди, обладают высокой теплопроводностью по сравнению с диэлектрическими материалами. Однако некоторые диэлектрические материалы составлены с наполнителями, которые повышают их теплопроводность. Такие различия в термическом сопротивлении материалов, составляющих печатную плату, могут приводить к образованию горячих точек на печатной плате, где тепло легко проходит через медные проводники, но не через окружающий диэлектрический материал. По этой причине в схемах с более высокой мощностью обычно требуются материалы схемы с более высокими значениями теплопроводности для лучшей обработки мощности и лучшего рассеивания тепла.

2. Для новых миллиметровых и высокоскоростных цифровых схем потребуются высокопроизводительные схемы с чрезвычайно стабильными характеристиками Dk.

В качестве примера с более низкой частотой теплопроводность стандартного материала FR-4 обычно составляет около 0,30 Вт / мК, что является относительно низким значением, которое предупреждает потенциальные горячие точки схемы при более высоких уровнях мощности. Это значение представляет собой долю теплопроводности, проявляемой материалом, спроектированным для использования при более высокой мощности.

Например, термически проводящие материалы для печатных плат Tlam SS HTD03 из Laird Technologies обладают теплопроводностью 2,2 Вт / мК и низким тепловым сопротивлением 0,049 ° C-in. 2 / Вт для хорошего теплового потока (рис.1). Они состоят из коммутационного слоя меди с высокой температурой номинального диэлектрического материала и меди или алюминия опорной плите, чтобы увеличить тепловую производительность для цепей с источниками питания или светоизлучающих диодов (LED).

Диэлектрический материал печатной платы, такой как Tlam SS HTD03, оценивается как высокотемпературный материал по температуре стеклования (T g ). Этот параметр указывает температуру, при которой материал переходит из более твердого состояния в более мягкое, более расплавленное состояние. Он обычно используется для определения того, подходит ли материал для более высокотемпературных методов изготовления, таких как процессы сборки бессвинцового припоя. Стандартные значения T g обычно составляют + 125 ° C, тогда как материалы с более высоким T g имеют T g примерно + 145 ° C. T g относится к кратковременной максимальной температуре и не следует рассматривать как верхнюю температуру для непрерывного использования.

Цифровая скорость

Множество различных жестких и гибких схемных материалов доступны от многочисленных поставщиков для узкополосных и широкополосных приложений радиочастотной / микроволновой связи с широким диапазоном значений Dk. Спецификаторы обычно измеряют производительность по сравнению с затратами и технологичностью при выборе материала для плат.

Например, производители автомобилей все чаще предлагают системы предупреждения / предотвращения столкновений на основе радиолокационных методов миллиметрового диапазона. Эти системы требуют материалов для печатных плат, способных работать с низкими потерями до 70 ГГц и более, таких как материалы схемы RO3003. Эти материалы на основе ПТФЭ обогащены керамическим наполнителем для отличной электрической и механической стабильности. Они характеризуются низкими значениями CTE для всех трех осей материала в соответствии с автомобильными приложениями. Материал схемы RO3003 имеет низкий коэффициент диссипации по оси z (0,0010 на частоте 10 ГГц). Его диэлектрическая проницаемость 3,00 контролируется до ± 0,04 для отличной электрической стабильности. Он также имеет низкое поглощение влаги для стабильности в условиях высокой влажности.

Ожидается, что беспроводные рабочие частоты будут стремительно развиваться с разработкой систем сотовой связи пятого поколения (5G), требующих экономичных схемных материалов для использования на частотах миллиметровых волн (выше 30 ГГц). Те же свойства, которые соответствуют материалу печатной платы для миллиметровых цепей, также делают его пригодным для высокоскоростных цифровых схем. И наоборот, чрезмерная потеря недорогих материалов, таких как FR-4, приводит к серьезному ухудшению характеристик для миллиметровых и высокоскоростных цифровых схем.

Печатные материалы, способные к высокоскоростному цифровому управлению, должны обрабатывать сигналы, богатые гармоническим контентом. Когда учитываются составляющие гармонического сигнала цифрового сигнала со скоростью 10 Гбит / с, с компонентами сигнала третей, пятой и седьмой гармоник, требования к материалам схемы находятся в одном и том же диапазоне при обработке, скажем, аналоговых миллиметровых сигналов ,

Чтобы поддерживать целостность сигнала входных сигналов, схема должна точно воспроизводить все необходимые гармонические компоненты без искажений. В частности, параметры материала, связанные с согласованностью Dk, такие как TCDk, позволят понять способность материала поддерживать линии передачи с характеристиками сопротивления, жизненно важными для достижения высокой целостности сигнала в высокоскоростных цифровых схемах.


Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*