Tecnología de microondas - Influencia de materiales y procesos en la placa de circuito de PCB DK

Con el aumento de la placa de circuito impreso dk, es cada vez más difícil controlar la consistencia de fase de los materiales de la placa de circuito impreso. Predecir con precisión la transición de fase de los materiales de la placa de circuito no es una tarea simple o convencional. La fase de señal del PCB de alta velocidad de alta frecuencia depende en gran medida de la estructura de la línea de transmisión que procesa y la constante dieléctrica (dk) del material de la placa de circuito. Cuanto menor sea el DK del medio (por ejemplo, el DK del aire es de aproximadamente 1,0), más rápido se propagarán las ondas electromagnéticas. Con el aumento de dk, la propagación de las ondas se ralentizará, lo que también afectará la respuesta de fase de la señal transmitida. Cuando el DK del medio de transmisión cambia, se produce un cambio de fase de la forma de onda, ya que un DK más bajo o superior hará que la velocidad de la señal en el medio de transmisión sea más rápida o más lenta en consecuencia.

El circuito de PCB DK del material suele ser isotrópico y tiene diferentes valores de DK en tres dimensiones (3d) de longitud, anchura y espesor (correspondientes a los ejes x, y y z). Para algunos tipos especiales de diseño de circuitos, no solo es necesario considerar las diferencias de dk, sino también el impacto de la fabricación de circuitos en la fase. A medida que aumente la frecuencia de funcionamiento de los pcb, la estabilidad de fase y la previsibilidad serán cada vez más importantes, especialmente en las frecuencias de microondas y ondas milimétricas, como los equipos de infraestructura de redes inalámbricas celulares de quinta generación (5g) y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (adas) en vehículos asistidos electrónicamente.

¿Entonces, ¿ qué causó el cambio de DK del material de la placa de circuito? En algunos casos, las diferencias DK en los PCB son causadas por el propio material (por ejemplo, cambios en la rugosidad de la superficie del cobre). En otros casos, el proceso de fabricación de PCB también puede causar cambios en dk. Además, las malas condiciones de trabajo, como las altas temperaturas de trabajo, también pueden causar cambios en el circuito de PCB dk. Estudiar cómo cambia el PCB DK entendiendo las características del material, el proceso de fabricación, el entorno de trabajo e incluso los métodos de prueba dk. De esta manera, se puede comprender y predecir mejor la transición de fase del PCB y minimizar su impacto.

La heterogeneidad es una propiedad importante de los materiales de placas de circuito, y las propiedades de DK son muy similares a las del "tensador" en matemáticas tridimensionales. Los diferentes valores de DK en los tres ejes causan diferencias en el flujo eléctrico y la intensidad del campo eléctrico en el espacio tridimensional. Dependiendo del tipo de línea de transmisión utilizada en el circuito, la fase del Circuito con estructura de acoplamiento puede variar a través de la heterogeneidad del material, y el rendimiento del circuito depende de la dirección de la fase en el material de la placa de circuito. Por lo general, la directividad del material de la placa de circuito varía con el grosor y la frecuencia de trabajo de la placa, y el material con un valor DK más bajo tiene una menor directividad. El refuerzo de relleno también ayuda a este cambio: los materiales de PCB con refuerzo de fibra de vidrio suelen tener una mayor heterogeneidad que los materiales de PCB sin refuerzo de fibra de vidrio. Cuando la fase es un indicador clave y el DK del PCB forma parte del modelado del diseño del circuito, el valor DK entre describir y comparar los dos materiales debe aplicarse al DK en el mismo eje direccional. Para más detalles sobre los diversos factores que cambian el material de PCB dk, incluidos los métodos de medición, consulte el seminario en línea de Rogers "entender cómo los materiales de circuito y la fabricación afectan los cambios y la consistencia de fase del Circuito de PCB DK (entender cómo los materiales de circuito y los procesos de fabricación afectan los cambios y consistencia de fase del Circuito de PCB dk)".

