I takt med at signalhastighederne fortsat stiger, nærmer de traditionelle printpladematerialer sig deres ydeevnegrænser. Selvom standard FR4 fortsat er velegnet til mange anvendelsesområder, kræver moderne netværksudstyr, AI-computingplatforme, højhastighedslagringssystemer og kommunikationsinfrastruktur ofte materialer med lavere signaltab.
Det er her, at PCB-materialer med lavt tab spiller en vigtig rolle.
Laminater med lavt tab er udviklet til at reducere den dielektriske dæmpning, hvilket gør det muligt for signalerne at tilbagelægge længere afstande uden at miste deres integritet. De er blevet et almindeligt valg i applikationer, der opererer med datahastigheder på flere gigabit og høje frekvenser.
Indholdsfortegnelse
Hvad kendetegner et PCB-materiale med lavt tab?
Signaltab i et printkort kan skyldes flere forskellige årsager, herunder ledertab, overfladeruhed, overgange ved stik og dielektrisk tab.
Blandt disse faktorer påvirkes det dielektriske tab direkte af selve laminatmaterialet.
Et materiale betragtes generelt som et materiale med lavt tab, når det har følgende egenskaber:
- Lavt tabskoefficient (Df)
- Stabil dielektrisk konstant (Dk)
- Ensartet elektrisk ydeevne på tværs af frekvensområderne
- Reduceret indsættelsestab
Som forklaret i Dk- og Df-værdier i PCB-materialer, er dissipationsfaktoren en af de vigtigste indikatorer, der anvendes til at vurdere signalets tabskarakteristika.
Hvorfor standard FR4 har sine begrænsninger
FR4 er stadig det mest udbredte materiale til printplader, fordi det er omkostningseffektivt og let tilgængeligt.
Dens elektriske ydeevne bliver dog mindre gunstig, efterhånden som frekvenserne og datahastighederne stiger.
Typiske egenskaber ved FR4 omfatter:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
For mange industri- og forbrugerprodukter er disse værdier helt acceptable.
Imidlertid gælder det for applikationer som f.eks.:
- 25G Ethernet
- 56G PAM4
- 112G-bagplader
- Højhastighedsserverplatforme
kræver ofte et lavere dielektrisk tab, end konventionelt FR4 kan tilbyde.
Læsere, der ikke er bekendt med FR4-materialer, kan læse mere her: FR4-printplademateriale forklaret for yderligere baggrundsinformation.
Egenskaber ved materialer med lavt tab
Laminater med lavt tab er udviklet til at forbedre signaloverførslen.
Fælles kendetegn omfatter:
Lavere spredningsfaktor
Den største fordel er det reducerede dielektriske tab.
Lavere Df-værdier er en fordel:
- Minimere dæmpningen
- Forbedring af øjediagrammer
- Forlæng ruteafstande
- Reducere kravene til udligning
Stabil dielektrisk konstant
Materialer med lavt tab opretholder ofte mere ensartede Dk-værdier over bredere frekvensområder.
Dette forbedrer:
- Impedans-kontrol
- Signaltiming
- Tilpasning af differentielle par
Forbedret højfrekvensydelse
Mange systemer med lavt tab er optimeret til frekvenser, hvor standard FR4 begynder at udvise betydelig dæmpning.
Bedre pålidelighed
Laminatsystemer i premiumklassen byder ofte også på forbedrede termiske og mekaniske egenskaber.
Typisk sammenligning af Df-værdier
Nedenstående tabel viser en sammenligning af de mest almindelige PCB-materialer.
| Materiale | Typisk Df |
|---|---|
| Standard FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 med højt TG | 0,012–0,020 |
| FR4 med lavt tab | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| PTFE-materialer | 0,0009–0,002 |
Jo lavere Df-værdien er, desto lavere er det dielektriske tab.
Ved valg af materialer bør man dog altid tage højde for de overordnede designkrav i stedet for at fokusere på en enkelt specifikation.
Almindelige typer af PCB-materialer med lavt tab
Forbedrede FR4-systemer
Mange leverandører af laminat tilbyder forbedrede FR4-formuleringer, der er udviklet til anvendelser med højere hastigheder.
Disse materialer indeholder:
- Bedre signalydelse
- Velkendte forarbejdningsegenskaber
- Lavere pris sammenlignet med RF-laminater i premium-klassen
De anvendes ofte i netværks- og serverprodukter.
Kulbrintebaserede keramiske materialer
Disse laminater kombinerer kulbrintebaserede harpikssystemer med keramiske fyldstoffer.
