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Análisis del efecto de fibra de vidrio de los PCB a frecuencias de onda milimétrica
Normalmente, Para mejorar la resistencia del material de la placa de circuito, El método más común es añadir fibra de vidrio/Tela Placa de circuito impreso(PCB) dielectric layer. Incluso el PCB más delgado, Una vez añadida la fibra de vidrio, Su fuerza puede aumentar. ¿Pero a qué precio?? Cuáles son las compensaciones de rendimiento? El vidrio tiene sus propias propiedades materiales. Cuando se combina con materiales dieléctricos y de superficie de cobre que componen materiales de placas de circuitos de alta frecuencia, Qué efecto tiene en el rendimiento eléctrico del circuito? Este blog tratará de "ver" el impacto de la fibra de vidrio en los circuitos de alta frecuencia, Especialmente el circuito de onda milimétrica. Porque Placa de circuito de onda milimétrica are becoming more and more important in emerging automotive radar systems (77GHz) and fifth-generation (5G) cellular wireless communication systems.
Mediante la mezcla de fibra de vidrio con varias resinas que forman el material de la placa de circuito impreso, la resistencia y durabilidad de la placa de circuito impreso formada de esta manera se mejorarán en gran medida. Cuando una placa de circuito requiere una alta resistencia mecánica, una o más capas de tela de vidrio se pueden mezclar en un sustrato dieléctrico y materiales cerámicos se pueden mezclar juntos como relleno para lograr una alta resistencia mecánica. El laminado Rogers ro4830 utiliza este método. Sin embargo, las fibras de vidrio son típicamente estructuras trenzadas con constantes dieléctricas (DK) más altas que los materiales dieléctricos (y los rellenos cerámicos). Los materiales con diferentes valores de DK generalmente no pueden lograr una distribución uniforme Perfect a durante todo el proceso de mezcla, lo que resulta en que los materiales con diferentes tamaños y espacios de DK cambian en un área pequeña. Este cambio de DK puede no ser importante en las frecuencias de radiofrecuencia y microondas, pero tiene un mayor impacto en las frecuencias de onda milimétrica más pequeñas.
El efecto de la fibra de vidrio en el rendimiento del Circuito de los materiales de la placa de circuito se llama efecto de vidrio (gwe) o efecto de fibra (fwe). La fibra de vidrio es una parte reforzada del material de PCB, lo que realmente ayuda a hacer un material de placa de circuito muy delgado y duradero. Los materiales más delgados tienen una ventaja obvia en aplicaciones con requisitos de embalaje compactos, y son ideales para aplicaciones de circuitos de mayor frecuencia y menor longitud de onda, como circuitos de onda milimétrica de 28 GHz o mayor frecuencia.
Idealmente, el material de la placa de circuito impreso incluirá fibra de vidrio y lámina de cobre para lograr un rendimiento consistente. La fibra de vidrio no sólo es el foco de la aplicación de ondas milimétricas, sino que también afecta a los circuitos digitales de alta velocidad, el retraso de transmisión y la distorsión entre las señales adyacentes, as í como la diferencia de tiempo (lo que resulta en un aumento de la tasa de error de bits). Este blog se centrará en cómo el efecto de fibra de vidrio gwe afecta a 77ghz y otros circuitos de onda milimétrica.
Identificar cambios
A frecuencias de onda milimétrica, incluso pequeños cambios en el material de la placa de circuito DK pueden conducir a cambios en las características eléctricas, como el retraso de la señal y la diferencia de fase de la línea de transmisión. Para circuitos más delgados, aunque la fibra de vidrio aumenta la resistencia, también aumenta DK, que es mucho mayor que el material dieléctrico circundante. La DK de la fibra de vidrio es de aproximadamente 6,0, la DK del material dieléctrico es de aproximadamente 2,1 - 2,6, y la DK total de aproximadamente 3,0 se puede obtener después de la mezcla. Las fibras / telas de vidrio utilizadas para formar PCB de alta frecuencia no suelen ser mallas perfectas y pueden deformarse debido al transporte y la manipulación antes de la fabricación del material de PCB.
