PCB Tecnico - Analisi sull'effetto in fibra di vetro dei materiali del circuito stampato PCB alla frequenza d'onda millimetrica ​

Analisi sull'effetto in fibra di vetro dei materiali del circuito stampato PCB alla frequenza d'onda millimetrica

Generalmente, al fine di migliorare la resistenza dei materiali del circuito stampato, il metodo più comune è quello di aggiungere fibra di vetro/panno allo strato dielettrico del circuito stampato (PCB). Anche il PCB più sottile, una volta aggiunta la fibra di vetro, la sua resistenza può essere migliorata. Ma qual è il prezzo da pagare per questo? Quali sono i compromessi sulle prestazioni? Il vetro ha le sue caratteristiche materiali. Quando è combinato con i materiali medi e superficiali della lamina di rame che compongono il materiale del circuito ad alta frequenza, che effetto ha sulle prestazioni elettriche del circuito? Questo blog cercherà di "approfondire" l'impatto della fibra di vetro sui circuiti ad alta frequenza, in particolare sui circuiti ad onde millimetriche. Perché i circuiti a onde millimetriche stanno diventando sempre più importanti nei sistemi radar automobilistici emergenti (77GHz) e nei sistemi di comunicazione cellulare wireless di quinta generazione (5G).

Mescolando la fibra di vetro con varie resine che formano i materiali del circuito stampato, la resistenza e la durata del circuito stampato formato in questo modo saranno notevolmente migliorate. Quando il circuito stampato richiede un'elevata resistenza meccanica, uno o più strati di tessuto di vetro possono essere mescolati nel substrato dielettrico e i materiali ceramici sono mescolati insieme come riempitivi per raggiungere un'elevata resistenza meccanica. I laminati Rogers RO4830 usano questo approccio. Tuttavia, la fibra di vetro è solitamente una struttura tessuta, che ha una costante dielettrica più alta (Dk) rispetto ai materiali dielettrici (e ai riempitivi ceramici). I materiali con valori di Dk differenti di solito non possono ottenere una distribuzione uniforme perfetta durante l'intero processo di miscelazione, il che si traduce in materiali del circuito stampato che hanno dimensioni diverse e spaziatura Dk cambi in una piccola area. Alle frequenze RF e microonde, questo cambiamento in Dk potrebbe non essere così importante, ma avrà un impatto maggiore alle frequenze d'onda millimetriche con lunghezze d'onda più piccole.

Questo effetto della fibra di vetro sulle prestazioni del circuito del materiale del circuito stampato è chiamato effetto vetro (GWE) o effetto fibra (FWE). La fibra di vetro è la parte di rafforzamento dei materiali PCB, che aiuta davvero a realizzare materiali estremamente sottili e durevoli del circuito stampato. I materiali più sottili hanno evidenti vantaggi per le applicazioni con requisiti di imballaggio compatti e sono molto adatti per le applicazioni di circuiti a bassa lunghezza d'onda e frequenza ad alta frequenza, come i circuiti a onde millimetriche a 28 GHz o più alte frequenze.

Idealmente, i materiali del circuito stampato includeranno fibra di vetro e foglio di rame per ottenere prestazioni costanti. La fibra di vetro non è solo al centro delle applicazioni dell'onda millimetrica, ma colpisce anche i circuiti digitali ad alta velocità, influenzando ritardi di trasmissione e distorsioni tra segnali adiacenti e differenze di temporizzazione (portando a tassi di errore di bit aumentati). Questo blog si concentrerà su come l'effetto fibra di vetro GWE influenza 77 GHz e altri circuiti di onda millimetrica.

Identifica le modifiche

Alle frequenze d'onda millimetriche, anche piccoli cambiamenti nel materiale del circuito stampato Dk causeranno cambiamenti nelle proprietà elettriche, come il ritardo del segnale e le differenze di fase della linea di trasmissione. Per i circuiti più sottili, anche se la fibra di vetro aumenta la resistenza, aumenta anche Dk che è molto più alto dei materiali dielettrici circostanti. Il Dk della fibra di vetro è di circa 6,0 e il Dk del materiale dielettrico è di circa 2,1-2,6 e il Dk complessivo di circa 3,0 può essere ottenuto dopo la miscelazione. La fibra di vetro / tessuto utilizzato per formare un PCB ad alta frequenza di solito non è una griglia perfetta e può essere deformata a causa del trasporto e della manipolazione prima che il materiale del circuito stampato sia fabbricato.

