Ako zvoliť správny materiál dosky plošného spoja vo vzťahu k pracovnej frekvencii návrhu

Ako zvoliť správny materiál dosky plošného spoja vo vzťahu k pracovnej frekvencii návrhu
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  142 zobrazení
4
 0
Výrobné postupy a návody

Priemysel PCB používa už desaťročia vysokofrekvenčné materiály na dosky plošných spojov z viacerých dôvodov. Tieto materiály majú niekoľko jedinečných vlastností v porovnaní s tradičnejšími materiálmi používanými na PCB.

Väčšina vysokofrekvenčných aplikácií si vyžaduje materiály pre dosky plošných spojov s dôrazom na viaceré atribúty namiesto špecifikovania jednej položky záujmu. Okrem toho konkrétna aplikácia bude mať zvyčajne jednu špecifikáciu, ktorá je prvoradá, zatiaľ čo ostatné sú druhoradé. Pri správnom pochopení potrieb a atribútov vysokofrekvenčných materiálov môžu výrobcovia OEM a výrobcovia PCB vybrať optimálny materiál pre svoju konkrétnu aplikáciu.

Vlastnosti potrebné pri vysokofrekvenčných materiáloch PCB

Dielektrická konštanta

Väčšina vysokofrekvenčných materiálov potrebuje veľmi konzistentnú dielektrickú konštantu. Konzistencia sa vyžaduje nielen v rámci jedného listu obvodového materiálu, ale aj medzi jednotlivými šaržami. Je to potrebné, aby elektronické obvody na doske poskytovali rovnaký výkon vo veľkých šaržiach.

Ak je aplikácia určená na prevádzku v širokom rozsahu frekvencií, hodnota dielektrickej konštanty musí byť v celom rozsahu konzistentná. Dielektrická konštanta preto musí zostať za každých okolností konzistentná aj v rozsahu teplôt, v ktorých bude aplikácia pravdepodobne pracovať.

Koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE)

Hoci CTE (Coefficient of Thermal Expansion) nie je až taký dôležitý parameter pre vysokofrekvenčné materiály dosiek plošných spojov, môže byť pri niektorých aplikáciách kritický. Keď sa zvýši teplota okolia, doska plošného spoja bude mať tendenciu sa roztiahnúť. Ak sa CTE materiálu dosky výrazne líši od medi na doske, expanzia môže spôsobiť namáhanie spájkovaných spojov čo môže znamenať poškodenie spájkovaných spojov. Tento účinok sa výrazne prejaví, ak je teplotná zmena dynamická a cyklicky sa zvyšuje a znižuje. Rozdielne materiály rozširujúce sa a zmršťujúce v rôznej miere môžu viesť k oddeleniu spájkovacích bodov od spájky spájajúcej obvody.

CTE pozdĺž osi z je dôležitejšia pre materiály dosiek s priechodkami. Pri materiáloch obvodov s vyššou CTE pozdĺž osi z môžu vyššie teploty poškodiť pokovovanie priechodiek, čím sa zhorší, alebo úplne poškodí elektrické spojenie medzi jednotlivými komponentami.

Absorpcia vlhkosti

Pri vysokofrekvenčnej prevádzke je dôležité, aby materiál PCB vykazoval minimálnu absorpciu vlhkosti. Je to dôležité na udržanie konštantnej dielektrickej konštanty, pretože na zmenu elektrických vlastností dosky stačí len malé množstvo vniknutej vlhkosti.

Vysokofrekvenčné materiály dosiek plošných spojov preto potrebujú úzku toleranciu dielektrickej konštanty, nízky tepelný koeficient dielektrickej konštanty, stabilnú dielektrickú konštantu v priebehu frekvencie a nízku hodnotu  CTE v osi z. Hoci je na trhu k dispozícii niekoľko materiálov pre vysokofrekvenčné obvody, len niekoľko vybraných spĺňa všetky uvedené požiadavky.

Výrobcovia PCB používajú na výrobu vysokofrekvenčných PCB tieto materiály:

FR4, 370HR, FR408HR, séria Rogers 4350, séria Rogers 4003,

vysokorýchlostný materiál: Tachyon, séria Megtron

Ich vysokofrekvenčné charakteristiky sú nasledovné:

Materiál Dielektrická konštanta Strata Tangent CTE v osi Z Frekvencia
FR4 3.8 – 4.8 0.0160 175 < 1 GHz
370HR 3.92 0.0250 45 100 MHz až 10 GHz
FR408HR 3.39 0.0095 55 1 GHz až 10 GHz
Rogers 4350B 3.48 0.0031 32 2.5 GHz až 40 GHz
Rogers 4003C 3.38 0.0021 46 2.5 GHz až 40 GHz
Tachyon 100G 3.02 0.0021 15 2 GHz až 40 GHz, dátová rýchlosť > 100 Gb/s
Megtron 6 3.4 0.0020 45 2 GHz to 10 GHz

 

FR4

Návrh dosky plošného spoja u výrobcu sa začína izolačným substrátom a ako jadro sa zvyčajne používa FR4. FR v názve odkazuje na nehorľavé vlastnosti materiálu, zatiaľ čo typ 4 predstavuje tkaný epoxidový laminát vystužený sklom v substráte. FR4 je vysoko izolačný a tuhý a laminát zvyčajne tvorí základný materiál pre PCB.

