Mikrowellen-Technik - Analyse des Einflusses von Materialien und Verarbeitung auf Leiterplattenschaltung Dk und Phasenkonsistenz

Analyse des Einflusses von Materialien und Verarbeitung auf Leiterplattenschaltung Dk und Phasenkonsistenz

Da die Frequenz weiter zunimmt, Es wird immer schwieriger, die Phasenkonsistenz von Leiterplatte(PCB) Materials. Genaue Vorhersage der Phasenänderung von Leiterplatte Materialien sind keine einfache oder routinemäßige Aufgabe. The signal phase of a high-frequency and high-speed PCB depends to a large extent on die structure of the transmission line processed from it and the dielectric constant (Dk) of the Leiterplatte Material. The lower the Dk of the medium is (for example, der Dk der Luft ist etwa 1.0), je schneller sich die elektromagnetische Welle ausbreitet. Mit zunehmender Dk, die Ausbreitung der Welle verlangsamt sich, und dieses Phänomen wird auch Auswirkungen auf die Phasenantwort des sich ausbreitenden Signals haben. Wenn sich der Dk des Vermehrungsmediums ändert, die Wellenformphase ändert sich, weil ein niedrigerer oder höherer Dk die Geschwindigkeit des Signals im Ausbreitungsmedium schneller oder langsamer macht.

Der Dk von LeiterplattenMaterialien ist normalerweise anisotrop, mit unterschiedlichen Dk-Werten in den drei Dimensionen (3D) Länge, Breite und Dicke (entsprechend der x-, y- und z-Achse). Für einige spezielle Arten von Schaltungsdesign muss nicht nur der Unterschied in Dk berücksichtigt werden, sondern auch der Einfluss der Schaltungsbearbeitung und -herstellung auf die Phase. Mit dem Anstieg der PCB-Betriebsfrequenz, insbesondere bei Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen, wie: Mobilfunknetzinfrastruktur der fünften Generation (5G), fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) in elektronischen Assistenzfahrzeugen, Phase Die Stabilität und Vorhersagbarkeit werden immer wichtiger.

Was also verursachte die Dk der Leiterplatte Material zu ändern? In einigen Fällen, the difference in Dk on the PCB is caused by the material itself (such as changes in copper surface roughness). In anderen Fällen, the Leiterplattenherstellung Prozess wird auch Änderungen in Dk verursachen. Darüber hinaus, the harsh Arbeitsumfeld (such as higher working temperature) will also change the Dk of the PCB. Durch das Verständnis der Eigenschaften von Materialien, Herstellungsverfahren, working environment, und sogar Dk-Prüfmethoden, Wie man die Veränderungen in PCB Dk studiert. Dies kann die Phasenänderung der Leiterplatte besser verstehen und vorhersagen, und seine Auswirkungen minimieren.

Anisotropie ist eine wichtige Eigenschaft von Leiterplattenmaterialien, und die Eigenschaft von Dk ist dem "Tensor" in der dreidimensionalen Mathematik sehr ähnlich. Die unterschiedlichen Dk-Werte auf den drei Achsen ergeben die Differenz des elektrischen Flusses und der elektrischen Feldstärke im dreidimensionalen Raum. Je nach Art der Übertragungsleitung, die in der Schaltung verwendet wird, kann die Phase des Schaltkreises mit der Kupplungsstruktur durch die Anisotropie des Materials geändert werden, und die Leistung des Schaltkreises hängt von der Richtung der Phase auf dem Leiterplattenmaterial ab. Im Allgemeinen variiert die Anisotropie des LeiterplattenMaterialien mit der Dicke der Platine und der Betriebsfrequenz, und das Material mit einem niedrigeren Dk-Wert ist weniger Anisotropie. Gefüllte Bewehrungsmaterialien können diese Veränderung auch verursachen: Im Vergleich zu Leiterplattenmaterialien ohne Glasfaserverstärkung weisen Leiterplattenmaterialien mit Glasfaserverstärkung in der Regel eine höhere Anisotropie auf. Wenn die Phase der Schlüsselindikator ist und der Dk der Leiterplatte Teil der Schaltungsdesignmodellierung ist, sollten die Beschreibung und der Vergleich des Dk-Werts zwischen den beiden Materialien für den Dk auf der gleichen Achse sein. Ausführlichere Informationen zu den verschiedenen Faktoren (einschließlich Messmethoden), die die Dk von Leiterplattenmaterialien verändern, finden Sie im Rogers"Webinar "Verstehen, wie Leiterplattenmaterialien und -herstellung die Dk-Variation und Phasenkonsistenz von Leiterplatten beeinflussen können" Wie beeinflusst der Herstellungsprozess die Dk-Änderung und Phasenkonsistenz der Leiterplatte)".

