Naarmate de signaalsnelheden blijven toenemen, bereiken traditionele printplaatmaterialen hun prestatielimieten. Hoewel standaard FR4 voor veel toepassingen nog steeds geschikt is, vereisen moderne netwerkapparatuur, AI-computerplatforms, hogesnelheidsopslagsystemen en communicatie-infrastructuur vaak materialen met een lager signaalverlies.
Hier komen printplaatmaterialen met een lage signaalverliesfactor om de hoek kijken.
Laminaat met lage signaalverliezen is ontworpen om diëlektrische demping te verminderen, waardoor signalen over grotere afstanden kunnen worden overgebracht zonder aan kwaliteit in te boeten. Dit materiaal is een veelgebruikte keuze geworden in toepassingen die werken met datasnelheden van meerdere gigabits en hoge frequenties.
Inhoudsopgave
Wat zorgt ervoor dat een PCB-materiaal weinig verlies vertoont?
Signaalverlies in een printplaat kan verschillende oorzaken hebben, waaronder geleidingsverlies, oppervlakteruwheid, overgangen bij connectoren en diëlektrisch verlies.
Van deze factoren wordt het diëlektrische verlies rechtstreeks beïnvloed door het laminaatmateriaal zelf.
Een materiaal wordt over het algemeen als verliesarm beschouwd wanneer het het volgende biedt:
- Lage dissipatiefactor (Df)
- Stabiele diëlektrische constante (Dk)
- Constante elektrische prestaties over alle frequentiebereiken heen
- Verminderd toevoegingsverlies
Zoals uitgelegd in Dk- en Df-waarden in PCB-materialen, de dissipatiefactor is een van de belangrijkste indicatoren die worden gebruikt om het signaalverlies te beoordelen.
Waarom standaard FR4 beperkingen heeft
FR4 blijft het meest gebruikte materiaal voor printplaten, omdat het kosteneffectief en ruimschoots verkrijgbaar is.
De elektrische prestaties worden echter minder gunstig naarmate de frequenties en datasnelheden toenemen.
Typische eigenschappen van FR4 zijn onder meer:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
Voor veel industriële en consumentenproducten zijn deze waarden volkomen aanvaardbaar.
Toepassingen zoals:
- 25G Ethernet
- 56G PAM4
- 112G-backplanes
- Snelle serverplatforms
vereisen vaak een lager diëlektrisch verlies dan bij conventioneel FR4 mogelijk is.
Lezers die nog niet bekend zijn met FR4-materialen kunnen terecht bij Uitleg over FR4-printplaatmateriaal voor meer achtergrondinformatie.
Kenmerken van materialen met een lage verliesfactor
Laminaat met lage signaalverliezen is speciaal ontworpen om de signaaloverdracht te verbeteren.
Veelvoorkomende kenmerken zijn onder meer:
Lagere dissipatiefactor
Het belangrijkste voordeel is een lager diëlektrisch verlies.
Lagere Df-waarden helpen:
- Demping minimaliseren
- Oogdiagrammen verbeteren
- Routeafstanden vergroten
- De vereisten inzake egalisatie verminderen
Stabiele diëlektrische constante
Materialen met een lage verliesfactor vertonen vaak consistentere Dk-waarden over bredere frequentiebereiken.
Dit leidt tot verbetering van:
- Impedantieregeling
- Signaaltiming
- Afstemming van differentiële paren
Verbeterde prestaties bij hoge frequenties
Veel systemen met een lage signaalverlies zijn geoptimaliseerd voor frequenties waarbij standaard FR4 aanzienlijke signaalverzwakking begint te vertonen.
Grotere betrouwbaarheid
Hoogwaardige laminaatsystemen bieden vaak ook betere thermische en mechanische eigenschappen.
Typische Df-vergelijking
In de onderstaande tabel wordt een vergelijking gegeven van veelgebruikte printplaatmaterialen.
| Materiaal | Typische Df |
|---|---|
| Standaard FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 met hoge TG | 0,012–0,020 |
| FR4 met lage signaalverliezen | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| PTFE-materialen | 0,0009–0,002 |
Hoe lager de Df-waarde, hoe kleiner het diëlektrische verlies.
Bij de materiaalkeuze moet echter altijd rekening worden gehouden met de algemene ontwerpvereisten, in plaats van de aandacht te richten op één enkele specificatie.
Veelvoorkomende soorten PCB-materialen met een lage signaalverlies
Verbeterde FR4-systemen
Veel leveranciers van laminaat bieden verbeterde FR4-formules aan die zijn ontworpen voor toepassingen met hogere snelheden.
Deze materialen bieden:
- Betere signaalprestaties
- Bekende verwerkingskenmerken
- Lagere kosten in vergelijking met hoogwaardige RF-laminaten
Ze worden vaak gebruikt in netwerk- en serverproducten.
Koolwaterstofhoudende keramische materialen
Deze laminaten bestaan uit een combinatie van koolwaterstofharssystemen en keramische vulstoffen.
Voordelen zijn onder andere:
- Minder verlies
- Stabiele diëlektrische eigenschappen
- Goede maakbaarheid
Bij verschillende populaire RF-materialen wordt deze aanpak toegepast.
