Выбор материала приобретает всё большее значение по мере того, как рабочие частоты выходят за пределы возможностей традиционных конструкций печатных плат. В системах радиочастотного, микроволнового и миллиметрового диапазонов, а также в системах высокоскоростной связи электрические свойства ламината могут напрямую влиять на потери сигнала, стабильность импеданса, вносимые потери и общие характеристики системы.
Хотя стандартный FR4 по-прежнему подходит для многих электронных изделий, в высокочастотных схемах зачастую требуются материалы, специально разработанные для обеспечения стабильных электрических характеристик в более широких диапазонах частот.
Выбор подходящего материала на ранних этапах проектирования поможет избежать проблем с целостностью сигнала, затрат на доработку проекта и сложностей при производстве на более поздних этапах реализации проекта.
Ii. Содержание
Почему выбор материала имеет значение при высоких частотах
На низких частотах на характеристики печатной платы в первую очередь влияют компоновка схемы и выбор компонентов.
С ростом частоты свойства материала приобретают всё большее значение.
Этому сдвигу способствуют несколько факторов:
- Увеличение диэлектрических потерь
- Более высокие вносимые потери
- Повышенная чувствительность к изменениям импеданса
- Более строгие требования к целостности сигнала
Материалы, которые хорошо себя зарекомендовали в низкоскоростных цифровых приложениях, могут не обеспечить приемлемых результатов в системах радиочастотной связи или высокоскоростных системах связи.
Это одна из причин, по которой выбор материалов стал важнейшей частью современного проектирования печатных плат.
Наиболее важные свойства материала
Диэлектрическая постоянная (Dk)
Dk влияет на скорость распространения сигнала и импеданс.
Стабильная диэлектрическая проницаемость способствует поддержанию предсказуемых электрических характеристик в диапазоне различных частот.
Как объясняется в Значения Dk и Df в материалах печатных плат, даже небольшие изменения значения Dk могут повлиять на конструкции с импедансным управлением.
Коэффициент рассеивания (Df)
Коэффициент Df определяет, какая часть энергии сигнала теряется внутри диэлектрического материала.
Более низкие значения Df, как правило, приводят к:
- Снижение вносимых потерь
- Улучшенное качество сигнала
- Более длинные расстояния передачи сигнала
Для многих конструкций, работающих на высоких частотах, Df становится одним из важнейших параметров материала.
Термическая стабильность
Связное оборудование часто работает в режиме непрерывной эксплуатации в сложных условиях.
Термическая стабильность способствует обеспечению:
- Стабильные электрические характеристики
- Снижение механической нагрузки
- Повышенная долгосрочная надежность
Стойкость к воздействию влаги
Поглощение влаги может изменить диэлектрические свойства и повлиять на характеристики в радиочастотном диапазоне.
Материалы, предназначенные для использования в условиях высоких частот, как правило, отличаются низким уровнем поглощения влаги.
Можно ли использовать FR4 для Высокочастотные печатные платы?
Ответ зависит от рабочей частоты и требований к производительности.
Стандартный FR4 демонстрирует хорошие характеристики в следующих областях:
- Потребительская электроника
- Продукция для промышленного управления
- Общее коммуникационное оборудование
Во многих схемах, работающих на частотах ниже нескольких гигагерц, материал FR4 можно успешно использовать без каких-либо существенных проблем.
Подробное описание характеристик традиционного ламината см. в Обзор материала FR4 для печатных плат.
Однако с увеличением частоты относительно высокие диэлектрические потери материала FR4 становятся ограничивающим фактором.
Инженеры часто переходят на материалы с низкими потерями или материалы, специально предназначенные для работы в радиочастотном диапазоне, в следующих случаях:
- Потеря сигнала становится чрезмерной
- Длина каналов увеличивается
- Требования к радиочастотным характеристикам становятся более строгими
FR4 с высоким значением TG в коммуникационном оборудовании
Материалы с высоким значением TG часто используются в производстве средств связи благодаря своей термической надежности.
Преимущества включают:
- Повышенная стабильность размеров
- Повышенная устойчивость к термоциклированию
- Повышение надежности производства
Однако FR4 с высоким содержанием ТГ не следует автоматически считать высокочастотным материалом.
Его основным преимуществом являются тепловые характеристики, а не значительно меньшие потери сигнала.
Дополнительную информацию можно найти в Печатная плата из FR4 с высоким значением TG.
Материалы с низкими потерями для высокоскоростных цифровых схем
Во многих современных сетевых и вычислительных устройствах вместо традиционных радиочастотных материалов используются ламинированные системы с низкими потерями.
Типичные области применения включают:
- Коммутаторы для центров обработки данных
- Серверы искусственного интеллекта
- Высокоскоростные системы хранения данных
- Телекоммуникационная инфраструктура
Эти материалы позволяют:
- Более низкие значения Df
- Улучшенная целостность сигнала
- Повышение производительности канала
По сравнению с RF-ламинатами они зачастую обеспечивают более оптимальный баланс между эксплуатационными характеристиками и стоимостью.