Vertiefende Diskussion über Design Dk

Die effektive Dk eines Schaltkreises hängt davon ab, wie sich elektromagnetische Wellen in einer bestimmten Art von Übertragungsleitung ausbreiten. Je nach Übertragungsleitung breitet sich ein Teil der elektromagnetischen Welle durch das dielektrische Material der Leiterplatte und der andere Teil durch die Luft um die Leiterplatte aus. Der Dk-Wert der Luft (etwa 1,00) ist niedriger als jedes Schaltungsmaterial. Daher ist der effektive Dk-Wert im Wesentlichen ein kombinierter Dk-Wert, der aus elektromagnetischen Wellen besteht, die sich im Übertragungsleitungsleiter ausbreiten, elektromagnetischen Wellen, die sich in dielektrischen Materialien ausbreiten und sich in der Luft um das Substrat herum ausbreiten. "Design Dk" versucht, ein praktischeres Dk als "effektives Dk" bereitzustellen, da "Design Dk" auch die umfassenden Auswirkungen verschiedener Übertragungsleitungstechnologien, Fertigungsmethoden, Drähte und sogar Prüfmethoden zur Messung von Dk berücksichtigt. Der Entwurf Dk ist der Dk, der extrahiert wird, wenn das Material in der Schaltungsform getestet wird, und es ist auch der Dk-Wert, der am besten für den Einsatz in Schaltungsdesign und Simulation geeignet ist. Das Design Dk ist nicht das effektive Dk der Schaltung, sondern das Material Dk, das durch Messung des effektiven Dk bestimmt wird. 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 Design Dk und die Phasenantwort der Schaltung. Materialien mit dickeren Substraten sind tendenziell weniger von der Oberflächenrauheit von Kupferfolienleitern betroffen. Auch für Kupferfolienleiter mit raueren Oberflächen, Der Entwurfswert Dk liegt zu diesem Zeitpunkt näher an dem dielektrischen Dk des Substratmaterials. Zum Beispiel, Rogers' 6.6 Mio RO4350B™ Leiterplatte Material hat einen durchschnittlichen Design Dk Wert von 3.96 von 8 bis 40 GHz. Für das gleiche Material mit einer Dicke von 30 mils, das Design Dk fällt auf 3.68 im Durchschnitt im gleichen Frequenzbereich. When the thickness of the material substrate is doubled again (60 mils), das Design Dk ist 3.66, Das ist im Grunde das inhärente Dk des Mediums dieses glasfaserverstärkten Laminats.

Aus den obigen Beispielen kann ersichtlich werden, dass das dickere dielektrische Substrat weniger von der Rauheit der Kupferfolie beeinflusst wird und der Design Dk Wert relativ niedriger ist. Wenn jedoch dickere Leiterplatten zur Herstellung und Verarbeitung von Schaltungen verwendet werden, insbesondere bei Millimeterwellenfrequenzen, bei denen die Signalwellenlänge klein ist, wird es schwieriger sein, die Konsistenz von Signalamplitude und -phase beizubehalten. Schaltungen mit höheren Frequenzen sind oft besser für dünnere Leiterplatten geeignet, und der dielektrische Teil des Materials hat zu diesem Zeitpunkt weniger Einfluss auf das Design Dk und die Schaltungsleistung. Dünnere Leiterplattensubstrate werden in Bezug auf Signalverlust und Phasenleistung stärker von Leitern beeinflusst. Bei Millimeterwellenfrequenzen sind sie hinsichtlich des Designs Dk von Schaltungsmaterialien empfindlicher gegenüber Leitereigenschaften (wie z.B. Oberflächenrauheit von Kupferfolien) als dickere Substrate.

Wie wählt man einen Übertragungsleitungskreis?

Bei HF-/Mikrowellenfrequenzen und Millimeterwellenfrequenzen verwenden Schaltungsdesigningenieure hauptsächlich die folgenden konventionellen Übertragungsleitungstechnologien, wie z. B.: Mikrostreifenleitung, Streifenleitung und geerdeter koplanarer Wellenleiter (GCPW). Jede Technologie hat unterschiedliche Designmethoden, Designherausforderungen und damit verbundene Vorteile. Beispielsweise wirkt sich der Unterschied im GCPW-Schaltungskopplungsverhalten auf das Schaltungsdesign Dk aus. Bei dicht gekoppelten GCPW-Schaltungen und dicht beieinander liegenden Übertragungsleitungen kann die Verwendung der Luft zwischen den koplanaren Kopplungsbereichen eine effizientere elektromagnetische Ausbreitung erzielen und Verluste reduzieren. Auf den Tiefsten. Durch die Verwendung dickerer Kupferleiter sind die Seitenwände der Kupplungsleiter höher, und die Verwendung von mehr Luftwegen im Kupplungsbereich kann Schaltungsverluste minimieren, aber es ist wichtiger, die entsprechenden Änderungen zu verstehen, die durch die Verringerung der Dicke des Kupferleiterschlags verursacht werden.

Viele Faktoren können das Design Dk eines bestimmten Schaltungs- und Leiterplattenmaterials beeinflussen. Zum Beispiel, the temperature coefficient Dk (TCDk) of the Leiterplatte Material wird verwendet, um den Einfluss der Betriebstemperatur auf die Konstruktion Dk und Leistung zu messen. Ein niedrigerer TCDk-Wert gibt an, dass die Leiterplatte Material hat weniger Temperaturabhängigkeit. Ähnlich, high relative humidity (RH) will also increase the design Dk of Leiterplatte materials, speziell für Materialien mit hoher Feuchtigkeitsaufnahme. Die Eigenschaften der Leiterplatte material, der Herstellungsprozess der Schaltung, und die unsicheren Faktoren in der Arbeitsumgebung beeinflussen alle das Design Dk der Leiterplatte material. Nur durch das Verständnis dieser Eigenschaften und die vollständige Berücksichtigung dieser Faktoren im Designprozess können ihre Auswirkungen minimiert werden.