Inoltre, il cablaggio del circuito su materiali PCB ad alta frequenza può anche causare l'effetto in fibra di vetro ad avere più o meno impatto sulle prestazioni sull'intero circuito. Il panno di vetro è tessuto da fibra di vetro e il suo modello ha le seguenti caratteristiche: Nella piccola area del materiale del circuito stampato, ci saranno fibre di vetro intrecciate e sovrapposte in alcuni punti, ma ci sono vuoti in alcune aree e non c'è fibra di vetro. La differenza di prestazione della linea di trasmissione si verifica nelle aree in cui queste fibre di vetro sono intrecciate. Le aree con più fibre di vetro sono chiamate "aree a fascio di nocche", e le aree con meno vetro sono chiamate "aree a fascio aperto". Il valore Dk della "zona di attraversamento delle nocche" sarà superiore alla "zona di apertura del fascio" con meno fibra di vetro. A causa della natura mista dei materiali del circuito stampato, la linea di trasmissione può passare attraverso l'alta area della fibra di vetro, l'area senza vetro, o passare attraverso le due aree allo stesso tempo in una forma "a zig zag", che causerà la stessa linea di trasmissione per passare attraverso il luogo in cui il Dk è diverso. Grande differenza di prestazioni.

Man mano che l'effetto fibra di vetro diventa sempre più importante man mano che la frequenza aumenta o a velocità digitali più elevate, il personale di ricerca e sviluppo dei materiali del circuito stampato cerca di minimizzare questi effetti attraverso diversi tipi di fibre di vetro e modelli. I seguenti tipi differenti di fibra di vetro sono comunemente utilizzati nei materiali del circuito stampato dei circuiti d'onda millimetrica, vale a dire: panno di vetro intrecciato bilanciato di apertura 106 tipo, panno di vetro tessuto sbilanciato di apertura 1080 tipo e panno di vetro intrecciato bilanciato di apertura 1078 fibra piana. I tre tipi di fibre di vetro sono relativamente sottili. La tessitura "equilibrata" qui si riferisce al rapporto tra lo spessore e la densità dei filati di ordito di vetro sull'asse X e i filati di trama sull'asse Y della fibra di vetro. L'area aperta tra i fasci di filato di fibra di vetro può avere strutture geometriche diverse, ma lo spessore e la densità del filato di fibra di vetro determina se è equilibrato. 1078 panno di vetro ha una struttura tessuta piatta di apertura della fibra ed è distribuito uniformemente nel materiale senza aree di apertura della fibra; mentre il materiale del panno di vetro 106 e 1080 è diverso, ci sono aperture tra le fibre di vetro intrecciate.

Differenza di 77 GHz

La ricerca su diversi tipi di tessuto di vetro di materiali del circuito ha scoperto che i circuiti della linea di trasmissione sono situati in diverse "aree di attraversamento delle nocche" e "aree di apertura del fascio" in fibra di vetro e le loro prestazioni saranno significativamente diverse. Dai tre tipi tipici di stoffa di vetro di cui sopra, progettare il circuito per la misurazione. Il materiale utilizza rame calandrato per ridurre al minimo l'influenza della rugosità del foglio di rame e selezionare i circuiti che attraversano la "zona di attraversamento delle nocche" e la "zona di apertura del fascio" da misurare con l'analizzatore di rete. I parametri di misura includono il ritardo di gruppo, il ritardo di propagazione e la risposta all'angolo di fase di ciascun circuito, così come le differenze di prestazione risultanti, al fine di ottenere informazioni su come diverse fibre di vetro e diverse strutture di tessitura di vetro producono valori Dk differenti nel circuito.

Questo esperimento utilizza uno spessore di 4mil di materiale politetrafluoroetilene (PTFE), nessun riempitivo, rame calandrato e una combinazione dei suddetti tre diversi panni di vetro. Il materiale del circuito stampato in fibra di vetro tipo 1078 ha una configurazione piatta ed equilibrata, che minimizza la differenza tra la direzione della "zona di attraversamento delle nocche" al circuito e la direzione della "zona di apertura del fascio". Il risultato del test mostra che la differenza di fase del circuito realizzato con questo tipo di materiale del circuito in fibra di vetro 1078 è di soli 20 gradi alla frequenza di 77 GHz.

