Teknologi Microwave - Influensi bahan-bahan dan pemprosesan pada papan litar PCB Dk

Dengan peningkatan papan sirkuit PCB DK, semakin sukar mengawal kesistensi fasa papan sirkuit cetak (PCB). Memandangkan dengan tepat perubahan fasa bahan papan sirkuit bukanlah tugas sederhana atau rutin. Fasa isyarat frekuensi tinggi dan kelajuan tinggi PCB bergantung pada struktur garis pemindahan yang diproses oleh ia dan konstan dielektrik (DK) bahan papan sirkuit. Semakin rendah Dk bagi medium (contohnya, Dk udara adalah kira-kira 1.0), semakin cepat gelombang elektromagnetik bertambah. Dengan peningkatan Dk, penyebaran gelombang akan memperlambat, dan fenomena ini juga akan mempengaruhi tindak balas fasa isyarat penyebaran. Apabila Dk bagi perubahan medium pendaraban, perubahan fasa bentuk gelombang akan berlaku, kerana Dk yang lebih rendah atau lebih tinggi akan membuat kelajuan isyarat dalam medium pendaraban sepadan dengan itu lebih cepat atau lambat.

Sirkuit PCB DK bahan biasanya anisotropik, dengan nilai Dk berbeza dalam tiga dimensi (3D) panjang, lebar, dan tebal (yang sepadan dengan paksi x, Y, dan Z). Untuk beberapa jenis khas rancangan sirkuit, perlu mempertimbangkan bukan sahaja perbezaan Dk tetapi juga kesan penghasilan sirkuit pada fasa. Kestabilan fasa dan jangkaan akan menjadi semakin penting semasa frekuensi operasi PCB meningkat, terutama pada frekuensi gelombang mikro dan gelombang-milimeter, seperti peralatan infrastruktur rangkaian komunikasi tanpa wayar sel generasi kelima (5G), dan sistem bantuan pemandu maju (ADAS) dalam kenderaan yang diberi bantuan secara elektronik.

Jadi apa yang menyebabkan Dk bahan papan sirkuit berubah? Dalam beberapa kes, perbezaan di The Dk pada PCB disebabkan oleh bahan itu sendiri (cth. perubahan dalam kasar permukaan tembaga). Dalam kes lain, proses penghasilan PCB juga boleh menyebabkan perubahan DK. Selain itu, persekitaran kerja yang kasar (seperti suhu kerja tinggi) juga boleh menyebabkan sirkuit PCB Dk berubah. Dengan memahami ciri-ciri bahan, proses penghasilan, persekitaran kerja, walaupun kaedah ujian Dk, dan aspek lain untuk mempelajari bagaimana PCB DK berubah. Dengan cara ini, perubahan fasa PCB boleh dipahami dan dijangka lebih baik, dan kesannya boleh dikurangkan.

Anisotropi adalah sifat penting bahan papan sirkuit, dan sifat Dk sangat mirip dengan "tensor" dalam matematika tiga dimensi. Nilai Dk berbeza pada tiga paksi membawa kepada perbezaan dalam aliran elektrik dan intensiti medan elektrik dalam ruang tiga dimensi. Bergantung pada jenis garis penghantaran yang digunakan dalam sirkuit, fasa sirkuit dengan struktur terhubung boleh diubah oleh anisotropi bahan, dan prestasi sirkuit bergantung pada arah fasa pada bahan papan sirkuit. Secara umum, anisotropi bahan papan sirkuit akan berbeza dengan tebal dan frekuensi kerja piring, dan bahan dengan nilai Dk lebih rendah mempunyai anisotropi yang lebih kecil. Pengesahan mengisi juga menyumbang kepada perubahan ini: bahan PCB dengan pengesahan serat kaca biasanya mempunyai anisotropi yang lebih besar daripada bahan PCB tanpa pengesahan serat kaca. Apabila fasa ialah penunjuk kunci dan Dk PCB adalah sebahagian daripada pemodelan rancangan sirkuit, menggambarkan dan membandingkan nilai Dk antara dua bahan seharusnya untuk Dk pada paksi arah yang sama. Untuk maklumat lebih terperinci mengenai pelbagai faktor (termasuk kaedah pengukuran) yang mengubah bahan PCB Dk, Lihat webinar Rogers "Memahami Bagaimana Material Rangkaian dan Pembentukan boleh mempengaruhi variasi sirkuit PCB Dk dan Kekonsistensi (memahami bagaimana bahan PCB dan proses pembuatan mempengaruhi variasi PCB Dk dan Kekonsistensi).

