Mikrowellen-Technik - Einfluss von Materialien und Verarbeitung auf Leiterplatten Dk

Mit der Zunahme von Leiterplatte DK, it is more and more difficult to control the phase consistency of printed circuit board (PCB) materials. Die genaue Vorhersage von Phasenänderungen von Leiterplattenmaterialien ist keine einfache oder routinemäßige Aufgabe. The signal phase of high frequency and high-speed PCB depends largely on the structure of the transmission line processed by it and the dielectric constant (DK) of the circuit board material. The lower the Dk of the medium (for example, der Dk der Luft ist etwa 1.0), je schneller sich die elektromagnetische Welle ausbreitet. Mit der Zunahme von Dk, die Ausbreitung der Wellen wird verlangsamen, und dieses Phänomen wird auch die Phasenantwort des sich ausbreitenden Signals beeinflussen. Wenn sich der Dk des Vermehrungsmediums ändert, Phasenänderungen der Wellenform treten auf, weil ein niedrigerer oder höherer Dk die Geschwindigkeit des Signals im Ausbreitungsmedium entsprechend schneller oder langsamer macht.

PCB-Schaltung DK des Materials ist normalerweise anisotrop, mit verschiedenen Dk-Werten in drei Dimensionen (3D) von Länge, Breite und Dicke (entsprechend x-, Y- und Z-Achsen). Für einige spezielle Arten von Schaltungsdesign ist es notwendig, nicht nur den Unterschied von Dk, sondern auch den Einfluss der Schaltungsfertigung auf die Phase zu berücksichtigen. Phasenstabilität und Vorhersagbarkeit werden mit steigenden PCB-Betriebsfrequenzen zunehmend an Bedeutung gewinnen, insbesondere bei Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen, wie Mobilfunknetzinfrastruktureinrichtungen der fünften Generation (5G) und fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) in elektronisch unterstützten Fahrzeugen.

Was bewirkt also, dass sich der Dk des Leiterplattenmaterials ändert? In einigen Fällen, differences in The Dk on the PCB are caused by the material itself (e.g. changes in copper surface roughness). In anderen Fällen, Leiterplattenherstellung Prozesse können auch DK-Veränderungen verursachen. Darüber hinaus, a harsh Arbeitsumfeld (such as high working temperature) can also cause PCB circuit Dk to change. Durch das Verständnis der Eigenschaften von Materialien, Herstellungsverfahren, working environment, auch Dk-Prüfverfahren, und andere Aspekte zu untersuchen, wie PCB DK sich verändert. Auf diese Weise, Der Phasenwechsel der Leiterplatte kann besser verstanden und vorhergesagt werden, und seine Auswirkungen können minimiert werden.

Anisotropie ist eine wichtige Eigenschaft von Leiterplattenmaterialien, und die Eigenschaften von Dk sind den "Tensoren" in der dreidimensionalen Mathematik sehr ähnlich. Die unterschiedlichen Dk-Werte auf den drei Achsen führen zur Differenz des elektrischen Flusses und der elektrischen Feldintensität im dreidimensionalen Raum. Abhängig von der Art der Übertragungsleitung, die in der Schaltung verwendet wird, kann die Phase einer Schaltung mit einer gekoppelten Struktur durch die Anisotropie des Materials geändert werden, und die Leistung der Schaltung hängt von der Richtung der Phase auf dem Leiterplattenmaterial ab. Im Allgemeinen variiert die Anisotropie von Leiterplattenmaterialien mit der Dicke und Arbeitsfrequenz der Platte, und die Materialien mit niedrigeren Dk-Werten haben eine kleinere Anisotropie. Auch die Füllverstärkung trägt zu dieser Veränderung bei: Leiterplattenmaterialien mit Glasfaserverstärkung haben in der Regel eine höhere Anisotropie als Leiterplattenmaterial ohne Glasfaserverstärkung. Wenn Phase der Schlüsselindikator ist und der Dk der Leiterplatte Teil der Schaltungsdesignmodellierung ist, sollte die Beschreibung und der Vergleich der Dk-Werte zwischen zwei Materialien für den Dk auf der gleichen Richtungsachse sein. Ausführlichere Informationen zu den verschiedenen Faktoren (einschließlich Messmethoden), die das Leiterplattenmaterial Dk verändern, finden Sie im Rogers Webinar "Verstehen, wie Leiterplattenmaterialien und -herstellung die Dk-Variation und PhasenKonsistenz von Leiterplatten beeinflussen können (Verständnis, wie Leiterplattenmaterialien und Fertigungsprozesse die Dk-Variation und PhasenKonsistenz von Leiterplatten beeinflussen).

