Tecnologia RF - Analisi dell'influenza dei materiali e delle lavorazioni sul circuito PCB Dk e sulla consistenza di fase

Analisi dell'influenza dei materiali e delle lavorazioni sul circuito PCB Dk e sulla consistenza di fase

Man mano che la frequenza continua ad aumentare, diventa sempre più difficile controllare la consistenza di fase dei materiali del circuito stampato (PCB). Prevedere con precisione il cambiamento di fase dei materiali del circuito stampato non è un compito semplice o di routine. La fase del segnale di un PCB ad alta frequenza e ad alta velocità dipende in larga misura dalla struttura della linea di trasmissione elaborata da esso 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. Man mano che Dk aumenta, la propagazione dell'onda rallenterà, e questo fenomeno avrà anche un impatto sulla risposta di fase del segnale propagante. Quando il Dk del mezzo di propagazione cambia, la fase della forma d'onda cambierà, perché un Dk inferiore o superiore renderà la velocità del segnale nel mezzo di propagazione più veloce o più lenta.

Il Dk dei materiali del circuito stampato è solitamente anisotropico, con valori Dk differenti nelle tre dimensioni (3D) di lunghezza, larghezza e spessore (corrispondenti agli assi x, y e z). Per alcuni tipi speciali di progettazione del circuito, non solo la differenza in Dk deve essere considerata, ma anche l'influenza dell'elaborazione e della produzione del circuito sulla fase. Con l'aumento della frequenza di funzionamento del PCB, in particolare alle frequenze delle onde a microonde e millimetriche, come: apparecchiature di infrastruttura della rete di comunicazione wireless cellulare di quinta generazione (5G), sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) nei veicoli assistiti elettronici, fase La stabilità e la prevedibilità diventeranno sempre più importanti.

Quindi cosa ha causato il Dk del materiale del circuito stampato a cambiare? In alcuni casi, la differenza di Dk sul PCB è causata dal materiale stesso (come cambiamenti nella rugosità superficiale del rame). In altri casi, il processo di produzione del PCB causerà anche cambiamenti in Dk. Inoltre, l'ambiente di lavoro duro (come temperatura di lavoro più elevata) cambierà anche il Dk del PCB. Attraverso la comprensione delle caratteristiche dei materiali, dei processi di produzione, dell'ambiente di lavoro e persino dei metodi di prova Dk, come studiare i cambiamenti nel PCB Dk. Questo può comprendere e prevedere meglio il cambiamento di fase del PCB e minimizzare il suo impatto.

L'anisotropia è una caratteristica importante dei materiali del circuito stampato, e la caratteristica di Dk è molto simile al "tensore" nella matematica tridimensionale. I diversi valori Dk sui tre assi determinano la differenza tra flusso elettrico e forza del campo elettrico nello spazio tridimensionale. Secondo il tipo di linea di trasmissione utilizzata nel circuito, la fase del circuito con la struttura di accoppiamento 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 del materiale del circuito stampato varierà con lo spessore della scheda e la frequenza di funzionamento e il materiale con un valore di Dk inferiore è meno anisotropia. I materiali di rinforzo riempiti possono anche causare questo cambiamento: rispetto ai materiali dei circuiti stampati senza rinforzo in fibra di vetro, i materiali dei circuiti stampati con rinforzo in fibra di vetro hanno generalmente una maggiore anisotropia. Quando la fase è l'indicatore chiave e il Dk del PCB fa parte della modellazione di progettazione del circuito, la descrizione e il confronto del valore Dk tra i due materiali dovrebbero essere per il Dk sullo stesso asse. Per informazioni più dettagliate sui vari fattori (compresi i metodi di misurazione) che modificano il Dk dei materiali del circuito stampato, fare riferimento al webinar Rogers "Comprendere come i materiali del circuito e la fabbricazione possono influenzare la variazione del Dk del PCB e la consistenza della fase" In che modo il processo di produzione influisce sul cambiamento del Dk del PCB e sulla consistenza di fase)".

