I takt med att signalhastigheterna fortsätter att öka når traditionella kretskortsmaterial sina prestandagränser. Även om standardmaterialet FR4 fortfarande är lämpligt för många tillämpningar kräver modern nätverksutrustning, AI-beräkningsplattformar, höghastighetslagringssystem och kommunikationsinfrastruktur ofta material med lägre signalförlust.
Det är här som PCB-material med låga förluster spelar en viktig roll.
Laminat med låg förlust är utformade för att minska den dielektriska dämpningen, vilket gör att signalerna kan färdas längre sträckor utan att förlora sin integritet. De har blivit ett vanligt val i tillämpningar som arbetar med datahastigheter på flera gigabit och höga frekvenser.
Innehållsförteckning
Vad kännetecknar ett PCB-material med låga förluster?
Signalförluster i ett kretskort kan ha flera orsaker, bland annat ledningsförluster, ytjämnheter, övergångar vid anslutningar och dielektriska förluster.
Av dessa faktorer påverkas den dielektriska förlusten direkt av själva laminatmaterialet.
Ett material anses i allmänhet ha låga förluster när det uppfyller följande kriterier:
- Låg dissipationsfaktor (Df)
- Stabil dielektricitetskonstant (Dk)
- Jämn elektrisk prestanda över alla frekvensområden
- Minskad insättningsförlust
Som förklaras i Dk- och Df-värden i PCB-material, är dissipationsfaktorn en av de viktigaste indikatorerna som används för att utvärdera signalförlusten.
Varför standard-FR4 har sina begränsningar
FR4 är fortfarande det vanligaste materialet för kretskort eftersom det är kostnadseffektivt och lättillgängligt.
Dess elektriska prestanda försämras dock i takt med att frekvenserna och datahastigheterna ökar.
Typiska egenskaper hos FR4 är bland annat:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
För många industri- och konsumentprodukter är dessa värden fullt acceptabla.
Däremot gäller följande för tillämpningar som:
- 25G Ethernet
- 56G PAM4
- 112G-bakplan
- Höghastighetsserverplattformar
kräver ofta lägre dielektrisk förlust än vad konventionellt FR4 kan erbjuda.
Läsare som inte är bekanta med FR4-material kan läsa mer i FR4-kretskortmaterial – en förklaring för ytterligare bakgrundsinformation.
Egenskaper hos material med låga förluster
Laminat med låga förluster är konstruerade för att förbättra signalöverföringen.
Vanliga kännetecken är bland annat:
Lägre förlustfaktor
Den största fördelen är minskade dielektriska förluster.
Lägre Df-värden bidrar till att:
- Minimera dämpningen
- Förbättra ögondiagrammen
- Förlänga ruttavstånden
- Minska utjämningskraven
Stabil dielektricitetskonstant
Material med låga förluster uppvisar ofta mer jämna Dk-värden över bredare frekvensområden.
Detta förbättrar:
- Impedansreglering
- Signalernas tidsinställning
- Anpassning av differentialpar
Förbättrad högfrekvensprestanda
Många system med låga förluster är optimerade för frekvenser där standard-FR4 börjar uppvisa en betydande dämpning.
Högre tillförlitlighet
Laminatsystem i premiumklassen erbjuder ofta även förbättrade termiska och mekaniska egenskaper.
Typisk Df-jämförelse
I följande tabell jämförs vanliga kretskortsmaterial.
| Material | Typisk Df |
|---|---|
| Standard FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 med högt glasövergångstemperatur | 0,012–0,020 |
| FR4 med låg förlust | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| PTFE-material | 0,0009–0,002 |
Ju lägre Df-värdet är, desto lägre är den dielektriska förlusten.
Vid valet av material bör man dock alltid ta hänsyn till de övergripande konstruktionskraven, snarare än att fokusera på en enskild specifikation.
Vanliga typer av PCB-material med låga förluster
Förbättrade FR4-system
Många leverantörer av laminat erbjuder förbättrade FR4-formuleringar som är avsedda för tillämpningar med högre hastigheter.
Dessa material innehåller:
- Bättre signalprestanda
- Välbekanta bearbetningsegenskaper
- Lägre kostnad jämfört med högkvalitativa RF-laminat
De används ofta i nätverks- och serverprodukter.
Kolvätebaserade keramiska material
Dessa laminat kombinerar kolvätebaserade hartssystem med keramiska fyllmedel.
Förmåner inkluderar:
- Mindre förlust
- Stabila dielektriska egenskaper
- God tillverkningsbarhet
Flera populära RF-material utnyttjar denna metod.