Ein tiefer Blick auf das Design Dk

Die effektive Dk eines Schaltkreises hängt davon ab, wie sich elektromagnetische Wellen in einer bestimmten Art von Übertragungsleitung ausbreiten. Abhängig von der Übertragungsleitung wird ein Teil der elektromagnetischen Welle durch das dielektrische Material der Leiterplatte übertragen, und der andere Teil wird durch die Luft um die Leiterplatte übertragen. Der Dk-Wert der Luft (etwa 1.00) ist niedriger als der eines beliebigen Schaltungsmaterials, so dass der effektive Dk-Wert im Wesentlichen ein kombinierter Dk-Wert ist, der durch die kombinierte Wirkung der elektromagnetischen Welle, die sich im Übertragungsleitungsleiter ausbreitet, der elektromagnetischen Welle, die sich im dielektrischen Material ausbreitet, und der elektromagnetischen Welle, die sich in der Luft um die Basis ausbreitet, bestimmt wird. Das "Design Dk" ist ein Versuch, ein praktischeres Dk als das "Effektive Dk" bereitzustellen, da es den kombinierten Einfluss verschiedener Übertragungsleitungstechnologien, Fertigungsmethoden, Drähte und sogar der Prüfmethoden zur Messung des Dk berücksichtigt. Design Dk ist der Dk, der beim Testen von Materialien in Schaltungsform extrahiert wird, und es ist auch der am besten geeignete Dk-Wert für den Einsatz in Schaltungsdesign und Simulation. Das Design Dk ist nicht das effektive Dk der Schaltung, aber es ist das Material Dk, das durch die Messung des effektiven Dk bestimmt wird, und das Design Dk kann die wahre Leistung der Schaltung widerspiegeln.

Die Oberflächenrauheit der Leiterkupferfolie in verschiedenen Dicken des dielektrischen Leiterplattenmaterials hat unterschiedliche Auswirkungen auf das Phasenverhalten der Design-Leiterplattenschaltung DK. Materialien mit dickeren Untergründen werden oft weniger von der Oberflächenrauheit von Kupferfolienleitern beeinflusst. Auch für Kupferfolienleiter mit rauer Oberfläche, Der Design Dk Wert liegt näher am Medium Dk des Substratmaterials. Zum Beispiel, Rogers' 6.6 Mio. RO4350B™ Leiterplattenmaterial hat ein durchschnittliches Design Dk von 3.96 bei 8 bis 40GHz. Für das gleiche Material mit einer Dicke von 30 mils, das Design Dk verringerte sich auf einen Durchschnitt von 3.68 im gleichen Frequenzbereich. When the material substrate thickness is doubled again (60 mils), das Design Dk ist 3.66, Das ist der inhärente Dk des Mediums für dieses glasfaserverstärkte Laminat.

Aus den obigen Beispielen kann man sehen, dass dickeres Substrat weniger von der Rauheit der Kupferfolie beeinflusst wird und der Design-Dk-Wert relativ niedriger ist. Wenn jedoch dickere Leiterplatten zur Herstellung von Verarbeitungsschaltungen verwendet werden, insbesondere bei Millimeterwellenfrequenzen mit kleineren Signalwellenlängen, ist es schwieriger, die Konsistenz von Signalamplitude und Phase beizubehalten. Hochfrequenzschaltungen sind oft besser geeignet für dünnere Leiterplatten, wo der mittlere Teil des Materials weniger Einfluss auf das Design Dk und die Schaltungsleistung hat. Der Signalverlust und die Phasenleistung des dünneren Leiterplattensubstrats werden durch den Leiter stärker beeinflusst. Bei Millimeterwellenfrequenzen sind sie hinsichtlich Design Dk von Schaltungsmaterialien auch empfindlicher gegenüber Leitereigenschaften (wie z.B. Oberflächenrauheit von Kupferfolien) als dickere Substrate.

So wählen Sie einen Übertragungsleitungskreis aus

Bei HF-/Mikrowellen- und Millimeterwellen-Frequenzen verwenden Schaltungsdesigner herkömmliche Übertragungsleitungstechnologien wie Mikrostreifen, Streifen und geerdeten koplanaren Wellenleitern (GCP). Jede Technologie hat unterschiedliche Designansätze, Designherausforderungen und damit verbundene Vorteile. Zum Beispiel beeinflussen Unterschiede im Kopplungsverhalten von GCPW-Schaltungen das Schaltungsdesign DK. Für dicht gekoppelte GCPW-Schaltungen sowie Übertragungsleitungen mit engem Abstand kann eine effizientere elektromagnetische Ausbreitung erreicht werden, indem Luft zwischen koplanaren Kopplungsbereichen verwendet und Verluste minimiert wird. Durch die Verwendung dickerer Kupferleiter mit höheren Seitenwänden der gekoppelten Leiter kann die Verwendung von mehr Luftwegen im Kopplungsbereich Schaltungsverluste minimieren, aber es ist wichtiger, die entsprechenden Auswirkungen der Verringerung der Dicke des Kupferleiters zu verstehen.

Viele Faktoren können das Design Dk für ein bestimmtes Schaltungs- und Leiterplattenmaterial beeinflussen. Zum Beispiel, the temperature coefficient Dk (TCDk) of circuit board materials is used to measure the influence of working temperature on design Dk and performance. Ein geringerer TCDk-Wert bedeutet, dass Leiterplattenmaterialien eine geringere Temperaturabhängigkeit haben. Ähnlich, high relative humidity (RH) can increase the design Dk of circuit board materials, speziell für Materialien mit hoher Feuchtigkeitsaufnahme. Die Eigenschaften von Leiterplattenmaterialien, der Herstellungsprozess der Schaltung, und die Unsicherheiten in der Arbeitsumgebung beeinflussen alle das Design Leiterplatte Dk der Materialien. Nur wenn diese Merkmale verstanden und im Designprozess berücksichtigt werden, können ihre Auswirkungen minimiert werden..