По мере дальнейшего увеличения скорости передачи сигналов традиционные материалы для печатных плат достигают пределов своих эксплуатационных характеристик. Хотя стандартный FR4 по-прежнему подходит для многих областей применения, современное сетевое оборудование, вычислительные платформы на базе искусственного интеллекта, высокоскоростные системы хранения данных и инфраструктура связи зачастую требуют материалов с меньшими потерями сигнала.
Именно здесь на первый план выходят материалы для печатных плат с низкими потерями.
Ламинаты с низкими потерями разработаны для снижения диэлектрического затухания, что позволяет сигналам проходить на большие расстояния без потери целостности. Они стали широко использоваться в системах, работающих со скоростью передачи данных в несколько гигабит и на высоких частотах.
Ii. Содержание
Что определяет низкий уровень потерь в материале печатной платы?
Потери сигнала в печатной плате обусловлены несколькими факторами, в том числе потерями в проводниках, шероховатостью поверхности, переходами в разъемах и потерями в диэлектрике.
Среди этих факторов на диэлектрические потери непосредственное влияние оказывает сам материал ламината.
Материал обычно считается материалом с низкими потерями, если он обладает следующими свойствами:
- Низкий коэффициент потерь (Df)
- Стабильная диэлектрическая проницаемость (Dk)
- Стабильные электрические характеристики во всех частотных диапазонах
- Снижение вносимых потерь
Как объясняется в Значения Dk и Df в материалах печатных плат, коэффициент рассеивания является одним из основных показателей, используемых для оценки характеристик по потерям сигнала.
Почему стандартный FR4 имеет ограничения
FR4 по-прежнему остается наиболее широко используемым материалом для печатных плат благодаря своей экономичности и доступности.
Однако с ростом частоты и скорости передачи данных его электрические характеристики ухудшаются.
К типичным характеристикам FR4 относятся:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
Для многих промышленных и потребительских товаров эти показатели вполне приемлемы.
Однако такие приложения, как:
- Ethernet 25G
- 56G PAM4
- 112G-композитные платы
- Высокоскоростные серверные платформы
часто требуют более низких диэлектрических потерь, чем может обеспечить обычный FR4.
Читатели, которые впервые знакомятся с материалами из FR4, могут обратиться к Обзор материала FR4 для печатных плат для получения дополнительной информации.
Характеристики материалов с низкими потерями
Ламинаты с низкими потерями разработаны для улучшения характеристик передачи сигнала.
К общим характеристикам относятся:
Более низкий коэффициент потерь
Наиболее существенным преимуществом является снижение диэлектрических потерь.
Более низкие значения Df способствуют:
- Свести к минимуму затухание
- Улучшить диаграммы глаз
- Увеличить расстояния маршрутизации
- Снизить требования к выравниванию
Стабильная диэлектрическая проницаемость
Материалы с низкими потерями часто демонстрируют более стабильные значения Dk в более широких диапазонах частот.
Это позволяет улучшить:
- Контроль импеданса
- Синхронизация сигналов
- Подбор дифференциальных пар
Улучшенные высокочастотные характеристики
Многие системы с низкими потерями оптимизированы для частот, на которых в стандартном FR4 начинается значительное затухание.
Повышенная надежность
Кроме того, ламинатные системы премиум-класса зачастую отличаются улучшенными тепловыми и механическими характеристиками.
Сравнение типичных значений Df
В приведенной ниже таблице представлено сравнение наиболее распространенных материалов для печатных плат.
| Материалы по теме | Типичное значение Df |
|---|---|
| Стандартный FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 с высоким значением ТГ | 0,012–0,020 |
| FR4 с низкими потерями | 0,006–0,010 |
| Мегтрон 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| Материалы из ПТФЭ | 0,0009–0,002 |
Чем ниже значение Df, тем меньше диэлектрические потери.
Однако при выборе материала всегда следует учитывать общие требования к конструкции, а не сосредотачиваться на каком-то одном техническом параметре.
Распространенные типы материалов для печатных плат с низкими потерями
Усовершенствованные системы на основе FR4
Многие поставщики ламинатов предлагают усовершенствованные составы FR4, предназначенные для применения в высокоскоростных системах.
Данные материалы содержат следующую информацию:
- Улучшенные характеристики сигнала
- Привычные характеристики обработки
- Более низкая стоимость по сравнению с ламинатами премиум-класса с радиочастотным покрытием
Они часто используются в сетевом оборудовании и серверных продуктах.
Углеводородные керамические материалы
В этих ламинатах используются системы углеводородных смол в сочетании с керамическими наполнителями.
Преимущества включают:
- Меньшие потери
- Стабильные диэлектрические свойства
- Хорошая технологичность
Этот подход применяется в ряде популярных РЧ-материалов.