Además, el cableado del Circuito en el material de PCB de alta frecuencia también puede causar que el efecto de fibra de vidrio tenga un efecto más o menos en el rendimiento de todo el circuito. La tela de vidrio está hecha de fibra de vidrio, y el patrón tiene las siguientes características: en el área pequeña del material de la placa de Circuito, algunos lugares tendrán fibra de vidrio entrelazada y superpuesta, pero algunos lugares tienen huecos, no fibra de vidrio. Las diferencias de rendimiento de las líneas de transmisión se producen en las regiones entrelazadas de estas fibras de vidrio. Las regiones con más fibra de vidrio se denominan "regiones de unión" y las regiones con menos fibra de vidrio se denominan "regiones abiertas de unión". El valor DK de la "zona de cruce" será mayor que el de la "zona de apertura del bulto" con menos fibra de vidrio. Debido a la naturaleza mixta del material de la placa de Circuito, las líneas de transmisión pueden pasar a través de áreas de fibra de vidrio, áreas sin vidrio, o "zigzag" a través de ambas áreas, lo que resulta en la misma línea de transmisión a través de diferentes lugares en DK. Es una gran diferencia de rendimiento.
A medida que aumenta la frecuencia o a velocidades digitales más altas, los efectos de fibra de vidrio se vuelven cada vez más importantes, y los investigadores de materiales de placas de circuitos tratan de minimizar estos efectos a través de diferentes tipos de fibra de vidrio y patrones. Los siguientes tipos diferentes de fibra de vidrio se utilizan comúnmente en los materiales de placas de circuitos de ondas milimétricas, a saber, la tela de vidrio trenzado de equilibrio de apertura tipo 106, la tela de vidrio trenzado de desequilibrio de apertura tipo 1080 y la tela de vidrio trenzado de equilibrio de apertura de fibra plana tipo 1078. Las tres fibras de vidrio son relativamente delgadas. El tejido "equilibrado" aquí se refiere a la relación entre el espesor y la densidad de la urdimbre de vidrio en el eje X de la fibra de vidrio y la trama en el eje y. La región de apertura entre las hebras de fibra de vidrio puede tener diferentes geometrías, pero el espesor y la densidad de los hilos de fibra de vidrio determinan su equilibrio. La tela de vidrio 1078 tiene una estructura plana de tejido de apertura de fibra y se distribuye uniformemente en materiales sin área de apertura de fibra. Aunque los materiales de las telas de vidrio 106 y 1080 son diferentes, hay aberturas entre las fibras de vidrio tejidas.
Diferencia de 77 GHz
El estudio de diferentes tipos de materiales de placas de circuitos de fibra de vidrio muestra que los circuitos de línea de transmisión se encuentran en diferentes "áreas de cruce" de fibra de vidrio y "áreas de apertura de haz", y su rendimiento será significativamente diferente. El circuito de medición está diseñado de acuerdo con los tres tipos típicos de material de placa de circuito de tela de vidrio. El material utiliza cobre calandrado para minimizar el efecto de la rugosidad de la lámina de cobre, y los circuitos que pasan a través de la "zona de cruce de articulaciones" y la "zona de apertura del haz" se miden utilizando un analizador de red. Los parámetros de medición incluyen el retardo de grupo, el retardo de propagación y la respuesta del ángulo de fase de cada circuito, as í como las diferencias de rendimiento resultantes, con el fin de comprender mejor cómo diferentes fibras de vidrio y diferentes estructuras de tejido de vidrio producen diferentes valores DK en el circuito.
En este experimento se utilizaron materiales de Politetrafluoroetileno (PTFE) de 4 milímetros de espesor, sin relleno, cobre calandrado y la combinación de tres tipos de tela de vidrio. El material de la placa de circuito de fibra de vidrio tipo 1078 tiene una configuración plana y equilibrada que minimiza la diferencia entre la dirección de la "zona de cruce conjunto" del circuito y la dirección de la "zona de apertura del haz". Los resultados de las pruebas muestran que la diferencia de fase de los circuitos fabricados a partir de este tipo de placa de circuito de fibra de vidrio 1078 es de sólo 20 grados a una frecuencia de 77 GHz.
