Technologie PCB - Analyse de l'effet de fibre de verre des matériaux de carte PCB à la fréquence d'onde millimétrique ​

Analyse de l'effet de fibre de verre des matériaux de carte PCB à la fréquence d'onde millimétrique

Généralement, pour améliorer la résistance du matériau de la carte de circuit imprimé, la méthode la plus courante consiste à ajouter des fibres de verre / tissu à la couche diélectrique de la carte de circuit imprimé (PCB). Même le PCB le plus mince, une fois la fibre de verre ajoutée, sa résistance peut être améliorée. Mais à quel prix? Quel est le compromis de performance? Le verre a ses propres caractéristiques matérielles. Quel effet a - t - il sur les propriétés électriques d'un circuit lorsqu'il est combiné avec le matériau diélectrique et le matériau de feuille de cuivre de surface qui constituent le matériau de la carte de circuit haute fréquence? Ce blog tentera de "donner un aperçu" de l'impact de la fibre de verre sur les cartes haute fréquence, en particulier les circuits à ondes millimétriques. Parce que les cartes à ondes millimétriques deviennent de plus en plus importantes dans les systèmes de Radar automobile émergents (77 GHz) et les systèmes de communication sans fil cellulaires de cinquième génération (5G).

En mélangeant les fibres de verre avec les différentes résines formant le matériau de la carte, la résistance et la durabilité de la carte de circuit imprimé ainsi formée seront grandement améliorées. Lorsque la carte nécessite une résistance mécanique élevée, il est possible de mélanger une ou plusieurs couches de tissu de verre dans un substrat diélectrique et de mélanger des matériaux céramiques ensemble en tant que garnissage pour obtenir une résistance mécanique élevée. Rogersâ ro4830â ¢ stratifié utilise cette méthode. Cependant, les fibres de verre sont généralement des structures tissées qui ont une constante diélectrique (DK) plus élevée que les matériaux diélectriques (et les charges céramiques). Tout au long du processus de mélange, les matériaux ayant des valeurs de DK différentes n'atteignent généralement pas une distribution parfaitement homogène, ce qui entraîne des variations de DK sur une petite surface pour les matériaux de carte de circuit imprimé ayant des tailles et des espacements différents. Ce changement de DK n'est peut - être pas aussi important aux fréquences RF et micro - ondes, mais il peut avoir un impact plus important aux fréquences millimétriques avec des longueurs d'onde plus petites.

Cet effet de la fibre de verre sur les propriétés du circuit du matériau de la carte est appelé effet verre (gwe) ou effet fibre (fwe). La fibre de verre est une partie renforcée du matériau PCB et elle aide vraiment à créer un matériau de carte de circuit imprimé ultra - mince et durable. Les matériaux plus minces présentent des avantages évidents pour les applications nécessitant un boîtier compact, et ils sont bien adaptés aux applications de circuits à plus haute fréquence et à faible longueur d'onde, tels que les circuits à ondes millimétriques à 28 GHz ou à des fréquences supérieures.

Idéalement, le matériau de la carte de circuit imprimé comprendra de la fibre de verre et une feuille de cuivre pour des performances constantes. La fibre de verre n'est pas seulement un point focal pour les applications d'ondes millimétriques, mais elle affecte également les circuits numériques à haute vitesse, affectant les retards de transmission et les distorsions entre les signaux adjacents, ainsi que les différences de synchronisation (entraînant une augmentation du taux d'erreur de Code). Ce blog se concentrera sur la façon dont l'effet de fibre de verre gwe affecte 77 GHz et d'autres circuits d'ondes millimétriques.

Identifier les changements

Aux fréquences millimétriques, même de légères variations du matériau de la carte DK entraînent des variations des caractéristiques électriques telles que le retard du signal et la différence de phase de la ligne de transmission. Pour les circuits plus minces, bien que la fibre de verre augmente la résistance, elle augmente également le DK beaucoup plus élevé que le matériau diélectrique environnant. Le DK des fibres de verre est d'environ 6,0 et celui du matériau diélectrique est d'environ 2,1 - 2,6, ce qui permet d'obtenir un DK total d'environ 3,0 après mélange. Les fibres / tissus de verre utilisés pour former des PCB haute fréquence ne sont généralement pas un maillage parfait et peuvent se déformer en raison du transport et de la manipulation avant la fabrication du matériau de la carte.