Читатели, интересующиеся этой категорией, могут ознакомиться с Объяснение принципов работы материалов для печатных плат с низкими потерями.
Материалы Роджерса
Ламинаты Rogers входят в число наиболее широко признанных материалов, используемых при изготовлении печатных плат для радиочастотного и микроволнового диапазонов.
К числу распространенных семейств продуктов относятся:
- Rogers 4350B
- Rogers 4003C
- Rogers 5880
Преимущества включают:
- Стабильные значения Dk
- Низкие диэлектрические потери
- Отличные высокочастотные характеристики
- Хорошая стабильность процесса
Приложения включают:
- Радиолокационные системы
- РЧ-усилители
- Антенные цепи
- Оборудование спутниковой связи
В будущих статьях мы более подробно рассмотрим конкретные материалы Роджерса.
Материалы на основе ПТФЭ
ПТФЭ по-прежнему остается одной из диэлектрических систем с наименьшими потерями, используемых при производстве печатных плат.
К характеристикам относятся:
- Чрезвычайно низкое значение Df
- Отличные радиочастотные характеристики
- Стабильные электрические характеристики
Материалы из ПТФЭ широко используются в следующих областях:
- Микроволновые системы
- Аэрокосмическая электроника
- Военное оборудование связи
- Высокочастотное испытательное оборудование
Несмотря на превосходные эксплуатационные характеристики, материалы на основе ПТФЭ, как правило, требуют более специализированной обработки по сравнению с ламинатами на основе FR4.
Megtron и материалы для высокоскоростных цифровых технологий
Развитие облачных вычислений и инфраструктуры искусственного интеллекта привело к росту спроса на современные высокоскоростные ламинаты.
Такие материалы, как:
- Мегтрон 6
- Megtron 7
- Isola I-Speed
- Тахион
- Высокоскоростные системы Nelco
становятся всё более распространёнными в:
- Оборудование для центров обработки данных
- Серверы искусственного интеллекта
- Сетевые платформы
- Высокопроизводительные вычислительные системы
Эти материалы оптимизированы для обеспечения целостности цифрового сигнала, а не для чисто радиочастотных применений.
Выбор материала в зависимости от области применения
Различные области применения часто требуют разных подходов к выбору материалов.
Потребительская электроника
Типичный материал:
- Стандартный FR4
Основной фактор:
- Экономическая эффективность
Промышленные системы управления
Типичный материал:
- Пт4 (фр.)
- FR4 с высоким значением ТГ
Основной фактор:
- Надежность и надежность
Высокоскоростные сети
Типичный материал:
- Ламинаты с низкими потерями
- Megtron
- Высокоскоростные материалы Isola
Основной фактор:
- Целостность сигнала
Системы радиочастотного и микроволнового диапазонов
Типичный материал:
- Роджерс
- PTFE
- Таконик
Основной фактор:
- Низкие диэлектрические потери
Аэрокосмическая и оборонная промышленность
Типичный материал:
- PTFE
- Современные радиочастотные ламинаты
- Композиции гибридных материалов
Основной фактор:
- Рабочие характеристики в сложных условиях эксплуатации
Композиции гибридных материалов
Не каждый проект требует использования единой системы ламинирования на всей площади печатной платы.
Во многих передовых продуктах используются гибридные конструкции, сочетающие в себе:
- Пт4 (фр.)
- Материалы с низкими потерями
- Ламинат Rogers
Преимущества включают:
- Снижение затрат на материалы
- Улучшенная технологичность
- Оптимизированные электрические характеристики
Гибридные конструкции особенно широко распространены в радиочастотных устройствах, содержащих как цифровые, так и микроволновые схемы.
Распространенные ошибки при выборе материалов
Сосредоточившись исключительно на Dk
Dk имеет большое значение, но необходимо также учитывать Df, тепловые характеристики и технологичность изготовления.
Выбор материала с наименьшими потерями из имеющихся
Самый дорогой материал не всегда является лучшим решением в целом.
Несоблюдение производственных требований
Некоторые материалы требуют применения специальных технологий сверления, ламинирования и обработки.
Чрезмерная детализация характеристик материалов
Во многих конструкциях можно достичь поставленных целей с помощью ламинатов с низкими потерями, без необходимости использования высококачественных РЧ-подложек.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
A: Выбор оптимального материала зависит от области применения. Среди наиболее часто используемых вариантов — материалы Rogers, PTFE и ламинаты с низкими потерями.
A: Да, для некоторых приложений в области радиочастот с низкими частотами. Для более высоких частот часто требуются материалы с меньшими диэлектрическими потерями.
A: Df напрямую влияет на вносимые потери и затухание сигнала, что делает его крайне важным для радиочастотных и высокоскоростных схем.
A: Во многих продуктах 5G используются материалы Rogers, PTFE или современные ламинаты с низкими потерями в зависимости от рабочей частоты и требований к характеристикам.
A: Не всегда. Выбор материала должен основываться на скорости передачи данных, длине канала, требованиях к целостности сигнала и общей стоимости проекта.