Profundizar en el diseño DK

El DK efectivo del circuito depende de cómo se propagan las ondas electromagnéticas en un tipo específico de línea de transmisión. Dependiendo de la línea de transmisión, una parte de las ondas electromagnéticas se transmitirá a través del material dieléctrico del PCB y otra parte a través del aire alrededor del pcb. El valor DK del aire (aproximadamente 1,00) es inferior al valor de cualquier material de circuito, por lo que el valor DK efectivo es básicamente el valor DK combinado, que se determina por la acción combinada de ondas electromagnéticas que se propagan en el conductor de la línea de transmisión, campos magnéticos que se propagan en el material dieléctrico y ondas eléctricas que se propagan en el aire alrededor de la base. "Design dk" intenta ofrecer un DK más práctico que un "valid dk", ya que tiene en cuenta los efectos combinados de las diferentes tecnologías de líneas de transmisión, métodos de fabricación, cables e incluso métodos de prueba utilizados para medir el dk. el diseño del DK es el valor DK extraído al probar materiales en forma de circuito y el más adecuado para su uso en el diseño y simulación del circuito. El diseño DK no es un DK efectivo del circuito, sino un DK de material determinado por la medición de un DK efectivo. el diseño DK puede reflejar el rendimiento real del circuito.

En los materiales dieléctrico de PCB de diferentes grosores, la rugosidad superficial de la lámina de cobre del conductor tiene diferentes efectos en la respuesta de fase del Circuito de diseño de PCB dk. los materiales más gruesos del sustrato generalmente se ven menos afectados por la rugosidad superficial del conductor de lámina de cobre. Incluso para conductores de lámina de cobre con superficie áspera, el valor de DK de diseño está más cerca del medio DK del material del sustrato. Por ejemplo, el diseño promedio de DK del material de placa de circuito de 6,6 mils ro4350b, de rogers, a 8 a 40 ghz, es de 3,96. Para el mismo material con un grosor de 30 milímetros, en el mismo rango de frecuencia, el DK de diseño se redujo a una media de 3,68. Cuando el espesor de la base del material se duplica nuevamente (60 mils), el DK de diseño es de 3,66, que es el DK inherente al medio del laminado reforzado con fibra de vidrio.

Como se puede ver en el ejemplo anterior, los sustratos más gruesos se ven menos afectados por la rugosidad de la lámina de cobre y los valores de DK de diseño son relativamente Bajos. Sin embargo, si se utilizan placas de circuito más gruesas para producir circuitos de procesamiento, especialmente a frecuencias de onda milimétrica con menor longitud de onda de la señal, es más difícil mantener la consistencia de la amplitud y fase de la señal. Los circuitos de mayor frecuencia suelen ser más adecuados para placas de circuito más delgadas, en las que la parte dieléctrica del material tiene menos impacto en el diseño de DK y el rendimiento del circuito. La pérdida de señal y el rendimiento de fase de los sustratos de PCB más delgados se ven más afectados por los conductores. A la frecuencia de ondas milimétricas, en lo que respecta al diseño DK de los materiales del circuito, también son más sensibles a las características del conductor, como la rugosidad de la superficie de la lámina de cobre, que a los sustratos gruesos.

Cómo elegir un circuito de línea de transmisión

A frecuencias de radiofrecuencia / microondas y ondas milimétricas, los ingenieros de diseño de circuitos utilizan técnicas tradicionales de línea de transmisión como microstrip, banda y guía de onda coplanar de tierra (gcp). Cada tecnología tiene diferentes métodos de diseño, desafíos de diseño y ventajas relacionadas. Por ejemplo, las diferencias en el comportamiento de acoplamiento de los circuitos gcpw afectarán el diseño del circuito dk. para las líneas gcpw estrechamente acopladas y las líneas de transmisión con intervalos estrechos, se puede lograr una propagación electromagnética más eficiente utilizando aire entre áreas de acoplamiento coplanares y minimizando las pérdidas. Al utilizar conductores de cobre más gruesos con paredes laterales más altas de conductores de acoplamiento, el uso de más rutas de aire en la zona de acoplamiento puede minimizar la pérdida del circuito, pero lo más importante es comprender el efecto correspondiente de reducir el espesor de los conductores de cobre.

Muchos factores pueden afectar el diseño DK de un circuito y material de placa de circuito dado. Por ejemplo, el coeficiente de temperatura DK (tcdk) del material de la placa de circuito se utiliza para medir el impacto de la temperatura de trabajo en el diseño DK y el rendimiento. Cuanto menor sea el valor de tcdk, menor será la Dependencia del material de la placa de circuito de la temperatura. Del mismo modo, la alta humedad relativa (rh) puede aumentar el diseño DK del material de la placa de circuito, especialmente para materiales con alta absorción de humedad. Las características del material de la placa de circuito, el proceso de fabricación del circuito y la incertidumbre en el entorno de trabajo afectarán el DK del diseño del material de la placa de circuito de pcb. Solo conociendo estas características y teniendo en cuenta en el proceso de diseño se puede minimizar su impacto.