Valg af materiale til højfrekvente printplader

Valget af materiale bliver stadig vigtigere, efterhånden som driftsfrekvenserne overskrider de konventionelle printkortkonstruktioners kapacitet. I RF-, mikrobølge-, millimeterbølge- og højhastighedskommunikationssystemer kan laminatets elektriske egenskaber have direkte indflydelse på signaltab, impedansstabilitet, indsætningstab og systemets samlede ydeevne.

Selvom standard FR4 fortsat er velegnet til mange elektroniske produkter, kræver højfrekvente kredsløb ofte materialer, der er specielt udviklet til at opretholde ensartede elektriske egenskaber over bredere frekvensområder.

Ved at vælge det rigtige materiale tidligt i designfasen kan man undgå problemer med signalintegriteten, omkostninger til omdesign og produktionsudfordringer senere i projektet.

Hvorfor materialevalget er vigtigt ved høje frekvenser

Ved lavere frekvenser påvirkes PCB’ens ydeevne primært af kredsløbslayoutet og valg af komponenter.

Jo højere frekvensen er, desto større betydning får materialets egenskaber.

Flere faktorer bidrager til denne udvikling:

• Øget dielektrisk tab
• Større indsætningstab
• Større følsomhed over for ændringer i impedansen
• Større krav til signalintegriteten

Materialer, der fungerer godt i digitale applikationer med lav hastighed, giver muligvis ikke tilfredsstillende resultater i RF- eller højhastighedskommunikationssystemer.

Dette er en af grundene til, at valg af materialer er blevet en afgørende del af moderne printkortudvikling.

De vigtigste materialegenskaber

Dielektrisk konstant (Dk)

Dk påvirker signalhastigheden og impedansen.

En stabil dielektrisk konstant bidrager til at opretholde en forudsigelig elektrisk ydeevne på tværs af forskellige frekvenser.

Som forklaret i Dk- og Df-værdier i PCB-materialer, selv små ændringer i Dk kan påvirke impedansstyrede strukturer.

Dissipationsfaktor (Df)

Df bestemmer, hvor meget signalenergi der går tabt i det dielektriske materiale.

Lavere Df-værdier medfører generelt:

• Reduceret indsættelsestab
• Forbedret signalkvalitet
• Større transmissionsafstande

I mange højfrekvente konstruktioner bliver Df en af de vigtigste materialeparametre.

Termisk stabilitet

Kommunikationsudstyr er ofte i kontinuerlig drift i krævende miljøer.

Termisk stabilitet bidrager til at sikre:

• Stabil elektrisk ydeevne
• Mindre mekanisk belastning
• Forbedret pålidelighed på lang sigt

Modstandsdygtighed over for fugt

Fugtoptagelse kan ændre de dielektriske egenskaber og påvirke RF-ydeevnen.

Materialer, der er udviklet til højfrekvente anvendelser, udviser typisk lave fugtabsorberingsegenskaber.

Kan FR4 bruges til Højfrekvente printkort?

Svaret afhænger af driftsfrekvensen og ydeevnekravene.

Standard FR4 fungerer godt i:

• Forbrugerelektronik
• Produkter til industriel styring
• Generelt kommunikationsudstyr

Mange kredsløbsdesign, der fungerer ved frekvenser under flere gigahertz, kan uden større problemer anvende FR4.

For en detaljeret gennemgang af konventionelle laminaters ydeevne, se FR4-printplademateriale forklaret.

Når frekvenserne stiger, bliver det relativt høje dielektriske tab i FR4 imidlertid en begrænsning.

Ingeniører skifter ofte til materialer med lavt tab eller RF-specifikke materialer, når:

• Signaltabet bliver for stort
• Kanalernes længde øges
• Kravene til RF-ydeevne bliver strengere

FR4 med højt TG-indhold i kommunikationsudstyr

Materialer med høj TG-værdi vælges ofte til kommunikationsprodukter på grund af deres termiske pålidelighed.

Fordelene omfatter:

• Bedre dimensionsstabilitet
• Forbedret modstandsdygtighed over for termiske cyklusser
• Forbedret pålidelighed i produktionen

FR4 med højt TG-indhold bør dog ikke automatisk betragtes som et højfrekvensmateriale.

Dens største fordel er den termiske ydeevne snarere end et markant lavere signaltab.

Yderligere oplysninger findes i FR4-printplade med høj TG-værdi.

Materialer med lavt tab til digitale højhastighedskredsløb

Mange moderne netværks- og computerprodukter anvender laminatsystemer med lavt tab i stedet for traditionelle RF-materialer.