Materialen op basis van PTFE
PTFE biedt een van de laagste diëlektrische verliezen die bij de productie van printplaten beschikbaar zijn.
Toepassingen zijn onder andere:
- Radarsystemen
- Satellietcommunicatie
- RF-versterkers
- Microgolfschakelingen
Een apart artikel over PTFE-materiaal voor printplaten zal deze onderwerpen nader onderzoeken.
Digitale laminaten voor hoge snelheden
Producten zoals:
- Megtron-serie
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelco-materialen voor hoge snelheden
zijn speciaal ontworpen voor moderne digitale systemen.
Deze materialen overbruggen de kloof tussen conventioneel FR4 en gespecialiseerde RF-substraten.
Toepassingen die baat hebben bij materialen met een lage verliesfactor
Apparatuur voor datacenters
Moderne switches en routers werken met steeds hogere gegevenssnelheden.
Naarmate de kanaallengtes toenemen, wordt signaalverlies een cruciale ontwerpfactor.
Materialen met een lage signaalverliesgraad dragen bij aan het behoud van de signaalkwaliteit in het hele systeem.
In toekomstige artikelen zal onder meer het volgende aan bod komen: PCB-materialen voor datacenterapparatuur.
AI-servers
AI-infrastructuur vereist snelle communicatie tussen processors, versnellers en geheugenapparaten.
Laminaat met lage verliezen draagt bij aan:
- Hoge bandbreedte
- Lagere latentie
- Verbeterde signaalintegriteit
Telecommunicatiesystemen
Toepassingen zijn onder andere:
- Optische netwerken
- 5G-infrastructuur
- Backhaul-apparatuur
- Hardware voor draadloze communicatie
Snelle opslagsystemen
Opslagplatforms voor bedrijven maken vaak gebruik van materialen met een lage signaalverliesfactor om interfaces met hoge snelheden en lange signaalpaden te ondersteunen.
Kostenoverwegingen
Een van de redenen waarom standaard FR4 nog steeds populair is, zijn de kosten.
Materialen met een lage signaalverlies verhogen doorgaans de productiekosten van printplaten vanwege:
- Hogere prijzen voor laminaat
- Complexere eisen aan de opbouw
- Extra technische inspanningen
De prestatievoordelen moeten de extra kosten rechtvaardigen.
In veel gevallen zijn alleen voor bepaalde lagen materialen met een lage signaalverliesfactor nodig, waardoor ontwerpers hybride opbouw kunnen gebruiken die een evenwicht bieden tussen prestaties en budget.
Materialen met lage verliezen en ontwerp van de laagopbouw
De materiaalkeuze is onlosmakelijk verbonden met de planning van de laagopbouw.
Factoren die in onderlinge samenhang moeten worden beoordeeld, zijn onder meer:
- Aantal lagen
- Kern dikte
- Keuze van prepregs
- Ruwheid koper
- Doelimpedantie
Zoals besproken in PCB-kern- en prepreg-materialen, de diëlektrische afstand heeft een directe invloed op de impedantie en het signaalgedrag.
Een goed ontworpen opbouw draagt vaak net zo veel bij aan de prestaties als het materiaal zelf.
Het juiste materiaal kiezen
Bij het beoordelen van laminaten met een lage verliesfactor moeten ingenieurs rekening houden met:
Gegevenssnelheid
Hogere gegevenssnelheden maken een laag diëlektrisch verlies over het algemeen belangrijker.
Bedrijfsfrequentie
Voor RF- en microgolfontwerpen zijn vaak gespecialiseerde materialen nodig.
Kanaallengte
Langere signaalpaden hebben doorgaans meer baat bij materialen met een laag verlies.
Productievereisten
Voor sommige materialen zijn speciale boor-, lamineer- of verwerkingsprocessen nodig.
Begroting
De materiaalkeuze moet aansluiten bij de prestatiedoelstellingen van het product en de verwachtingen van de markt.
Het doel is niet om het materiaal met de laagste verliezen te kiezen, maar het materiaal dat het meest geschikt is voor de toepassing.
FAQ
A: Een PCB-materiaal met lage signaalverliezen is een laminaat dat is ontworpen om diëlektrische demping te verminderen en de signaalintegriteit bij hoge frequenties of hoge gegevenssnelheden te verbeteren.
A: Ze helpen signaalverlies tot een minimum te beperken, waardoor signalen over langere afstanden met een betere kwaliteit kunnen worden overgebracht.
A: Niet altijd. Sommige materialen met een lage signaalverlies zijn ontworpen voor digitale systemen met hoge snelheden en niet voor RF-toepassingen.
A: In sommige gevallen wel. Voor zeer hoge gegevenssnelheden zijn echter vaak materialen nodig met een lager diëlektrisch verlies.
A: In sectoren als netwerken, telecommunicatie, AI-computing, datacenters, lucht- en ruimtevaart en geavanceerde industriële elektronica wordt vaak gebruikgemaakt van PCB-materialen met een lage signaalverlies.