Tecnologia RF - Influenza dei materiali e della lavorazione sul circuito stampato Dk

Con l'aumento del circuito stampato DK, è sempre più difficile controllare la consistenza di fase dei materiali del circuito stampato (PCB). Prevedere con precisione i cambiamenti di fase dei materiali del circuito stampato non è un compito semplice o di routine. La fase del segnale del PCB ad alta frequenza e ad alta velocità dipende in gran parte dalla struttura della linea di trasmissione da esso elaborata e dalla costante dielettrica (DK) del materiale del circuito stampato. Più basso è il Dk del mezzo (per esempio, il Dk dell'aria è di circa 1,0), più veloce si propaga l'onda elettromagnetica. Con l'aumento di Dk, la propagazione delle onde rallenterà e questo fenomeno influenzerà anche la risposta di fase del segnale propagante. Quando il Dk del mezzo di propagazione cambia, si verificheranno cambiamenti di fase della forma d'onda, perché un Dk inferiore o superiore renderà la velocità del segnale nel mezzo di propagazione corrispondente più veloce o più lenta.

Il circuito PCB DK di materiale è solitamente anisotropico, con diversi valori Dk in tre dimensioni (3D) di lunghezza, larghezza e spessore (corrispondenti agli assi x, Y e Z). Per alcuni tipi speciali di progettazione del circuito, è necessario considerare non solo la differenza di Dk ma anche l'impatto della produzione del circuito sulla fase. La stabilità di fase e la prevedibilità diventeranno sempre più importanti con l'aumento delle frequenze operative dei PCB, in particolare alle frequenze delle microonde e delle onde millimetriche, come le apparecchiature per infrastrutture di rete di comunicazione cellulare wireless di quinta generazione (5G) e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) nei veicoli assistiti elettronicamente.

Quindi cosa provoca il Dk del materiale del circuito stampato a cambiare? In alcuni casi, le differenze nel Dk sul PCB sono causate dal materiale stesso (ad esempio cambiamenti nella rugosità superficiale del rame). In altri casi, i processi di produzione di PCB possono anche causare cambiamenti di DK. Inoltre, un ambiente di lavoro duro (come l'alta temperatura di lavoro) può anche causare il cambiamento del circuito PCB Dk. Comprendendo le caratteristiche dei materiali, il processo di produzione, l'ambiente di lavoro, anche il metodo di prova Dk e altri aspetti per studiare come cambia PCB DK. In questo modo, il cambiamento di fase del PCB può essere meglio compreso e previsto e il suo impatto può essere minimizzato.

L'anisotropia è una proprietà importante dei materiali del circuito stampato, e le proprietà di Dk sono molto simili ai "tensori" nella matematica tridimensionale. I diversi valori Dk sui tre assi portano alla differenza di flusso elettrico e intensità del campo elettrico nello spazio tridimensionale. A seconda del tipo di linea di trasmissione utilizzata nel circuito, la fase di un circuito con una struttura accoppiata può essere cambiata dall'anisotropia del materiale e le prestazioni del circuito dipendono dalla direzione della fase sul materiale del circuito stampato. In generale, l'anisotropia dei materiali del circuito stampato varierà con lo spessore e la frequenza di lavoro della piastra e i materiali con valori di Dk inferiori hanno anisotropia più piccola. Il rinforzo di riempimento contribuisce anche a questo cambiamento: i materiali PCB con rinforzo in fibra di vetro hanno generalmente una maggiore anisotropia rispetto al materiale PCB senza rinforzo in fibra di vetro. Quando la fase è l'indicatore chiave e il Dk del PCB fa parte della modellazione di progettazione del circuito, descrivere e confrontare i valori Dk tra due materiali dovrebbe essere per il Dk sullo stesso asse direzionale. Per informazioni più dettagliate sui vari fattori (compresi i metodi di misurazione) che cambiano il materiale PCB Dk, vedere il webinar di Rogers "Comprendere come i materiali e la fabbricazione dei circuiti PCB possono influenzare la variazione del circuito PCB Dk e la consistenza della fase (capire come i materiali PCB e i processi di produzione influenzano la variazione del PCB Dk e la consistenza della fase).

