De materiaalkeuze wordt steeds belangrijker naarmate de werkfrequenties de grenzen van conventionele printplaatontwerpen overschrijden. In RF-, microgolf-, millimetergolf- en hogesnelheidscommunicatiesystemen kunnen de elektrische eigenschappen van het laminaat een directe invloed hebben op signaalverlies, impedantiestabiliteit, invoegverlies en de algehele systeemprestaties.
Hoewel standaard FR4 voor veel elektronische producten nog steeds geschikt is, vereisen hoogfrequente schakelingen vaak materialen die speciaal zijn ontwikkeld om consistente elektrische eigenschappen te behouden over bredere frequentiebereiken.
Door al vroeg in de ontwerpfase het juiste materiaal te kiezen, kunnen problemen met de signaalintegriteit, herontwerpkosten en productieproblemen in een later stadium van het project worden voorkomen.
Inhoudsopgave
Waarom de materiaalkeuze bij hoge frequenties van belang is
Bij lagere frequenties worden de prestaties van printplaten voornamelijk beïnvloed door de schakelingopbouw en de keuze van de componenten.
Naarmate de frequentie toeneemt, worden de materiaaleigenschappen steeds belangrijker.
Er zijn verschillende factoren die aan deze verschuiving bijdragen:
- Verhoogd diëlektrisch verlies
- Groter invoegverlies
- Grotere gevoeligheid voor impedantieveranderingen
- Strengere eisen op het gebied van signaalintegriteit
Materialen die goed presteren in digitale toepassingen met lage snelheden, leveren mogelijk geen aanvaardbare resultaten op in RF- of hogesnelheidscommunicatiesystemen.
Dit is een van de redenen waarom de materiaalkeuze een cruciaal onderdeel is geworden van de moderne printplaatontwikkeling.
De belangrijkste materiaaleigenschappen
Diëlektrische constante (Dk)
Dk beïnvloedt de signaalsnelheid en de impedantie.
Een stabiele diëlektrische constante draagt bij aan het behoud van voorspelbare elektrische prestaties bij verschillende frequenties.
Zoals uitgelegd in Dk- en Df-waarden in PCB-materialen, zelfs kleine variaties in Dk kunnen van invloed zijn op impedantiegestuurde structuren.
Dissipatiefactor (Df)
Df bepaalt hoeveel signaalenergie er binnen het diëlektrische materiaal verloren gaat.
Lagere Df-waarden leiden over het algemeen tot:
- Verminderd toevoegingsverlies
- Verbeterde signaalkwaliteit
- Grotere transmissieafstanden
Bij veel ontwerpen voor hoge frequenties is Df een van de belangrijkste materiaalparameters.
Thermische stabiliteit
Communicatieapparatuur werkt vaak continu in veeleisende omgevingen.
Thermische stabiliteit draagt bij aan:
- Constante elektrische prestaties
- Verminderde mechanische belasting
- Verbeterde betrouwbaarheid op lange termijn
Vochtbestendigheid
Vochtopname kan de diëlektrische eigenschappen veranderen en de RF-prestaties beïnvloeden.
Materialen die zijn ontworpen voor hoogfrequente toepassingen vertonen doorgaans een lage vochtopname.
Kan FR4 worden gebruikt voor PCB's voor hoge frequenties?
Het antwoord hangt af van de bedrijfsfrequentie en de prestatie-eisen.
Standaard FR4 presteert goed bij:
- Consumentenelektronica ~4,3-4,8)
- Producten voor industriële besturing
- Algemene communicatieapparatuur
Veel ontwerpen die op een frequentie van minder dan enkele gigahertz werken, kunnen zonder noemenswaardige problemen gebruikmaken van FR4.
Voor een uitgebreide bespreking van de prestaties van conventioneel laminaat, zie Uitleg over FR4-printplaatmateriaal.
Naarmate de frequenties echter toenemen, vormt het relatief hoge diëlektrische verlies van FR4 een beperking.
Ingenieurs schakelen vaak over op materialen met een lage verliesfactor of op RF-specifieke materialen wanneer:
- Het signaalverlies wordt buitensporig groot
- De lengte van de kanalen neemt toe
- De prestatie-eisen op het gebied van RF worden strenger
FR4 met hoge TG-waarde in communicatieapparatuur
Materialen met een hoge TG-waarde worden vaak gekozen voor communicatieproducten vanwege hun thermische betrouwbaarheid.
De voordelen zijn onder andere:
- Betere maatvastheid
- Verbeterde weerstand tegen thermische cycli
- Verbeterde betrouwbaarheid van het productieproces
FR4 met een hoge TG-waarde mag echter niet automatisch als een hoogfrequent materiaal worden beschouwd.
Het belangrijkste voordeel is de thermische prestatie, en niet zozeer een aanzienlijk lager signaalverlies.
Meer informatie vindt u in FR4-printplaat met hoge TG-waarde.
Materialen met lage signaalverliezen voor digitale ontwerpen met hoge snelheid
Veel moderne netwerk- en computerproducten maken gebruik van laminaatsystemen met een lage signaalverlies in plaats van traditionele RF-materialen.
Typische toepassingen zijn onder andere:
- Switches voor datacenters
- AI-servers
- Snelle opslagsystemen
- Telecommunicatie-infrastructuur
Deze materialen bieden:
- Lagere Df-waarden
- Betere signaalintegriteit
- Verbeterde kanaalprestaties
In vergelijking met RF-laminaten bieden ze vaak een praktischer evenwicht tussen prestaties en kosten.