Na úspešný návrh vysoko frekvenčnej dosky plošného spoja na lamináte FR4 je potrebné pochopiť základné vlastnosti tohoto materiálu, čo zahŕňa jeho dielektrické a tepelné vlastnosti. Pri použití štandardného FR4 pre RF aplikácie však nemusí byť jeho dielektrická stabilita konzistentná pri vyšších frekvenciách. FR4 má tiež vyšší rozptylový faktor a vyššie vložné straty pri mikrovlnných frekvenciách, čo vedie k väčšiemu útlmu pri vysokých frekvenciách. Väčšina výrobcov preto používa vysoko výkonné FR4 na obchádzanie týchto problémov s RF obvodmi.

370HR

370HR je vysoko výkonný materiál na báze FR4 od spoločnosti ISOLA. V porovnaní s bežným materiálom FR4 má 370HR pokročilé vlastnosti, ako sú lepšie dielektrické a tepelné vlastnosti spolu s vyššou odolnosťou voči CAF (Conductive Anodic Filament) a blokovaním UV žiarenia. Materiál 370HR je vyrobený z tkaniny z E-skla vystuženej multifunkčnými epoxidovými živicami, má nízku CTE a vysokú Tg, pričom si zachováva spracovateľnosť materiálu FR4. Keďže mechanické a tepelné vlastnosti materiálu 370HR prevyšujú vlastnosti tradičného materiálu FR4, jeho konštrukcia je špeciálne navrhnutá pre viacvrstvové vysoko výkonné aplikácie na PCB.

FR408HR

Lamináty FR408HR využívajúce tkaninu z E-skla vystuženú patentovaným vysokoúčinným multifunkčným živicovým systémom spoločnosti ISOLA ponúkajú viac ako 30 % zlepšenie rozťažnosti v osi z a zároveň viac ako 24 % elektrickú šírku pásma v porovnaní s konkurenčnými výrobkami. Vynikajúca odolnosť voči vlhkosti pri pretavovaní pomáha preklenúť rozdiely z elektrického aj tepelného hľadiska.

Vystuženie sklenenou tkaninou triedy E umožňuje vysoko výkonnému systému multifunkčnej živice v lamináte FR408HR ponúknuť nízku dielektrickú konštantu 3,39. To umožňuje väčšiu šírku stopy a znižuje skreslenie spôsobené rozdielom v dielektrickej konštante medzi sklom a živicou.

Séria Rogers 4000

Materiály série RO4000, ktoré sú navrhnuté pre výkon, sú vyrobené zo zosilnených uhľovodíkových / keramických laminátov namiesto PTFE. Vďaka nízkym dielektrickým toleranciám a nízkemu stratovému činiteľu ponúka materiál RO4000 vynikajúci elektrický výkon pri vyšších prevádzkových frekvenciách. Vďaka stabilným elektrickým vlastnostiam v závislosti od frekvencie je séria RO4000 ideálna pre širokopásmové aplikácie.

Tachyon 100G

Materiály Tachyon 100G sú určené pre veľmi vysokorýchlostné digitálne aplikácie a umožňujú dosahovať rýchlosti až do 100 Gb/s a viac. Vďaka výnimočne stabilným elektrickým vlastnostiam v širokom frekvenčnom a teplotnom rozsahu sú lamináty Tachyon 100G vhodné na modernizáciu existujúcich produktov na novú generáciu. Nízka CTE v osi z umožňuje použitie materiálov Tachyon 100G v plošných spojoch s vysokým počtom vrstiev s viacerými rovinami 2 oz a na použitie s BGA s rozstupom 0,8 mm alebo menším. Materiály Tachyon 100G využívajú rozprestreté sklo a meď so zníženým profilom na zlepšenie časov nábehu, zmiernenie skreslenia a zníženie chvenia signálov.

Megtron 6

Ide o pokročilý materiál od spoločnosti Panasonic, ktorý ponúka nízku dielektrickú konštantu a nízke straty na substrátoch pre vysokorýchlostné digitálne aplikácie. Elektrické vlastnosti laminátov Megtron 6 sú konkurencieschopné s materiálmi na báze PTFE, ale s výrazným zlepšením spracovateľnosti. Rodina materiálov Megtron 6 ponúka konštruktérom významné výhody v oblasti výkonu systému pri použití v telekomunikáciách, smerovačoch / prepínačoch, vysokorýchlostných počítačoch a prenosových aplikáciách.

Záver

S rastúcim používaním PCB vo všetkých oblastiach v priebehu rokov sa stáva veľmi dôležitým výber správneho materiálu PCB. Správny materiál PCB pre danú aplikáciu ovplyvňuje nielen funkčnosť a vlastnosti, ale aj celkové náklady na dosku. Výrobcovia a konštruktéri vyberajú materiály na základe požiadaviek aplikácie, environmentálnych faktorov a väčšiny ďalších obmedzení, s ktorými sa PCB pravdepodobne stretne.

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

       

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vaša reklama na tomto mieste

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo


Webwiki Button