¿Cómo se comparan las propiedades de las otras dos fibras de vidrio? Laminado de cobre laminado sin relleno de PTFE de 4 mils de espesor. La fibra de vidrio tipo 106 utilizada tiene una estructura abierta de tejido y equilibrio. El ángulo de fase de la zona de cruce y la zona de haz abierto es de 77 GHz, con una diferencia media de 100 grados. La tela de vidrio tipo 1080 utilizada en el mismo material de circuito tiene una estructura abierta trenzada y desequilibrada con una diferencia media de ángulo de fase de 149 grados a 77 GHz.
¿Cuál es la diferencia DK en el material de la placa de circuito causada por estas diferencias causadas por el efecto de fibra de vidrio? Los resultados del mismo Circuito muestran que la diferencia entre el circuito en la zona transversal del nudillo de dirección y el circuito en la zona de apertura del haz corresponde a un cambio de DK de aproximadamente 0,02 para el circuito que utiliza material de tela de vidrio 1078. Cuando se utiliza el material de tela de vidrio tipo 106, la diferencia de DK es relativamente grande, es decir, 0,09. La diferencia máxima de DK correspondiente al circuito que utiliza el material de tela de vidrio tipo 1080 es de 0,14.
En el caso de los laminados de circuito que utilizan una sola capa de fibra de vidrio, el efecto de la fibra de vidrio es más pronunciado que en el caso de los laminados de vidrio multicapa, ya que la pila media de múltiples fibras de vidrio hará que la distribución del vidrio sea más uniforme. Para los circuitos de onda milimétrica, la longitud de onda es muy pequeña, por lo general los circuitos son muy delgados, y el material es generalmente reforzado por una sola capa de fibra de vidrio. En este caso, el rendimiento del circuito se verá más afectado por el efecto de fibra de vidrio. Los laminados con relleno (por ejemplo, cerámica) tienen este material adicional (DK entre el DK del vidrio y el DK del sistema de resina), aunque no puede resolver completamente el efecto de fibra de vidrio, en cierta medida hará que el DK en el material del tablero de circuitos sea más uniforme para reducir el efecto de fibra de vidrio a altas frecuencias. El laminado ro4830? Producido por Rogers Corporation, por ejemplo, es el material de Circuito, con una tela de fibra de vidrio de apertura plana 1078 y relleno cerámico.
Además, Rogers ro3003 laminado no contiene tela de vidrio, es un circuito de onda milimétrica utilizado comúnmente como uno de los materiales de la placa de circuito. Se trata de un material de PCB lleno de cerámica, DK es de 3,00 y la tolerancia DK se controla dentro de ± 0,04. Esta consistencia DK es esencial para la diferencia entre el circuito de onda milimétrica y el circuito digital de alta velocidad.
Eliminación de fibra de vidrio
Una forma de evitar completamente el efecto de la fibra de vidrio es utilizar un material de tablero de circuitos que no contenga fibra / tela de vidrio. Especialmente para circuitos de radar de automóviles que utilizan ondas milimétricas de 77 GHz, el uso de materiales de circuitos de alta frecuencia sin fibra de vidrio es mucho mejor que el uso de materiales de circuitos de fibra de vidrio. El nuevo laminado Rogers ro3003g2? Circuit también es un material libre de tela de vidrio. Los resultados de las pruebas muestran que tiene un rendimiento muy consistente entre las diferentes placas de circuitos en la frecuencia de onda milimétrica, como la Impedancia de la línea de transmisión MICROSTRIP consistente.
Cuando se trata de cambios de impedancia, Otros parámetros de materiales o circuitos, Por ejemplo, cambios en la anchura del conductor, Espesor del cobre, Espesor del sustrato, También puede causar cambios en la Impedancia de la línea de transmisión. Sin embargo,, Nuevo lanzamiento Placa de alta frecuencia ro3003g2 El material elimina completamente los factores de influencia de la fibra de vidrio que influyen en la impedancia o el rendimiento del circuito., Esto es esencial para 77ghz y frecuencias más altas.
Nota: este blog se basa en el informe del Webinar del autor original, "Overview of the Effects of Glass fabrics on the Performance of mmw PCB" (Overview of the Effects of Glass fabrics on mmw PCB).
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