Mikrowellen-Technik - Wie wählt man HF PCB Materialien aus

Mit der Entwicklung der drahtlosen Kommunikation und Breitbandnetz, PCB verlegt nicht mehr einfach Metalldrähte auf einigen isolierenden Substraten, um die Verbindung von Schaltungen zu realisieren. In vielen Fällen, RF PCB Substrate und Metallleiter sind Teil von Funktionskomponenten geworden. Besonders in HF-Anwendungen, Komponenten interagieren mit PCB-Substrat, PCB-Design und Leiterplattenherstellung haben daher zunehmend einen kritischen Einfluss auf Produktfunktionen. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, die Leiter auf einem typischen Mikrowelle RF PCB sind alle Komponenten.

Unsere Hersteller von HF-Leiterplatten sind auch mehr in Sachen im Zusammenhang mit HF-Design involviert, insbesondere in der Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignalübertragung. Ähnlich, Leiterplattendesigner müssen ein tiefes Verständnis des Leiterplattenherstellungsprozesses haben, um qualifizierte und leistungsstarke Leiterplatten umfassend produzieren zu können.

1. Dielektrische Konstante (DK)

Die dielektrische Konstante (Dk, ε， Er) bestimmt die Geschwindigkeit der elektrischen Signalausbreitung im Medium. Die Geschwindigkeit der elektrischen Signalausbreitung ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der dielektrischen Konstante. Je niedriger die dielektrische Konstante, desto schneller die Signalübertragung. Machen wir eine visuelle Analogie, so wie Sie am Strand laufen. Die Wassertiefe taucht deine Knöchel ein. Die Viskosität von Wasser ist die dielektrische Konstante. Je zähflüssiger das Wasser ist, desto höher ist die dielektrische Konstante und desto langsamer läuft man.

Die Dielektrizitätskonstante ist nicht sehr einfach zu messen oder zu definieren. Es bezieht sich nicht nur auf die Eigenschaften des Mediums selbst, sondern auch auf das Prüfverfahren, die Prüffrequenz und den Zustand des Materials vor und während des Tests. Die dielektrische Konstante ändert sich auch mit der Änderung der Temperatur. Einige spezielle Materialien wurden unter Berücksichtigung der Temperatur entwickelt Feuchtigkeit ist auch ein wichtiger Faktor, der die dielektrische Konstante beeinflusst, da die dielektrische Konstante des Wassers 70 beträgt.

Im Folgenden sind die dielektrischen Konstanten einiger typischer Materialien (bei 1Mhz):

Vakuum 1,0

Reines PTFE 2.1

GYPTFE2．2－2.3

GX-PTFE2.55

Cyanatester/Glas 3,2

Cyanatester/Quarz 2,8-3,4

Polyimidquarz 3,5-3,8

Polyimidglas 4.0-4.6

Epoxidharzglas (FR4) 4.4-5.2

Nicht gewebtes aromatisches Amin (Aramid) 3.8-4.1

Aromatisches Amin (Gewebe) 3.8-4.1

Keramik gefülltes PTFE 6.0-10.2

Schaumstoff (Arlon Patent) 1.15-1.3

Wasser 70,0

Für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen ist das ideale Material das mit Kupferfolie umwickelte Luftmedium,

Neben der direkten Beeinflussung der Übertragungsgeschwindigkeit des Signals bestimmt die dielektrische Konstante in hohem Maße auch die charakteristische Impedanz. In verschiedenen Teilen ist die charakteristische Impedanzanpassung besonders wichtig in der Mikrowellenkommunikation. Wenn die Impedanzanpassung auftritt, wird die Impedanzanpassung auch VSWR (Standing Wave Ratio) genannt.

CTEr: Da sich die dielektrische Konstante mit der Temperatur ändert und die Materialien, die in der Mikrowelle verwendet werden, häufig im Freien sind, sogar in Weltraumumgebung, ist CTEr (Koeffizient der Änderung der dielektrischen Konstante mit der Temperatur) auch ein Schlüsselparameter. Einige mit Keramikpulver gefüllte PTFE können sehr gute Eigenschaften haben, wie CLTE

2. Verlustfaktor (Df)

Neben der dielektrischen Konstante ist der Verlustfaktor ein wichtiger Parameter, der die elektrischen Eigenschaften von Materialien beeinflusst Dielektrischer Verlust ist auch als Verlusttangente, Verlustfaktor usw. bekannt. Er bezieht sich auf den Verlust des Signals im Medium oder Energieverlust Dies liegt daran, wenn Hochfrequenzsignale (sie wandeln sich ständig zwischen positiven und negativen Phasen) durch die mittlere Schicht passieren, Moleküle im Medium versuchen sich entsprechend diesen elektromagnetischen Signalen zu orientieren. Weil diese Moleküle vernetzt sind, können sie sich jedoch nicht wirklich orientieren. Änderungen in der Frequenz führen jedoch dazu, dass die Scorer in Bewegung bleiben, viel Wärme erzeugen und Energieverluste verursachen.

