Signaalinopeuksien kasvaessa perinteiset piirilevyjen materiaalit ovat saavuttamassa suorituskykynsä rajat. Vaikka tavallinen FR4-materiaali sopii edelleen moniin sovelluksiin, nykyaikaiset verkkolaitteet, tekoälylaskenta-alustat, nopeat tallennusjärjestelmät ja viestintäinfrastruktuuri vaativat usein materiaaleja, joissa signaalihäviö on pienempi.
Tässä vaiheessa vähähäviöiset piirilevymateriaalit nousevat tärkeään asemaan.
Vähähäviöiset laminaatit on suunniteltu vähentämään dielektristä vaimennusta, minkä ansiosta signaalit kulkevat pidempiä matkoja säilyttäen samalla signaalin eheyden. Niistä on tullut yleinen valinta sovelluksissa, joissa käytetään useiden gigabittien tiedonsiirtonopeuksia ja korkeita taajuuksia.
Sisällysluettelo
Mikä tekee piirilevymateriaalista vähähäviöisen?
Signaalin häviö piirilevyssä johtuu useista tekijöistä, kuten johtimen häviöstä, pinnan epätasaisuudesta, liittimien liitoskohdista ja dielektrisestä häviöstä.
Näistä tekijöistä dielektrinen häviö riippuu suoraan itse laminaattimateriaalista.
Materiaalia pidetään yleensä vähähäviöisenä, kun se täyttää seuraavat vaatimukset:
- Alhainen häviökerroin (Df)
- Vakaa dielektrisyysvakio (Dk)
- Tasainen sähköinen suorituskyky kaikilla taajuusalueilla
- Vähennetty lisäyshäviö
Kuten selitetään kohdassa PCB-materiaalien Dk- ja Df-arvot, häviökerroin on yksi tärkeimmistä indikaattoreista, joita käytetään signaalin häviöominaisuuksien arviointiin.
Miksi tavallisella FR4-levyllä on rajoituksia
FR4 on edelleen yleisimmin käytetty piirilevyjen materiaali, koska se on kustannustehokas ja helposti saatavilla.
Sen sähköiset suorituskykyominaisuudet heikkenevät kuitenkin taajuuksien ja datanopeuksien kasvaessa.
FR4:n tyypillisiä ominaisuuksia ovat muun muassa:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
Monien teollisuus- ja kulutustuotteiden osalta nämä arvot ovat täysin hyväksyttäviä.
Seuraavanlaiset sovellukset kuitenkin:
- 25G Ethernet
- 56G PAM4
- 112G-takalevyt
- Nopeat palvelinalustat
vaativat usein pienempää dielektristä häviötä kuin mitä perinteinen FR4-materiaali pystyy tarjoamaan.
Lukijat, joille FR4-materiaalit ovat uutta, voivat tutustua FR4-piirilevyjen materiaali selitettynä lisätietoja varten.
Vähähäviöisten materiaalien ominaisuudet
Vähähäviöiset laminaatit on suunniteltu parantamaan signaalinsiirron suorituskykyä.
Yleisiä piirteitä ovat muun muassa:
Pienempi häviökerroin
Merkittävin etu on pienentyneet dielektriset häviöt.
Pienemmät Df-arvot auttavat:
- Vähennä vaimennusta
- Silmäkaavioiden parantaminen
- Reittien pituuksien pidentäminen
- Tasausvaatimusten vähentäminen
Vakaa dielektrisyysvakio
Vähähäviöisillä materiaaleilla Dk-arvot pysyvät usein tasaisempina laajemmilla taajuusalueilla.
Tämä parantaa:
- Impedanssin säätö
- Signaalien ajoitus
- Differentiaaliparien sovitus
Parannettu korkeataajuuksien suorituskyky
Monet vähähäviöiset järjestelmät on optimoitu taajuuksille, joilla tavallisessa FR4-materiaalissa alkaa ilmetä merkittävää vaimennusta.