Uno sguardo approfondito al design Dk

Il Dk effettivo di un circuito dipende da come le onde elettromagnetiche si propagano in un particolare tipo di linea di trasmissione. A seconda della linea di trasmissione, parte dell'onda elettromagnetica sarà trasmessa attraverso il materiale dielettrico del PCB e l'altra parte sarà trasmessa attraverso l'aria intorno al PCB. Il valore Dk dell'aria (circa 1,00) è inferiore a quello di qualsiasi materiale del circuito, quindi il valore effettivo Dk è essenzialmente un valore Dk combinato, che è determinato dall'azione combinata dell'onda elettromagnetica che si propaga nel conduttore della linea di trasmissione, l'onda elettromagnetica che si propaga nel materiale dielettrico e l'onda elettromagnetica che si propaga nell'aria intorno alla base. Il "Design Dk" è un tentativo di fornire un Dk più pratico del "Efficace Dk" perché tiene conto dell'influenza combinata di diverse tecnologie della linea di trasmissione, metodi di produzione, fili e persino i metodi di prova utilizzati per misurare il Dk. Design Dk è il Dk estratto quando si prova materiali in forma di circuito, ed è anche il valore Dk più adatto per l'uso nella progettazione e simulazione di circuiti. Il design Dk non è il Dk effettivo del circuito, ma è il materiale Dk determinato dalla misurazione del Dk effettivo e il design Dk può riflettere la vera prestazione del circuito.

La rugosità superficiale del foglio di rame conduttore in diversi spessori del materiale dielettrico PCB ha effetti diversi sulla risposta di fase del circuito PCB DK di progettazione. I materiali con substrati più spessi sono spesso meno influenzati dalla rugosità superficiale dei conduttori di foglio di rame. Anche per i conduttori di lamina di rame con una superficie ruvida, il valore Dk di progettazione è più vicino al Dk medio del materiale del substrato. Ad esempio, il materiale del circuito RO4350B™ da 6,6 mils di Rogers ha un design Dk medio di 3,96 a 8-40GHz. Per lo stesso materiale con uno spessore di 30 mil, il design Dk è diminuito a una media di 3,68 nello stesso intervallo di frequenza. Quando lo spessore del substrato materiale è raddoppiato di nuovo (60 mil), il design Dk è 3,66, che è il Dk intrinseco del mezzo per questo laminato rinforzato con fibra di vetro.

Dagli esempi di cui sopra, si può vedere che il substrato più spesso è meno influenzato dalla rugosità della lamina di rame e il valore di Dk di progettazione è relativamente inferiore. Tuttavia, se un circuito stampato più spesso viene utilizzato per produrre circuiti di elaborazione, specialmente alle frequenze d'onda millimetriche con lunghezze d'onda del segnale più piccole, è più difficile mantenere la consistenza dell'ampiezza e della fase del segnale. I circuiti ad alta frequenza sono spesso più adatti per circuiti stampati più sottili, dove la parte media del materiale ha meno impatto sulla progettazione Dk e sulle prestazioni del circuito. La perdita di segnale e le prestazioni di fase del substrato PCB più sottile sono più influenzate dal conduttore. Alle frequenze dell'onda millimetrica, in termini di design Dk dei materiali del circuito, sono anche più sensibili alle proprietà del conduttore (come la rugosità superficiale della lamina di rame) rispetto ai substrati più spessi.

Come selezionare un circuito di linea di trasmissione

Alle frequenze RF/microonde e a onde millimetriche, gli ingegneri di progettazione dei circuiti utilizzano le tecnologie convenzionali della linea di trasmissione come microstrip, striscia e guida d'onda complanare a terra (GCP). Ogni tecnologia ha diversi approcci progettuali, sfide progettuali e relativi vantaggi. Ad esempio, le differenze nel comportamento di accoppiamento dei circuiti GCPW influenzeranno la progettazione del circuito DK. Per i circuiti GCPW strettamente accoppiati, così come per le linee di trasmissione con spaziatura stretta, è possibile ottenere una propagazione elettromagnetica più efficiente utilizzando aria tra le aree di accoppiamento complanari e riducendo al minimo le perdite. Utilizzando conduttori in rame più spessi con pareti laterali superiori dei conduttori accoppiati, l'uso di più percorsi d'aria nella regione di accoppiamento può ridurre al minimo le perdite di circuito, ma è più importante comprendere gli effetti corrispondenti della riduzione dello spessore del conduttore in rame.

Molti fattori possono influenzare il design Dk per un dato circuito e materiale del circuito stampato. Ad esempio, il coefficiente di temperatura Dk (TCDk) dei materiali del circuito stampato viene utilizzato per misurare l'influenza della temperatura di lavoro sul design Dk e sulle prestazioni. Un valore inferiore di TCDk significa che i materiali del circuito stampato hanno una minore dipendenza dalla temperatura. Allo stesso modo, l'elevata umidità relativa (RH) può aumentare il Dk di progettazione dei materiali del circuito stampato, specialmente per i materiali con elevato assorbimento di umidità. Le caratteristiche dei materiali del circuito stampato, il processo di produzione del circuito e le incertezze nell'ambiente di lavoro influenzeranno il circuito stampato di progettazione Dk dei materiali. Solo comprendendo queste caratteristiche e tenendo conto di esse nel processo di progettazione è possibile ridurre al minimo il loro impatto.