Tecnologia RF - Come selezionare i materiali PCB RF

Con lo sviluppo della comunicazione wireless e della rete a banda larga, PCB non è più semplicemente posare fili metallici su alcuni substrati isolanti per realizzare l'interconnessione dei circuiti. In molti casi, Substrati PCB RF e conduttori metallici sono diventati parte di componenti funzionali. Soprattutto nelle applicazioni RF, i componenti interagiscono con il substrato PCB, Quindi la progettazione di PCB e la produzione di PCB hanno sempre più un impatto critico sulle funzioni del prodotto. Come mostrato nella figura sottostante, i conduttori su un tipico PCB RF a microonde sono tutti componenti.

Il nostro Produttori di PCB RF sono anche più coinvolti in cose relative alla progettazione RF, in particolare nella trasmissione di segnali ad alta frequenza e ad alta velocità. Allo stesso modo, I progettisti di PCB devono avere una profonda comprensione del processo di produzione di PCB al fine di produrre in modo completo PCB qualificati e ad alte prestazioni.

1. Costante dielettrica (DK)

La costante dielettrica (Dk, ε， Er) determina la velocità di propagazione del segnale elettrico nel mezzo. La velocità di propagazione del segnale elettrico è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica. Più bassa è la costante dielettrica, più veloce è la trasmissione del segnale. Facciamo un'analogia visiva, proprio come stai correndo sulla spiaggia. La profondità dell'acqua immerge le caviglie. La viscosità dell'acqua è la costante dielettrica. Più viscosa è l'acqua, più alta è la costante dielettrica e più lento si corre.

La costante dielettrica non è molto facile da misurare o definire. Non è solo legato alle caratteristiche 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 cambierà anche con il cambiamento di temperatura. Alcuni materiali speciali sono stati sviluppati tenendo conto della temperatura Anche l'umidità è un fattore importante che influenza la costante dielettrica, perché la costante dielettrica dell'acqua è 70.

Di seguito sono riportate le costanti dielettriche di alcuni materiali tipici (a 1Mhz):

Vuoto 1.0

PTFE puro 2.1

GYPTFE2．2－2.3

GX-PTFE2,55

Estere di cianato/vetro 3.2

Estere di cianato/quarzo 2.8-3.4

Quarzo poliimidico 3.5-3.8

Vetro poliimidico 4.0-4.6

Vetro resina epossidica (FR4) 4.4-5.2

Amina aromatica non tessuta (aramide) 3.8-4.1

Amina aromatica (tessuto) 3.8-4.1

PTFE ceramico 6.0-10.2

Foamclad (brevetto Arlon) 1.15-1.3

Acqua 70.0

Per le applicazioni ad alta velocità e ad alta frequenza, il materiale ideale è il mezzo d'aria avvolto con foglio di rame,

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

CTEr: Poiché la costante dielettrica cambia con la temperatura ed i materiali utilizzati in microonde sono spesso all'aperto, anche nell'ambiente spaziale, CTEr (coefficiente di cambiamento della costante dielettrica con la temperatura) è anche un parametro chiave. Alcuni PTFE riempiti con polvere ceramica possono avere caratteristiche molto buone, come CLTE

2. Fattore di perdita (Df)

Oltre alla costante dielettrica, il fattore di perdita è un parametro importante che influisce sulle proprietà elettriche dei materiali La perdita dielettrica è nota anche come tangente di perdita, fattore di perdita, ecc. Si riferisce alla perdita di segnale nel mezzo, o perdita di energia Questo è perché quando i segnali ad alta frequenza (si trasformano costantemente tra fasi positive e negative) passano attraverso lo strato medio, Le molecole nel mezzo cercano di orientarsi secondo questi segnali elettromagnetici. Anche se in realtà, poiché queste molecole sono reticolate, non possono realmente orientarsi. Tuttavia, i cambiamenti di frequenza fanno sì che i marcatori continuino a muoversi, generano molto calore e causano perdite di energia.

Tuttavia, alcuni materiali, come il PTFE, sono non polari, quindi non saranno influenzati dal campo elettromagnetico e la perdita è piccola. Allo stesso modo, il fattore di perdita è anche 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 elettrica nella trasmissione. Se la perdita di progettazione del circuito è piccola, la durata della batteria può essere significativamente aumentata; Quando riceve il segnale, l'antenna sarà più sensibile alla perdita di materiali e il segnale sarà più chiaro.