Parempi luotettavuus
Huippuluokan laminaattijärjestelmät tarjoavat usein myös parempia lämpö- ja mekaanisia ominaisuuksia.
Tyypillinen Df-vertailu
Seuraavassa taulukossa esitetään yleisimpien piirilevyjen materiaalien vertailu.
| Materiaali | Tyypillinen Df |
|---|---|
| Standardi FR4 | 0.015-0.025 |
| Korkean lasittumislämpötilan FR4 | 0,012–0,020 |
| Vähähäviöinen FR4 | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| PTFE-materiaalit | 0,0009–0,002 |
Mitä pienempi Df-arvo on, sitä pienempi on dielektrinen häviö.
Materiaalivalinnassa tulisi kuitenkin aina ottaa huomioon suunnittelun kokonaisvaatimukset sen sijaan, että keskityttäisiin vain yhteen yksittäiseen ominaisuuteen.
Yleisiä vähähäviöisiä piirilevyjen materiaaleja
Parannetut FR4-järjestelmät
Monet laminaattitoimittajat tarjoavat parannettuja FR4-koostumuksia, jotka on suunniteltu suuremmilla nopeuksilla toimiviin sovelluksiin.
Näistä materiaaleista löytyy:
- Parempi signaalin suorituskyky
- Tuttuja käsittelyominaisuuksia
- Edullisempi hinta verrattuna korkealaatuisiin RF-laminaatteihin
Niitä käytetään usein verkko- ja palvelintuotteissa.
Hiilivetypohjaiset keraamiset materiaalit
Näissä laminaateissa yhdistyvät hiilivetypohjaiset hartsijärjestelmät ja keraamiset täyteaineet.
Etuihin kuuluvat:
- Pienempi tappio
- Vakaat dielektriset ominaisuudet
- Hyvä valmistettavuus
Useissa suosituissa RF-materiaaleissa hyödynnetään tätä menetelmää.
PTFE-pohjaiset materiaalit
PTFE tarjoaa piirilevyjen valmistuksessa markkinoiden alhaisimpia dielektrisiä häviöitä.
Sovelluksia ovat mm:
- Tutkajärjestelmät
- Satelliittiviestintä
- RF-vahvistimet
- Mikroaaltopiirit
Aiheesta kirjoitettu artikkeli PTFE-piirilevymateriaali tarkastellaan näitä aineistoja tarkemmin.
Nopeat digitaaliset laminaatit
Tuotteet, kuten:
- Megtron-sarja
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelcon suurinopeuksiset materiaalit
on suunniteltu nimenomaan nykyaikaisille digitaalisille järjestelmille.
Nämä materiaalit täyttävät aukon perinteisen FR4:n ja erikoistuneiden RF-substraattien välillä.
Sovellukset, joissa hyödynnetään vähähäviöisiä materiaaleja
Tietokeskuksen laitteet
Nykyaikaiset kytkimet ja reitittimet toimivat yhä suuremmilla tiedonsiirtonopeuksilla.
Signaalin häviäminen nousee kriittiseksi suunnittelutekijäksi kanavan pituuden kasvaessa.
Vähähäviöiset materiaalit auttavat säilyttämään signaalin laadun koko järjestelmässä.
Tulevissa artikkeleissa käsitellään muun muassa Tietokeskuslaitteiden piirilevyjen materiaalit.
AI-palvelimet
Tekoälyinfrastruktuuri edellyttää nopeaa tiedonsiirtoa prosessoreiden, kiihdyttimien ja muistilaitteiden välillä.