Einige Materialien, wie PTFE, sind jedoch unpolar, so dass sie nicht durch elektromagnetisches Feld beeinflusst werden, und der Verlust ist gering. Ebenso hängt der Verlustfaktor auch mit Frequenz und Prüfmethode zusammen. Die allgemeine Regel ist, dass je höher die Frequenz, desto größer der Verlust Das intuitivste Beispiel ist der Verbrauch von elektrischer Energie in der Übertragung. Wenn der Schaltungsdesignverlust gering ist, kann die Batterielebensdauer erheblich erhöht werden; Beim Empfang des Signals ist die Antenne empfindlicher auf den Materialverlust und das Signal wird klarer.

Das häufig verwendete FR4 Epoxidharz (Dk4.5) hat eine relativ starke Polarität. Bei 1GHz beträgt der Verlust etwa 0.025, während der Verlust von PTFE-Substrat (Dk2.17) unter dieser Bedingung 0.0009 ist. Verglichen mit glasgefülltem Polyimid hat Quarz gefülltes Polyimid eine niedrige dielektrische Konstante und Verlust, weil der Siliziumgehalt rein ist.

Die folgende Abbildung zeigt die molekulare Struktur von PTFE. Wir können sehen, dass seine Struktur sehr symmetrisch ist, die C-F-Bindung fest gebunden ist und es keine polare Gruppe gibt. Daher ist die Möglichkeit, mit der Änderung des elektromagnetischen Feldes zu schwanken, sehr gering, was in den elektrischen Eigenschaften des kleinen Verlustes gezeigt wird.

3. Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)

Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird üblicherweise als CTE abgekürzt, was eine der wichtigsten thermisch-mechanischen Eigenschaften von Materialien ist. Es bezieht sich auf die Ausdehnung von Materialien, wenn sie erhitzt werden. Die tatsächliche Materialausdehnung bezieht sich auf die Volumenänderung, aber aufgrund der Eigenschaften des Substrats betrachten wir oft die Ausdehnung in der Ebene (X -, Y -) bzw. vertikaler Richtung (Z -). Die thermische Ausdehnung der Ebene kann oft durch die Verstärkungsschichtmaterialien (wie Glasgewebe, Quarz, Thermomount) gesteuert werden. Die Längserdehnung liegt immer über der Glasübergangstemperatur, die schwer zu kontrollieren ist. Die planare CTE ist entscheidend für die Installation von hochdichten Paketen. Wenn der Chip (normalerweise CTE bei 6-10ppm/C) auf einer herkömmlichen Leiterplatte installiert ist (CTE18ppm/C, PTFE, das oft mit Keramikpulver gefüllt wird, wie CLTE und LCCLTE von Arlon Company, ist die repräsentativste Anwendung für die Herstellung von 64-Schicht-Mehrschichtplatinen für globale Kommunikationssatelliten

4. Wärmeleitfähigkeit

In vielen Mikrowellenbereichen gibt es viele Hochleistungsanwendungen, und die Wärmeableitungseigenschaften von Materialien können die Zuverlässigkeit des gesamten Systems erheblich beeinflussen. Daher sollte auch die Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt werden. Für einige spezielle Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit und hohem Stromverbrauch kann auch Metallauskleidung (Aluminium- oder Kupferbasis) verwendet werden. Beispiele für Materialtypen: Wärmeleitfähigkeit W/mkPTFE/Glastuch Diclad, Cuclad0.26PTFE/Keramikpulver, Glastuch CLTE0.5AR1000.65AD350i0.45 keramisches Pulver gefülltes thermohärtendes Material 25N/FR0.45 thermisch leitfähiges Material 99N1.2FR-40.24-0.26

5. Herstellbarkeit

Wir verstehen, dass PTFE-Materialien schwierig zu verarbeiten sind, insbesondere für die Lochmetallisierung, die Plasma- oder Natriumnaphthalinbehandlung erfordert, um seine Aktivität zu verbessern. Darüber hinaus ist PTFE ein thermoplastisches Material, und die Verarbeitung von Mehrschichtplatten erfordert hohe Temperaturen. Nun wurde ein neues verlustarmes duroplastisches Harzmaterial für Hochfrequenzschaltungen entwickelt, das Mehrschichtplatinen ohne Plasmaaktivierung verarbeiten kann, wie z.B. Arlon25N/FR. Derzeit ist es in LNA weit verbreitet. Bei der Konstruktion von PA und Antenne ist die Feuchtigkeitsaufnahme auch ein Faktor, der berücksichtigt werden muss. Materialien mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme sollten so weit wie möglich ausgewählt werden, damit die elektrischen Eigenschaften stabiler sind

6. Passive Intermodulation (PIM)

Im HF-Frontend-Design, wie Antenne und Filter, ist eine passive Intermodulation erforderlich. Dies hängt auch mit dem Substrat von PCB zusammen. Einige Unternehmen verwenden spezielle Kupferfolien, um die passive Intermodulation innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten. Die folgende Tabelle zeigt den Unterschied zwischen PIM von Leiterplatten ohne passive Intermodulationsanforderungen und PIM von Leiterplatten mit spezifischen Anforderungen.

HF-Leiterplattenmaterialien für Mikrowellen werden hauptsächlich durch dielektrische Konstante ausgewählt, Verlust, Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit Niedrige Kosten niedrige hohe dielektrische Konstante Keramik, niedrige dielektrische Konstante CTEr, Stabile niedrige Kosten kommerzielle Verlust thermoset gefüllte PTFE Zahl, Keramisch gefülltes PTFE mit geringem Verlust.