En outre, le câblage du circuit sur un matériau PCB haute fréquence peut également entraîner un effet de fibre de verre ayant un impact plus ou moins important sur les performances de l'ensemble du circuit. Le tissu de verre est tissé à partir de fibres de verre, dont le motif présente les caractéristiques suivantes: dans une petite zone de matériau de carte de circuit imprimé, il y aura des superpositions entrelacées de fibres de verre à certains endroits, mais il y a des espaces vides et pas de fibres de verre à certains endroits. Les différences de performances des lignes de transmission se produisent dans les zones où ces fibres de verre sont entrelacées. Les zones avec plus de fibres de verre sont appelées « zones de faisceau de doigts» et les zones avec moins de verre sont appelées « zones ouvertes de faisceau». La valeur DK sera plus élevée dans la « zone d'intersection de la charnière» que dans la « zone d'ouverture du faisceau» avec moins de fibre de verre. En raison de la nature mixte des matériaux de la carte, les lignes de transmission peuvent traverser des zones de fibres de verre trop élevées, des zones sans verre ou traverser les deux simultanément en zigzag "z", ce qui entraînera le passage d'une même ligne de transmission à des endroits différents de DK. Les performances varient considérablement.

Les effets de la fibre de verre deviennent de plus en plus importants à mesure que la fréquence augmente ou à des vitesses numériques plus élevées, et le personnel de R & D sur les matériaux de carte de circuit imprimé tente de minimiser ces effets avec différents types de fibres de verre et de motifs. Les matériaux de carte de circuit pour circuits à ondes millimétriques utilisent généralement les différents types de fibres de verre suivants, à savoir: tissu de verre équilibré ouvert de type 106, tissu de verre déséquilibré ouvert de type 1080 et tissu de verre équilibré ouvert à fibres plates de type 1078. Les trois fibres de verre sont relativement minces. Par tissage « équilibré », on entend ici le rapport entre l'épaisseur et la densité des fils de chaîne de verre sur l'axe X des fibres de verre et des fils de trame sur l'axe Y. Les zones d'ouverture entre les faisceaux de fils de fibre de verre peuvent avoir des géométries différentes, mais l'épaisseur et la densité des fils de fibre de verre déterminent leur équilibre ou non. 1078 le tissu de verre a une structure de tissage à ouverture de fibre plate et est réparti uniformément dans le matériau sans zone d'ouverture de fibre; Bien que les matériaux des tissus de verre 106 et 1080 soient différents, des ouvertures existent entre les fibres de verre tissées.

77 GHz différence

L'étude de différents matériaux de carte de type tissu de verre a révélé que les circuits de ligne de transmission sont situés dans différentes « zones d'Intersection» et « zones d'ouverture de faisceau» de fibre de verre et que leurs performances varient considérablement. À partir des matériaux de carte de circuit imprimé des trois types typiques de tissu de verre ci - dessus, des cartes de circuit imprimé pour la mesure ont été conçues. Le matériau utilise du cuivre calandré pour minimiser l'impact de la rugosité de la Feuille de cuivre et sélectionne des circuits passant par la « zone de croisement du charnon» et la « zone d'ouverture du faisceau» pour les mesures avec un analyseur de réseau. Les paramètres mesurés comprennent le retard de groupe, le retard de propagation et la réponse angulaire de phase de chaque circuit, ainsi que les différences de performance qui en résultent, afin de mieux comprendre comment différentes fibres de verre et différentes structures de tissage de verre produisent différentes valeurs de DK dans le circuit.

Pour cette expérience, on a utilisé un matériau en polytétrafluoroéthylène (PTFE) de 4 Mil d'épaisseur, sans charge, en cuivre calandré et une combinaison des trois tissus de verre différents décrits ci - dessus. Le matériau de carte de circuit imprimé en fibre de verre de type 1078 a une configuration plate et équilibrée qui minimise la différence entre la direction de la « zone d'intersection du charnon» au circuit et la direction de la « zone d'ouverture du faisceau». Les résultats des tests montrent que les circuits réalisés avec ce type de matériau de carte de circuit 1078 en fibre de verre ont une différence de phase de seulement 20 degrés à la fréquence de 77 GHz.