Discussione approfondita sul design Dk

Il Dk effettivo di un circuito dipende da come le onde elettromagnetiche si propagano in un tipo specifico di linea di trasmissione. A seconda della linea di trasmissione, una parte dell'onda elettromagnetica si propaga attraverso il materiale dielettrico del PCB e l'altra parte si propaga attraverso l'aria intorno al PCB. Il valore Dk dell'aria (circa 1,00) è inferiore a qualsiasi materiale del circuito. Pertanto, il valore effettivo Dk è essenzialmente un valore combinato Dk, che consiste in onde elettromagnetiche che si propagano nel conduttore della linea di trasmissione, onde elettromagnetiche che si propagano in materiali dielettrici e si propagano nell'aria intorno al substrato Determinate dall'azione combinata delle onde elettromagnetiche. "Design Dk" tenta di fornire un Dk più pratico di "efficace Dk", perché "Design Dk" considera anche gli effetti completi di diverse tecnologie della linea di trasmissione, metodi di produzione, fili e persino metodi di prova per misurare Dk. Il design Dk è il Dk estratto quando il materiale viene testato nella forma del 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 misurando il Dk effettivo. 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 sul design Dk e sulla risposta di fase del circuito. I materiali con substrati più spessi tendono ad essere meno influenzati dalla rugosità superficiale dei conduttori in lamina di rame. Anche per i conduttori di lamina di rame con superfici più ruvide, il valore Dk di progettazione in questo momento è più vicino al Dk dielettrico del materiale del substrato. Ad esempio, il materiale RO4350B™ del circuito di Rogers da 6,6 mil ha un valore medio di progettazione Dk di 3,96 da 8 a 40 GHz. Per lo stesso materiale con uno spessore di 30 mil, il design Dk scende a 3,68 in media nella stessa gamma di frequenza. Quando lo spessore del substrato materiale è raddoppiato di nuovo (60 mil), il design Dk è 3,66, che è fondamentalmente il Dk inerente al mezzo di questo laminato rinforzato con fibra di vetro.

Si può vedere dagli esempi di cui sopra che il substrato dielettrico più spesso è meno influenzato dalla rugosità della lamina di rame e il valore Dk di progettazione è relativamente inferiore. Tuttavia, se i circuiti stampati più spessi vengono utilizzati per produrre ed elaborare circuiti, specialmente alle frequenze d'onda millimetriche dove la lunghezza d'onda del segnale è piccola, sarà più difficile mantenere la consistenza dell'ampiezza e della fase del segnale. I circuiti con frequenze più elevate sono spesso più adatti per circuiti stampati più sottili e la parte dielettrica del materiale ha meno impatto sulla progettazione Dk e sulle prestazioni del circuito in questo momento. I substrati PCB più sottili saranno maggiormente influenzati dai conduttori in termini di perdita di segnale e prestazioni di fase. Alle frequenze d'onda millimetriche, per quanto riguarda la progettazione Dk dei materiali del circuito, sono più sensibili alle caratteristiche del conduttore (come la rugosità superficiale della lamina di rame) rispetto ai substrati più spessi.

Come scegliere un circuito di linea di trasmissione

Alle frequenze di onda RF/microonde e millimetrica, gli ingegneri di progettazione dei circuiti utilizzano principalmente le seguenti tecnologie convenzionali della linea di trasmissione, come: linea microstrip, linea strip e guida d'onda complanare messa a terra (GCPW). Ogni tecnologia ha diversi metodi di progettazione, sfide progettuali e relativi vantaggi. Ad esempio, la differenza nel comportamento di accoppiamento del circuito GCPW influenzerà la progettazione del circuito Dk. Per i circuiti GCPW strettamente accoppiati e le linee di trasmissione strettamente distanziate, utilizzando l'aria tra le regioni di accoppiamento complanare può ottenere una propagazione elettromagnetica più efficiente e ridurre le perdite. Al minimo. Utilizzando conduttori in rame più spessi, le pareti laterali dei conduttori di accoppiamento sono più alte e l'uso di più percorsi d'aria nell'area di accoppiamento può ridurre al minimo le perdite del circuito, ma è più importante comprendere i cambiamenti corrispondenti causati dalla riduzione dello spessore dell'impatto del conduttore in rame.

Molti fattori possono influenzare il design Dk di un dato circuito e materiale della scheda. Ad esempio, il coefficiente di temperatura Dk (TCDk) del materiale del circuito stampato viene utilizzato per misurare l'influenza della temperatura di esercizio sul design Dk e sulle prestazioni. Un valore TCDk inferiore indica che il materiale del circuito stampato ha una minore dipendenza dalla temperatura. Allo stesso modo, l'elevata umidità relativa (RH) aumenterà anche il Dk di progettazione dei materiali del circuito stampato, specialmente per i materiali con elevato assorbimento di umidità. Le caratteristiche del materiale del circuito stampato, il processo di produzione del circuito e i fattori incerti nell'ambiente di lavoro influenzeranno tutti la progettazione Dk del materiale del circuito stampato. Solo comprendendo queste caratteristiche e considerando pienamente questi fattori nel processo di progettazione può essere minimizzato il loro impatto.