Come si confrontano le prestazioni delle altre due fibre di vetro? Lo stesso materiale laminato di rame laminato non riempito PTFE di spessore 4mil. La fibra di vetro tipo 106 utilizzata ha una trama aperta e una struttura equilibrata. L'angolo di fase della "zona trasversale delle nocche" e della "zona aperta del fascio" direzioni a 77 GHz La differenza media è di 100 gradi. Il panno di vetro tipo 1080 utilizzato nello stesso materiale del circuito ha una trama aperta e una struttura sbilanciata e la differenza media dell'angolo di fase del circuito ad una frequenza di 77 GHz è 149 gradi.

Qual è la differenza nel Dk del materiale del circuito stampato causata da queste differenze causate dall'effetto della fibra di vetro? I risultati dello stesso circuito di cui sopra mostrano che la differenza tra il circuito nella "zona del fascio trasversale delle nocche" e il circuito nella "zona di apertura del fascio" corrisponde ad una variazione in Dk di circa 0,02 per il circuito utilizzando il materiale 1078 tessuto di vetro. Utilizzando 106 tipo tessuto di vetro materiale, la differenza in Dk è relativamente grande, che è 0,09. La differenza massima Dk corrispondente al circuito utilizzando il materiale del panno di vetro tipo 1080 raggiunge 0,14.

Per i laminati a circuito che utilizzano un singolo strato di fibra di vetro, l'effetto fibra di vetro è più evidente di quello dei laminati di vetro multistrato, perché l'impilamento medio di fibre di vetro multiple renderà la distribuzione del vetro più uniforme. Per i circuiti d'onda millimetrica, la lunghezza d'onda è molto piccola e il circuito abituale è molto sottile e il materiale è solitamente rinforzato solo da uno strato di fibra di vetro. In questo caso, le prestazioni del circuito saranno più influenzate dall'effetto fibra di vetro. I laminati con riempitivi (come ceramica) hanno questo materiale aggiuntivo (il Dk è tra il Dk del vetro e il Dk del sistema della resina), anche se non può risolvere completamente l'effetto fibra di vetro, ma renderà il circuito in una certa misura Il Dk sul materiale della scheda è più uniforme per ridurre l'influenza dell'effetto fibra di vetro sotto alta frequenza. Ad esempio, il laminato RO4830™ prodotto da Rogers Corporation è questo tipo di materiale del circuito, con 1078 panno di vetro piatto in fibra aperta e riempitivo ceramico.

Inoltre, il laminato Rogers RO3003â non contiene tessuto di vetro ed è uno dei materiali comunemente usati per circuiti a onde millimetriche. Si tratta di un materiale PCB riempito in ceramica con un Dk di 3,00 e una tolleranza Dk controllata entro ±0,04. Questa consistenza Dk è essenziale per coppie differenziali in circuiti ad onda millimetrica e circuiti digitali ad alta velocità.

Rimuovere fibra di vetro

Un modo per evitare completamente l'effetto della fibra di vetro è quello di utilizzare un materiale del circuito senza fibra di vetro / panno. Soprattutto per i circuiti radar automobilistici come l'uso di onde millimetriche 77GHz, è molto meglio utilizzare materiali del circuito ad alta frequenza senza fibra di vetro rispetto a quelli con materiali del circuito rinforzato in fibra di vetro. L'ultimo laminato del circuito RO3003G2™ di Rogers è anche un materiale che non contiene panno di vetro. I test hanno dimostrato che ha prestazioni molto coerenti tra i circuiti stampati differenti alle frequenze d'onda millimetriche, come l'impedenza costante della linea di trasmissione microstrip.

Quando si tratta di cambiamenti di impedenza, altri materiali o parametri del circuito, come cambiamenti nella larghezza del conduttore, nello spessore del rame e nello spessore del substrato, possono anche causare cambiamenti nell'impedenza della linea di trasmissione. Tuttavia, il materiale della scheda ad alta frequenza RO3003G2 appena rilasciato elimina completamente il fattore di effetto della fibra di vetro che influenza l'impedenza del circuito o i cambiamenti di prestazione, che è critico per 77 GHz e frequenze superiori.

Nota: Questo blog è basato sul rapporto webinar originale dell'autore "Una panoramica dell'impatto della tessitura di vetro sulle prestazioni dei PCB a onde millimetriche" (una panoramica dell'impatto della tessitura di vetro sulle prestazioni dei PCB a onde millimetriche).

Hai domande sulla progettazione o l'elaborazione? Gli esperti Rogers possono fornire assistenza pertinente. Ora è possibile accedere al sito ufficiale Rogers "Technical Support Center" per contattare gli ingegneri per ottenere aiuto.