Comment se comparent les propriétés des deux autres fibres de verre? Le même matériau de stratifié de cuivre laminé non chargé de PTFE de 4mil d'épaisseur. Les fibres de verre de type 106 utilisées ont une structure à tissage ouvert et équilibrée. Angle de phase dans la direction de la "zone de croisement du noeud de direction" et de la "zone ouverte du faisceau" à 77 GHz. La différence moyenne est de 100 degrés. Le tissu de verre de type 1080 utilisé dans le même matériau de circuit a une structure à tressage ouvert et déséquilibrée et le circuit présente une différence d'angle de phase moyenne de 149 degrés à la fréquence de 77 GHz.

Quelles sont les différences de DK dans le matériau de la carte en raison de ces différences causées par l'effet de la fibre de verre? Les résultats du même circuit décrits ci - dessus montrent que pour un circuit utilisant un matériau de tissu de verre 1078, la différence entre le circuit dans la "zone de traverse de charnière" et le circuit dans la "zone d'ouverture du faisceau" correspond à une variation de DK d'environ 0,02. Avec un matériau de tissu de verre de type 106, la différence de DK est relativement grande, à 0,09. La différence maximale DK correspondent à un circuit utilisant un matériau de tissu de verre de type 1080 atteint 0,14.

Pour les stratifiés de circuits utilisant une seule couche de fibres de verre, l'effet de la fibre de verre est plus prononcé que pour les stratifiés de verre multicouches, car l'empilement moyen de plusieurs fibres de verre permet une distribution plus uniforme du verre. Pour les circuits à ondes millimétriques, les longueurs d'onde sont très faibles, les circuits habituels sont très minces et le matériau n'est généralement renforcé que par une seule couche de fibres de verre. Dans ce cas, les performances du circuit seront plus affectées par l'effet de la fibre de verre. Les stratifiés avec des charges (comme les céramiques) ont ce matériau supplémentaire (DK est intermédiaire entre DK pour le verre et DK pour le système de résine) et, bien qu'il ne résolve pas complètement l'effet de fibre de verre, il rend le circuit électrique dans une certaine mesure. DK sur le matériau de la carte est plus uniforme pour réduire l'effet de fibre de verre à haute fréquence. Par exemple, le stratifié ro4830â, fabriqué par Rogers, est ce matériau de circuit, avec un tissu de fibre de verre à ouverture plate 1078 et une garniture en céramique.

En outre, le stratifié rogersâ ro3003â ne contient pas de tissu de verre et est l'un des matériaux de carte de circuit couramment utilisés pour les circuits à ondes millimétriques. Il s'agit d'un matériau de PCB rempli de céramique avec un DK de 3,00 et une tolérance DK contrôlée à ± 0,04. Cette cohérence DK est essentielle pour les paires différentielles dans les circuits à ondes millimétriques et les circuits numériques à grande vitesse.

Enlever la fibre de verre

Une façon d'éviter complètement l'effet de la fibre de verre est d'utiliser un matériau de carte sans fibre de verre / tissu. En particulier pour les circuits Radar automobiles, tels que l'utilisation d'ondes millimétriques de 77 GHz, l'utilisation d'un matériau de carte de circuit haute fréquence sans fibre de verre est bien meilleure que l'utilisation d'un matériau de carte de circuit renforcé de fibre de verre. Le dernier stratifié de circuit ro3003g2â® de Rogers est également un matériau sans tissu de verre. Les tests ont montré qu'il avait des performances très cohérentes entre les différentes cartes à des fréquences d'ondes millimétriques, telles qu'une impédance de ligne de transmission microruban cohérente.

D'autres paramètres de matériau ou de circuit, tels que les variations de la largeur du conducteur, de l'épaisseur du cuivre et de l'épaisseur du substrat, peuvent également entraîner des variations de l'impédance de la ligne de transmission lorsqu'il s'agit de variations d'impédance. Cependant, la dernière version du matériau de carte haute fréquence ro3003g2 élimine complètement les facteurs d'effet de fibre de verre qui affectent l'impédance ou les changements de performance du circuit, ce qui est essentiel pour les fréquences de 77 GHz et plus.

Note: ce blog est basé sur le rapport de webinaire de l'auteur original "Overview of the Impact of Glass weave on mmwave PCB performance" (Overview of the Impact of Glass weave on mmwave PCB performance).

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