La resina epossidica FR4 comunemente usata (Dk4.5) ha polarità relativamente forte. A 1GHz, la perdita è di circa 0,025, mentre la perdita del substrato di PTFE (Dk2.17) in questa condizione è di 0,0009. Rispetto alla poliimide riempita di vetro, la poliimide riempita di quarzo ha bassa costante dielettrica e perdita, perché il contenuto di silicio è puro.

La figura seguente mostra la struttura molecolare del PTFE. Possiamo vedere che la sua struttura è molto simmetrica, il legame C-F è strettamente legato e non c'è gruppo polare. Pertanto, la possibilità di ondeggiare con il cambiamento del campo elettromagnetico è molto piccola, che è mostrato nelle caratteristiche elettriche di piccola perdita.

3. Coefficiente di espansione termica (CTE)

Il coefficiente di espansione termica è solitamente abbreviato come CTE, che è una delle proprietà meccaniche termiche importanti dei materiali. Si riferisce all'espansione dei materiali quando sono riscaldati. L'effettiva espansione del materiale si riferisce al cambiamento di volume, ma a causa delle caratteristiche del substrato, spesso consideriamo l'espansione rispettivamente in piano (X -, Y -) e in direzione verticale (Z -). L'espansione termica del piano può spesso essere controllata dai materiali dello strato di rinforzo (come panno di vetro, quarzo, Thermomont), L'espansione longitudinale è sempre superiore alla temperatura di transizione del vetro, che è difficile da controllare. Il CTE planare è fondamentale per l'installazione di pacchetti ad alta densità. Se il chip (solitamente CTE a 6-10ppm/C) è installato su un PCB convenzionale (CTE18ppm/C, PTFE, che è spesso riempito con polvere ceramica, come CLTE e LCCLTE di Arlon Company, è l'applicazione più rappresentativa per la produzione di schede multistrato a 64 strati per satelliti di comunicazione globale

4. Conducibilità termica

In molti campi a microonde, ci sono molte applicazioni ad alta potenza e le caratteristiche di dissipazione del calore dei materiali possono influenzare notevolmente l'affidabilità dell'intero sistema. Pertanto, la conducibilità termica dovrebbe essere considerata anche. Per alcune applicazioni speciali ad alta affidabilità e ad alto consumo energetico, può essere utilizzato anche rivestimento metallico (alluminio o rame base). Esempi di tipi di materiali: conducibilità termica W/mkPTFE/panno di vetro Diclad, Cuclad0.26PTFE/polvere ceramica, panno di vetro CLTE0.5AR10000.65AD350i0.45 materiale termoindurente riempito in polvere ceramica 25N/FR0.45 materiale conduttivo termico 99N1.2FR-40.24-0.26

5. Fabbricabilità

Comprendiamo che i materiali del PTFE sono difficili da elaborare, specialmente per la metallizzazione dei fori, che richiede il trattamento al plasma o al sodio naftalene per migliorare la sua attività. Inoltre, il PTFE è un materiale termoplastico e la lavorazione di schede multistrato richiede alte temperature. Ora, un nuovo materiale resina termoindurente a bassa perdita è stato sviluppato per i circuiti ad alta frequenza, che può elaborare schede multistrato senza attivazione al plasma, come Arlon25N/FR. Attualmente, è ampiamente usato in LNA, nella progettazione di PA e antenna, l'assorbimento di umidità è anche un fattore da considerare. I materiali con un piccolo assorbimento di umidità dovrebbero essere selezionati per quanto possibile, in modo che le caratteristiche elettriche siano più stabili

6. Intermodulazione passiva (PIM)

Nella progettazione front-end RF, come antenna e filtro, è richiesta l'intermodulazione passiva. Questo è anche correlato al substrato del PCB. Alcune aziende utilizzano fogli di rame specifici per mantenere l'intermodulazione passiva entro un certo intervallo. La tabella seguente mostra la differenza tra PIM delle schede senza requisiti di intermodulazione passiva e PIM delle schede con requisiti specifici.

Materiali PCB RF a microonde sono selezionati principalmente attraverso costante dielettrica, perdita, Coefficiente di espansione termica e conducibilità termica Ceramica costante dielettrica a basso costo, bassa costante dielettrica CTEr, Numero PTFE riempito termoindurente stabile a basso costo commerciale, PTFE ceramico riempito a bassa perdita.