PTFE-baserade material
PTFE har några av de lägsta dielektriska förlusterna som finns inom tillverkningen av kretskort.
Applikationerna inkluderar:
- Radarsystem
- Satellitkommunikation
- RF-förstärkare
- Mikrovågskretsar
En artikel som handlar om PTFE-material för kretskort kommer att gå in mer ingående på dessa ämnen.
Digitala höghastighetslaminat
Produkter som t.ex:
- Megtron-serien
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelco-material för höghastighetsbearbetning
är särskilt utformade för moderna digitala system.
Dessa material överbryggar klyftan mellan konventionellt FR4 och specialiserade RF-substrat.
Tillämpningar där material med låga förluster är en fördel
Utrustning för datacenter
Moderna switchar och routrar arbetar med allt högre dataöverföringshastigheter.
Signalförlust blir en avgörande konstruktionsfaktor när kanallängderna ökar.
Material med låga förluster bidrar till att upprätthålla signalkvaliteten i hela systemet.
Framtida rapportering kommer att omfatta PCB-material för datacenterutrustning.
AI-servrar
AI-infrastruktur kräver höghastighetskommunikation mellan processorer, acceleratorer och minnesenheter.
Laminat med låga förluster bidrar till att:
- Hög bandbredd
- Minskad fördröjning
- Förbättrad signalintegritet
Telekommunikationssystem
Applikationerna inkluderar:
- Optiska nätverk
- 5G-infrastruktur
- Backhaul-utrustning
- Hårdvara för trådlös kommunikation
Höghastighetslagringssystem
Lagringsplattformar för företag använder ofta material med låg signalförlust för att klara höghastighetsgränssnitt och långa signalvägar.
Överväganden om kostnader
En anledning till att standard-FR4 fortfarande är populärt är kostnaden.
Material med låga förluster medför i allmänhet högre tillverkningskostnader för kretskort på grund av följande:
- Högre priser på laminat
- Mer komplexa krav på materialuppbyggnad
- Ytterligare tekniskt arbete
Prestandafördelarna måste motivera merkostnaden.
I många fall är det endast vissa lager som kräver material med låg förlust, vilket gör det möjligt för konstruktörerna att använda hybriduppbyggnader som skapar en balans mellan prestanda och budget.
Material med låga förluster och konstruktion av skiktuppbyggnad
Valet av material kan inte skiljas från planeringen av materialuppbyggnaden.
Faktorer som bör utvärderas tillsammans är bland annat:
- Antal lager
- Kärntjocklek
- Val av prepreg
- Grovhet i koppar
- Målimpedans
Som diskuterats i Kärnmaterial och prepreg-material för kretskort, det dielektriska avståndet påverkar direkt impedansen och signalens beteende.
En väl utformad materialuppbyggnad bidrar ofta lika mycket till prestandan som själva materialet.
Att välja rätt material
Vid utvärdering av laminat med låga förluster bör ingenjörer beakta följande:
Datahastighet
Högre dataöverföringshastigheter gör i allmänhet att det blir allt viktigare med låga dielektriska förluster.
Driftfrekvens
Konstruktioner inom RF- och mikrovågsområdet kräver ofta specialmaterial.
Kanalens längd
Längre signalvägar drar vanligtvis större nytta av material med låg förlust.
Krav på tillverkning
Vissa material kräver särskilda borrnings-, laminerings- eller hanteringsprocesser.
Budget
Materialvalet bör överensstämma med produktens prestandamål och marknadens förväntningar.
Målet är inte att välja det material som ger lägst förluster, utan det material som är bäst lämpat för den aktuella tillämpningen.
VANLIGA FRÅGOR
S: Ett kretskortmaterial med låg förlust är ett laminat som är utformat för att minska den dielektriska dämpningen och förbättra signalintegriteten vid höga frekvenser eller höga datahastigheter.
A: De bidrar till att minimera signalförlusten, vilket gör att signalerna kan överföras över längre avstånd med bättre kvalitet.
A: Inte alltid. Vissa material med låg förlust är avsedda för digitala höghastighetssystem snarare än för RF-tillämpningar.
S: I vissa fall, ja. Men mycket höga dataöverföringshastigheter kräver ofta material med lägre dielektrisk förlust.
A: Inom nätverksteknik, telekommunikation, AI-beräkningar, datacenter, flyg- och rymdindustrin samt avancerad industriell elektronik används ofta PCB-material med låga förluster.