Tecnologia RF - Selezione del materiale e intermodulazione passiva

Con lo sviluppo della comunicazione wireless e della rete a banda larga, le schede stampate a microonde non sono più semplicemente su alcuni fili metallici isolanti del tessuto del substrato per raggiungere l'interconnessione. In molti casi, il substrato e il conduttore metallico sono diventati parte dell'elemento funzionale. Soprattutto nelle applicazioni rf, dove i componenti interagiscono con il substrato, la progettazione e la produzione di PCB hanno sempre più un impatto critico sulla funzionalità del prodotto. Una porzione tipica di una piastra a microonde hf, mostrata nella figura 1 a sinistra, dove i conduttori sono singoli elementi.

Noi produttori di PCB siamo anche più coinvolti nella progettazione di cose, specialmente per la trasmissione del segnale ad alta frequenza e ad alta velocità. I progettisti devono anche avere una profonda comprensione dei processi di produzione di PCB per produrre PCB qualificati e ad alte prestazioni.

Partiamo da questo numero per introdurre alcuni dei parametri che spesso si contatta, dal superficiale al profondo per fare qualche discussione tecnica, sperando di approfondire la comunicazione e la comunicazione tra progettazione e produzione.

1. Costante dielettrica

La costante dielettrica (DK, ε, Er) determina la velocità del segnale elettrico nel mezzo. La velocità del segnale elettrico è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica. Più bassa è la costante dielettrica, più veloce è la velocità di trasmissione del segnale. Per darti una buona metafora, stai correndo sulla spiaggia e l'acqua è fino alle caviglie. La viscosità dell'acqua è chiamata permittività. Più l'acqua è appiccicosa, più alta è la permittività, più lento si corre.

La costante dielettrica non è molto facile da misurare o definire, non è solo correlata alle proprietà del mezzo stesso, ma anche al metodo di prova, alla frequenza di prova e allo stato del materiale prima e durante la prova. La costante dielettrica varia anche con la temperatura e alcuni materiali speciali sono sviluppati tenendo presente la temperatura. L'umidità è anche un fattore importante nell'influenzare la costante dielettrica, perché la costante dielettrica dell'acqua è 70 e pochissima umidità può causare cambiamenti significativi.

Si può vedere che il materiale ideale per applicazioni PCB ad alta velocità e ad alta frequenza è un mezzo d'aria avvolto in foglio di rame con una tolleranza di spessore di +/-0,00001 Come sviluppo dei materiali, tutti stanno lavorando in questa direzione, come il brevettato Foamclad di Arlon, che è ideale per le antenne delle stazioni base. Tuttavia, non tutti i progetti sono più piccoli la costante dielettrica, meglio, è spesso basato su qualche design pratico, alcuni requisiti del piccolo volume di linee, spesso richiedono materiali ad alta costante dielettrica, come Arlon AR1000 utilizzato in miniatu progettazione di circuiti integrati. Alcuni modelli, come gli amplificatori di potenza, usano comunemente una costante dielettrica di 2,55 (ad esempio Arlon Diclad527, AD255, ecc.), o 3,5 (ad esempio AD350,25N/FR, ecc.). Ci sono anche quelli con una costante dielettrica di 4,5, come l'AD450, che sono principalmente passati dal progetto FR-4 ad applicazioni ad alta frequenza, sperando di continuare con il progetto precedente.

Oltre a influenzare direttamente la velocità di trasmissione del segnale, la costante dielettrica determina anche l'impedenza caratteristica in larga misura, il che rende la corrispondenza caratteristica dell'impedenza particolarmente importante nel circuito di comunicazione a microonde in diverse parti. Se si verifica un disallineamento di impedenza, è anche chiamato VSWR (rapporto di onda standing).

CTEr: Poiché le variazioni costanti dielettriche con la temperatura e i materiali utilizzati nelle applicazioni a microonde sono spesso all'aperto, anche nell'ambiente spaziale, CTEr (Coefficiente di Termico di Er) è anche un parametro chiave. Alcuni PTFE ceramici riempiti in polvere possono avere proprietà molto buone, come il CLTE.

2. Fattore di perdita (tangente di perdita, Df e fattore di dispersione)

Oltre alla costante dielettrica, il fattore di perdita è un parametro importante che influisce sulle proprietà elettriche dei materiali. La perdita dielettrica, nota anche come tangente di perdita, fattore di perdita, ecc., si riferisce alla perdita di segnale nel mezzo, può anche essere detto di essere la perdita di energia. Questo perché le molecole nel mezzo cercano di orientarsi secondo i segnali ad alta frequenza (che si spostano costantemente tra fasi positive e negative) mentre passano attraverso lo strato dielettrico, anche se non possono davvero farlo perché sono reticolate. Ma il cambiamento di frequenza mantiene le molecole in movimento, generando molto calore, con conseguente perdita di energia. Alcuni materiali, come il PTFE, hanno molecole non polari, quindi non saranno influenzati dai cambiamenti del campo elettromagnetico e la perdita è piccola. Analogamente, il fattore di perdita è correlato alla frequenza e al metodo di prova. La regola generale è che maggiore è la frequenza, maggiore è la perdita.

L'esempio più intuitivo è il consumo di energia nella trasmissione. Se la perdita di progettazione del circuito è piccola. La durata della batteria può essere notevolmente aumentata. Quando si riceve il segnale, viene utilizzata la perdita del materiale, la sensibilità dell'antenna al segnale è aumentata e il segnale è più chiaro.

La resina epossidica FR4 comunemente usata (Dk4.5) ha polarità relativamente forte, con una perdita di circa 0,025 a 1GHz, mentre la perdita di substrato PTFE (Dk2.17) in questa condizione è 0,0009. Rispetto alle poliimidi riempite di vetro, le poliimidi riempite di quarzo non solo hanno una costante dielettrica inferiore, ma anche una perdita minore, a causa del contenuto di silicio puro.

La struttura molecolare del PTFE è mostrata nella figura sottostante. Possiamo vedere che la struttura del PTFE è molto simmetrica, con un legame C-F stretto e nessun gruppo polare. Pertanto, con il cambiamento del campo elettromagnetico e la possibilità di oscillazione è molto piccola, mostrata nelle caratteristiche elettriche è una piccola perdita.

3. Coefficiente di espansione termica (CTE)

Il coefficiente di espansione termica, solitamente abbreviato come Coefficiente Termico Efficiente (CTE), è una delle proprietà termomeccaniche importanti dei materiali. Si riferisce all'espansione del materiale quando riscaldato. L'effettiva espansione del materiale si riferisce al cambiamento di volume, ma a causa delle caratteristiche del substrato, tendiamo a considerare rispettivamente l'espansione piana (X-, Y-) e verticale (Z-).

L'espansione termica planare può spesso essere controllata da materiali a strati rinforzati (ad esempio, panno di vetro, quarzo, Thermount), mentre l'espansione longitudinale è sempre difficile da controllare al di sopra della temperatura di conversione del vetro.

CTE piatto è essenziale per l'installazione di pacchetti ad alta densità. Se il chip (di solito CTE tra 6-10 ppm/C) è installato su un PCB convenzionale (CTE 18ppm/C), può causare l'invecchiamento eccessivo dei giunti di saldatura dopo più cicli termici. L'asse Z CTE influisce direttamente sull'affidabilità del foro di semina, specialmente per le schede stampate a microonde.