Lezers die geïnteresseerd zijn in deze categorie kunnen terecht bij Uitleg over PCB-materialen met lage signaalverliezen.
Rogers Materialen
Rogers-laminaten behoren tot de meest bekende materialen die worden gebruikt bij de productie van RF- en microgolf-printplaten.
Veelvoorkomende productfamilies zijn onder meer:
- Rogers 4350B
- Rogers 4003C
- Rogers 5880
De voordelen zijn onder andere:
- Stabiele Dk-waarden
- Laag diëlektrisch verlies
- Uitstekende prestaties bij hoge frequenties
- Goede processtabiliteit
Toepassingen zijn onder andere:
- Radarsystemen
- RF-versterkers
- Antennecircuits
- Satellietcommunicatieapparatuur
In toekomstige artikelen zullen we specifieke werken van Rogers nader onder de loep nemen.
Materialen op basis van PTFE
PTFE blijft een van de diëlektrische systemen met de laagste verliezen die beschikbaar zijn voor de productie van printplaten.
Kenmerken zijn onder meer:
- Zeer lage Df-waarde
- Uitstekende RF-prestaties
- Stabiel elektrisch gedrag
PTFE-materialen komen vaak voor in:
- Microgolfsystemen
- Ruimtevaart elektronica
- Militaire communicatieapparatuur
- Hoogfrequente testapparatuur
Hoewel de prestaties uitstekend zijn, vereisen PTFE-materialen doorgaans een meer gespecialiseerde verwerking in vergelijking met laminaten op basis van FR4.
Megtron en High-Speed Digital Materials
Door de opmars van cloud computing en AI-infrastructuur is de vraag naar geavanceerde hogesnelheidslaminaten toegenomen.
Materialen zoals:
- Megtron 6
- Megtron 7
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelco-snelheidssystemen
komen steeds vaker voor in:
- Hardware voor datacenters
- AI-servers
- Netwerkplatforms
- Krachtige computersystemen
Deze materialen zijn geoptimaliseerd voor digitale signaalintegriteit en niet zozeer voor puur RF-toepassingen.
Materiaalkeuze op basis van toepassing
Verschillende toepassingen vereisen vaak verschillende materiaalstrategieën.
Consumentenelektronica
Typisch materiaal:
- Standaard FR4
Belangrijkste overweging:
- Kostenefficiëntie
Industriële besturingssystemen
Typisch materiaal:
- FR4
- FR4 met hoge TG
Belangrijkste overweging:
- Betrouwbaarheid
Snelle netwerken
Typisch materiaal:
- Laminaat met lage verliescoëfficiënt
- Megtron
- Isola-materialen voor hoge snelheden
Belangrijkste overweging:
- Signaalintegriteit
RF- en microgolfsystemen
Typisch materiaal:
- Rogers
- PTFE
- Taconic
Belangrijkste overweging:
- Laag diëlektrisch verlies
Ruimtevaart en defensie
Typisch materiaal:
- PTFE
- Geavanceerde RF-laminaten
- Hybride materiaalopbouw
Belangrijkste overweging:
- Prestaties onder zware bedrijfsomstandigheden
Hybride materiaalopbouwen
Niet elk ontwerp vereist één enkel laminaatsysteem voor de gehele printplaat.
Veel geavanceerde producten maken gebruik van hybride opbouwconstructies waarin het volgende wordt gecombineerd:
- FR4
- Materialen met een lage verliesfactor
- Rogers laminaat
Voordelen zijn onder andere:
- Lagere materiaalkosten
- Verbeterde produceerbaarheid
- Geoptimaliseerde elektrische prestaties
Hybride constructies komen vooral veel voor in RF-producten die zowel digitale als microgolfschakelingen bevatten.
Veelgemaakte fouten bij de materiaalkeuze
Alleen aandacht voor Dk
Dk is belangrijk, maar er moet ook rekening worden gehouden met Df, thermische prestaties en produceerbaarheid.
Het materiaal met de laagste verlieswaarde kiezen
Het duurste materiaal biedt niet automatisch de beste totaaloplossing.
Het negeren van productie-eisen
Voor bepaalde materialen zijn gespecialiseerde boor-, lamineer- en verwerkingsprocessen nodig.
Te gedetailleerde specificaties van materialen
Bij veel ontwerpen kunnen de beoogde doelen worden bereikt met behulp van laminaten met een lage signaalverliesfactor, zonder dat daarvoor hoogwaardige RF-substraten nodig zijn.
FAQ
A: Welk materiaal het meest geschikt is, hangt af van de toepassing. Rogers, PTFE en laminaten met een lage demping behoren tot de meest gebruikte opties.
A: Ja, voor bepaalde RF-toepassingen met lagere frequenties. Voor hogere frequenties zijn vaak materialen nodig met een lager diëlektrisch verlies.
A: Df heeft een directe invloed op het invoegverlies en de signaalverzwakking, waardoor het van cruciaal belang is voor RF- en hogesnelheidscircuits.
A: Veel 5G-producten maken gebruik van Rogers, PTFE of geavanceerde laminaten met een lage signaalverlies, afhankelijk van de bedrijfsfrequentie en de prestatie-eisen.
A: Niet altijd. De materiaalkeuze moet worden gebaseerd op de gegevenssnelheid, de kanaallengte, de eisen op het gebied van signaalintegriteit en de totale projectkosten.