Материалы на основе ПТФЭ
PTFE обеспечивает одни из самых низких диэлектрических потерь, доступных в производстве печатных плат.
Приложения включают:
- Радиолокационные системы
- Спутниковая связь
- РЧ-усилители
- Микроволновые схемы
Статья, посвящённая Материал для печатных плат из ПТФЭ рассмотрим эти материалы более подробно.
Высокоскоростные цифровые ламинаты
Такие продукты, как:
- Серия Megtron
- Isola I-Speed
- Тахион
- Высокоскоростные материалы Nelco
специально разработаны для современных цифровых систем.
Эти материалы заполняют пробел между традиционными материалами FR4 и специализированными РЧ-подложками.
Приложения, в которых используются материалы с низкими потерями
Оборудование для центров обработки данных
Современные коммутаторы и маршрутизаторы работают со всё более высокими скоростями передачи данных.
С увеличением длины канала потеря сигнала становится одним из ключевых факторов при проектировании.
Материалы с низкими потерями способствуют поддержанию качества сигнала на всем протяжении системы.
В будущих выпусках будут освещаться следующие темы: Материалы для печатных плат, используемых в оборудовании центров обработки данных.
Серверы искусственного интеллекта
Инфраструктура искусственного интеллекта требует высокоскоростной связи между процессорами, ускорителями и устройствами памяти.
Ламинаты с низкими потерями способствуют:
- Высокая пропускная способность
- Снижение задержки
- Улучшенная целостность сигнала
Телекоммуникационные системы
Приложения включают:
- Оптические сети
- Инфраструктура 5G
- Оборудование для магистральной сети
- Оборудование для беспроводной связи
Высокоскоростные системы хранения данных
Платформы корпоративного хранения данных часто используют материалы с низким уровнем потерь для обеспечения работы высокоскоростных интерфейсов и длинных сигнальных тракт.
Соображения по поводу стоимости
Одной из причин, по которой стандартный FR4 по-прежнему пользуется популярностью, является его стоимость.
Материалы с низкими потерями, как правило, приводят к увеличению затрат на изготовление печатных плат вследствие следующих факторов:
- Повышение цен на ламинат
- Более сложные требования к компоновке
- Дополнительные инженерные работы
Преимущества в плане производительности должны оправдывать дополнительные затраты.
Во многих случаях материалы с низкими потерями требуются лишь для определенных слоев, что позволяет разработчикам использовать гибридные схемы слоев, обеспечивающие оптимальный баланс между техническими характеристиками и бюджетом.
Материалы с низкими потерями и проектирование многослойных структур
Выбор материалов неотделим от планирования слоевой структуры.
К факторам, которые следует оценивать в совокупности, относятся:
- Количество слоев
- Толщина сердечника
- Выбор препрега
- Шероховатость меди
- Целевой импеданс
Как уже упоминалось в Материалы для изготовления сердечников печатных плат и препрегов, диэлектрический зазор напрямую влияет на импеданс и поведение сигнала.
Грамотно разработанная конструкция слоёв зачастую вносит такой же вклад в производительность, как и сам материал.
Выбор подходящего материала
При оценке ламинатов с низкими потерями инженерам следует учитывать следующее:
Скорость передачи данных
Повышение скорости передачи данных, как правило, делает ещё более важным низкий уровень диэлектрических потерь.
Рабочая частота
При разработке радиочастотных и микроволновых устройств часто требуются специальные материалы.
Длина канала
В случае более длинных сигнальных тракт обычно более эффективно использовать материалы с низкими потерями.
Требования к производству
Некоторые материалы требуют применения специальных технологий сверления, ламинирования или обработки.
Бюджет
Выбор материала должен соответствовать целевым показателям эксплуатационных характеристик продукции и ожиданиям рынка.
Цель заключается не в том, чтобы выбрать материал с наименьшими потерями из всех доступных, а в том, чтобы выбрать материал, наиболее подходящий для данной области применения.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
A: Материал для печатных плат с низкими потерями — это ламинат, разработанный для снижения диэлектрического затухания и улучшения целостности сигнала на высоких частотах или при высоких скоростях передачи данных.
A: Они помогают свести к минимуму ухудшение качества сигнала, благодаря чему сигналы могут проходить на большие расстояния с более высоким качеством.
A: Не всегда. Некоторые материалы с низкими потерями предназначены скорее для высокоскоростных цифровых систем, чем для радиочастотных приложений.
A: В некоторых случаях — да. Однако для обеспечения очень высоких скоростей передачи данных часто требуются материалы с меньшими диэлектрическими потерями.
A: В таких областях, как сетевые технологии, телекоммуникации, вычисления на базе искусственного интеллекта, центры обработки данных, аэрокосмическая отрасль и передовая промышленная электроника, часто используются материалы для печатных плат с низкими потерями.