Typiske anvendelser omfatter:

• Switche til datacentre
• AI-servere
• Højhastighedslagringssystemer
• Telekommunikationsinfrastruktur

Disse materialer byder på:

• Lavere Df-værdier
• Bedre signalintegritet
• Forbedret kanalydelse

Sammenlignet med RF-laminater giver de ofte en mere praktisk balance mellem ydeevne og pris.

Læsere, der er interesserede i denne kategori, kan læse mere her: Forklaring af PCB-materialer med lavt tab.

Rogers Materialer

Rogers-laminater hører til blandt de mest anerkendte materialer, der anvendes til fremstilling af RF- og mikrobølge-printkort.

Blandt de mest almindelige produktfamilier kan nævnes:

• Rogers 4350B
• Rogers 4003C
• Rogers 5880

Fordelene omfatter:

• Stabile Dk-værdier
• Lavt dielektrisk tab
• Fremragende højfrekvent ydeevne
• God processtabilitet

Applikationerne omfatter:

• Radarsystemer
• RF-forstærkere
• Antennekredsløb
• Satellitkommunikationsudstyr

I kommende artikler vil vi se nærmere på specifikke værker af Rogers.

PTFE-baserede materialer

PTFE er stadig et af de dielektriske materialer med det laveste tab, der findes til fremstilling af printkort.

Kendetegnene omfatter:

• Ekstremt lav Df-værdi
• Fremragende RF-ydelse
• Stabil elektrisk adfærd

PTFE-materialer findes typisk i:

• Mikrobølgesystemer
• Elektronik til rumfart
• Militært kommunikationsudstyr
• Højfrekvent testudstyr

Selvom ydeevnen er fremragende, kræver PTFE-materialer typisk en mere specialiseret forarbejdning sammenlignet med FR4-baserede laminater.

Megtron og High-Speed Digital Materials

Udviklingen inden for cloud computing og AI-infrastruktur har øget efterspørgslen efter avancerede højhastighedslaminater.

Materialer såsom:

• Megtron 6
• Megtron 7
• Isola I-Speed
• Tachyon
• Nelco-højhastighedssystemer

er blevet stadig mere almindelige i:

• Hardware til datacentre
• AI-servere
• Netværksplatforme
• Højtydende computersystemer

Disse materialer er optimeret med henblik på digital signalintegritet snarere end rent RF-anvendelser.

Valg af materiale efter anvendelsesformål

Forskellige anvendelsesområder kræver ofte forskellige materialestrategier.

Forbrugerelektronik

Typisk materiale:

• Standard FR4

Vigtigste overvejelse:

• Omkostningseffektivitet

Industrielle kontrolsystemer

Typisk materiale:

• FR4
• FR4 med højt TG

Vigtigste overvejelse:

• Pålidelighed

Højhastighedsnetværk

Typisk materiale:

• Laminater med lavt tab
• Megtron
• Isola-materialer til højhastighedsbrug

Vigtigste overvejelse:

• Signalintegritet

RF- og mikrobølgesystemer

Typisk materiale:

• Rogers
• PTFE
• Taconic

Vigtigste overvejelse:

• Lavt dielektrisk tab

Luft- og rumfart og forsvar

Typisk materiale:

• PTFE
• Avancerede RF-laminater
• Kombinationer af hybridmaterialer

Vigtigste overvejelse:

• Ydeevne under krævende driftsforhold

Kombinationer af hybridmaterialer

Det er ikke alle designs, der kræver ét enkelt laminatsystem på hele printkortet.

Mange avancerede produkter anvender hybridopbygninger, der kombinerer:

• FR4
• Materialer med lavt tab
• Rogers-laminater

Fordelene omfatter:

• Lavere materialeomkostninger
• Forbedret fremstillbarhed
• Optimeret elektrisk ydeevne

Hybridkonstruktioner er især udbredt i RF-produkter, der indeholder både digitale kredsløb og mikrobølgekredsløb.

Almindelige fejl ved valg af materialer

Udelukkende fokus på Dk

Dk er vigtigt, men man skal også tage højde for Df, termisk ydeevne og fremstillbarhed.

Valg af det materiale, der har det laveste tab

Det dyreste materiale er ikke nødvendigvis den bedste samlede løsning.

At se bort fra produktionskravene

Visse materialer kræver særlige bore-, laminerings- og håndteringsprocesser.

Overdimensionering af materialer

Mange konstruktioner kan opfylde deres formål ved hjælp af laminater med lavt tab, uden at der er behov for RF-substrater i højeste kvalitet.

OFTE STILLEDE SPØRGSMÅL