Vähähäviöiset laminaatit edistävät seuraavia asioita:
- Suuri kaistanleveys
- Pienempi viive
- Parannettu signaalin eheysN/OFF)
Televiestintäjärjestelmät
Sovelluksia ovat mm:
- Optiset verkot
- 5G-infrastruktuuri
- Backhaul-laitteet
- Langattoman viestinnän laitteistot
Nopeat tallennusjärjestelmät
Yrityskäyttöön tarkoitetut tallennusalustat perustuvat usein vähähäviöisiin materiaaleihin, jotta ne pystyvät tukemaan nopeita liitäntöjä ja pitkiä signaalireittejä.
Kustannusnäkökohdat
Yksi syy, miksi tavallinen FR4 on edelleen suosittu, on hinta.
Vähähäviöiset materiaalit lisäävät yleensä piirilevyjen valmistuskustannuksia seuraavista syistä:
- Laminaattien korkeammat hinnat
- Monimutkaisemmat kerrostusvaatimukset
- Lisätyö insinöörien osalta
Suorituskykyedut on perusteltava lisäkustannuksilla.
Monissa tapauksissa vain tietyt kerrokset vaativat vähähäviöisiä materiaaleja, minkä ansiosta suunnittelijat voivat käyttää hybridirakenteita, joissa suorituskyky ja budjetti ovat tasapainossa.
Vähähäviöiset materiaalit ja kerrostussuunnittelu
Materiaalivalintaa ei voida erottaa kerrostussuunnittelusta.
Yhdessä arvioitavia tekijöitä ovat muun muassa:
- Kerrosten lukumäärä
- Ytimen paksuus
- Prepreg-valinta
- Kuparin karheus
- Kohdeimpedanssi
Kuten on käsitelty PCB-ydin- ja prepreg-materiaalit, dielektrinen etäisyys vaikuttaa suoraan impedanssiin ja signaalin käyttäytymiseen.
Hyvin suunniteltu kerrostusrakenne vaikuttaa suorituskykyyn usein yhtä paljon kuin materiaali itsessään.
Oikean materiaalin valinta
Arvioidessaan vähähäviöisiä laminaatteja insinöörien tulisi ottaa huomioon seuraavat seikat:
Tiedonsiirtonopeus
Suuremmat tiedonsiirtonopeudet lisäävät yleensä dielektrisen häviön pienuuden merkitystä.
Toimintataajuus
Radio- ja mikroaaltosuunnittelu vaatii usein erikoismateriaaleja.
Kanavan pituus
Pidemmät signaalireitit hyötyvät yleensä enemmän vähähäviöisistä materiaaleista.
Tuotantovaatimukset
Jotkin materiaalit vaativat erityisiä poraus-, laminointi- tai käsittelymenetelmiä.
Talousarvio
Materiaalivalinnan tulisi olla linjassa tuotteen suorituskykytavoitteiden ja markkinoiden odotusten kanssa.
Tavoitteena ei ole valita saatavilla olevaa materiaalia, jolla on pienimmät häviöt, vaan kyseiseen käyttötarkoitukseen parhaiten sopivaa materiaalia.
FAQ
A: Vähähäviöinen piirilevymateriaali on laminaatti, joka on suunniteltu vähentämään dielektristä vaimennusta ja parantamaan signaalin eheyttä korkeilla taajuuksilla tai suurilla tiedonsiirtonopeuksilla.
A: Ne auttavat minimoimaan signaalin heikkenemistä, jolloin signaalit kulkevat pidempiä matkoja paremmalla laadulla.
A: Ei aina. Jotkut vähähäviöiset materiaalit on suunniteltu pikemminkin suurinopeuksisille digitaalisille järjestelmille kuin RF-sovelluksille.
V: Joissakin tapauksissa kyllä. Erittäin suuret tiedonsiirtonopeudet edellyttävät kuitenkin usein materiaaleja, joiden dielektrinen häviö on pienempi.
A: Verkko-, tietoliikenne-, tekoälylaskenta-, datakeskus-, ilmailu- ja avaruusteollisuus sekä edistyksellinen teollisuuselektroniikka hyödyntävät usein vähähäviöisiä piirilevymateriaaleja.