Fordelene omfatter:
- Mindre tab
- Stabile dielektriske egenskaber
- God fremstillingsmulighed
Flere populære RF-materialer anvender denne fremgangsmåde.
PTFE-baserede materialer
PTFE har nogle af de laveste dielektriske tab, der findes inden for fremstilling af printkort.
Applikationerne omfatter:
- Radarsystemer
- Satellitkommunikation
- RF-forstærkere
- Mikrobølgekredsløb
En artikel, der udelukkende handler om PTFE-materiale til printkort vil se nærmere på disse emner.
Digitale laminater med høj hastighed
Produkter som f.eks:
- Megtron-serien
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelco-materialer til højhastighedsbrug
er specielt udviklet til moderne digitale systemer.
Disse materialer udfylder hullet mellem konventionelle FR4-materialer og specialiserede RF-substrater.
Anvendelser, der drager fordel af materialer med lavt tab
Udstyr til datacentre
Moderne switche og routere fungerer med stadig højere datahastigheder.
Signaltab bliver en afgørende faktor i konstruktionen, efterhånden som kanallængderne øges.
Materialer med lavt tab bidrager til at opretholde signalkvaliteten i hele systemet.
Fremtidige artikler vil omfatte PCB-materialer til udstyr til datacentre.
AI-servere
AI-infrastruktur kræver højhastighedskommunikation mellem processorer, acceleratorer og hukommelsesenheder.
Laminater med lavt tab bidrager til:
- Høj båndbredde
- Reduceret ventetid
- Forbedret signalintegritet
Telekommunikationssystemer
Applikationerne omfatter:
- Optiske netværk
- 5G-infrastruktur
- Backhaul-udstyr
- Hardware til trådløs kommunikation
Højhastighedslagringssystemer
Lagringsplatforme til virksomheder er ofte afhængige af materialer med lavt tab for at understøtte højhastighedsgrænseflader og lange signalveje.
Overvejelser om omkostninger
En af grundene til, at standard FR4 fortsat er populært, er prisen.
Materialer med lavt tab øger generelt omkostningerne ved fremstilling af printkort på grund af:
- Højere priser på laminat
- Mere komplekse krav til lagopbygning
- Ekstra ingeniørarbejde
Ydelsesfordelene skal retfærdiggøre de ekstra omkostninger.
I mange tilfælde er det kun bestemte lag, der kræver materialer med lavt tab, hvilket giver designerne mulighed for at anvende hybridopbygninger, der skaber en balance mellem ydeevne og budget.
Materialer med lavt tab og design af lagopbygning
Valget af materialer kan ikke adskilles fra planlægningen af lagopbygningen.
Faktorer, der bør vurderes samlet, omfatter:
- Antal lag
- Kernetykkelse
- Valg af prepreg
- Ruhed i kobber
- Mål-impedans
Som beskrevet i PCB-kerne- og prepreg-materialer, har den dielektriske afstand direkte indflydelse på impedansen og signalets opførsel.
En veludformet opbygning bidrager ofte lige så meget til ydeevnen som selve materialet.
Valg af det rigtige materiale
Ved vurderingen af laminater med lavt tab bør ingeniører tage følgende i betragtning:
Datahastighed
Højere datahastigheder øger generelt betydningen af lavt dielektrisk tab.
Driftsfrekvens
RF- og mikrobølgedesign kræver ofte specialmaterialer.
Kanalens længde
Længere signalveje drager typisk større fordel af materialer med lavt tab.
Krav til fremstilling
Nogle materialer kræver særlige bore-, laminerings- eller håndteringsprocesser.
Budget
Valget af materialer bør være i overensstemmelse med produktets ydeevnemål og markedets forventninger.
Målet er ikke at vælge det materiale, der har det laveste tab, men det materiale, der er bedst egnet til den pågældende anvendelse.
OFTE STILLEDE SPØRGSMÅL
A: Et PCB-materiale med lavt tab er et laminat, der er udviklet til at reducere den dielektriske dæmpning og forbedre signalintegriteten ved høje frekvenser eller høje datahastigheder.
A: De bidrager til at minimere signalforringelsen, hvilket gør det muligt for signalerne at nå længere afstande med bedre kvalitet.
A: Ikke altid. Nogle materialer med lavt tab er udviklet til digitale systemer med høj hastighed snarere end til RF-anvendelser.
A: I nogle tilfælde, ja. Men meget høje datahastigheder kræver ofte materialer med lavere dielektrisk tab.
A: Inden for netværk, telekommunikation, AI-computing, datacentre, rumfart og avanceret industriel elektronik anvendes der ofte PCB-materialer med lavt tab.