Lihat kedalaman Dk desain

Dk efektif sirkuit bergantung pada bagaimana gelombang elektromagnetik berkembang dalam jenis tertentu garis trasmis. Bergantung pada garis penghantaran, sebahagian gelombang elektromagnetik akan dihantar melalui bahan dielektrik PCB, dan sebahagian lain akan dihantar melalui udara sekitar PCB. Nilai Dk udara (kira-kira 1.00) lebih rendah daripada nilai mana-mana bahan sirkuit, jadi nilai Dk yang berkesan ialah nilai Dk bergabung, yang ditentukan oleh tindakan bergabung gelombang elektromagnetik yang menyebarkan dalam konduktor garis trasmis, gelombang elektromagnetik yang menyebarkan dalam bahan dielektrik, dan gelombang elektromagnetik yang menyebarkan di udara disekitar pangkalan. "Design Dk" adalah cubaan untuk menyediakan Dk yang lebih praktik daripada "Effective Dk" kerana ia mempertimbangkan pengaruh gabungan teknologi garis trasmis berbeza, kaedah penghasilan, wayar, dan bahkan kaedah ujian yang digunakan untuk mengukur Dk. Design Dk adalah Dk yang diekstrak apabila menguji bahan dalam bentuk sirkuit, Dan ia juga nilai Dk yang paling sesuai untuk digunakan dalam desain sirkuit dan simulasi. Rancangan Dk bukanlah Dk yang berkesan dalam sirkuit, tetapi ia adalah bahan Dk yang ditentukan oleh pengukuran Dk yang berkesan, dan rancangan Dk boleh mencerminkan prestasi sebenar sirkuit.

Kekerasan permukaan foli tembaga konduktor dalam ketinggian berbeza bahan dielektrik PCB mempunyai kesan berbeza pada tindak balas fasa sirkuit PCB DK. Material dengan substrat yang lebih tebal sering kurang terpengaruh oleh ketinggian permukaan konduktor foli tembaga. Walaupun untuk konduktor foli tembaga dengan permukaan kasar, nilai desain Dk lebih dekat dengan media Dk bahan substrat. Contohnya, bahan papan sirkuit RO4350B ⢢ 6.6 mils Rogers mempunyai rancangan rata-rata Dk 3.96 pada 8 hingga 40GHz. Untuk bahan yang sama dengan tebal 30 mils, desain Dk menurun ke rata-rata 3.68 dalam julat frekuensi yang sama. Apabila tebal substrat bahan digandakan lagi (60 mils), desain Dk ialah 3.66, yang merupakan Dk dalaman medium untuk laminat terkuat serat kaca ini.

Dari contoh-contoh di atas, ia boleh dilihat bahawa substrat yang lebih tebal kurang dipengaruhi oleh kelabuan foil tembaga dan nilai desain Dk relatif lebih rendah. Namun, jika papan sirkuit yang lebih tebal digunakan untuk menghasilkan sirkuit pemprosesan, terutama pada frekuensi gelombang-milimeter dengan panjang gelombang isyarat yang lebih kecil, lebih sukar untuk menyimpan konsistensi amplitud isyarat dan fasa. Sirkuit frekuensi yang lebih tinggi sering lebih sesuai untuk papan sirkuit yang lebih tipis, di mana bahagian tengah bahan mempunyai sedikit kesan pada reka Dk dan prestasi sirkuit. Kehilangan isyarat dan prestasi fasa substrat PCB yang lebih ringan lebih dipengaruhi oleh konduktor. Pada frekuensi gelombang-milimeter, dalam terma desain Dk bahan sirkuit, ia juga lebih sensitif kepada ciri-ciri konduktor (seperti kelabuan permukaan foil tembaga) daripada substrat yang lebih tebal.

Bagaimana untuk memilih sirkuit garis penghantaran

Pada frekuensi RF/microwave dan millimeter-wave, jurutera rancangan sirkuit menggunakan teknologi garis transmisi konvensional seperti microstrip, strip, dan grounded coplanar waveguide (GCP). Setiap teknologi mempunyai pendekatan rancangan yang berbeza, cabaran rancangan, dan keuntungan berkaitan. Contohnya, perbezaan dalam perilaku sambungan sirkuit GCPW akan mempengaruhi desain sirkuit DK. Untuk sirkuit GCPW yang terikat dengan ketat, serta garis transmisi dengan ruang ketat, penyebaran elektromagnetik yang lebih efisien boleh dicapai dengan menggunakan udara antara kawasan sambungan koplanar dan mengurangi kerugian. Dengan menggunakan konduktor tembaga yang lebih tebal dengan dinding sisi yang lebih tinggi konduktor sambungan, menggunakan lebih banyak laluan udara di kawasan sambungan boleh mengurangi kerugian sirkuit, tetapi lebih penting untuk memahami kesan yang sepadan dengan mengurangi tebal konduktor tembaga.

Banyak faktor boleh mempengaruhi desain Dk untuk sirkuit dan papan sirkuit tertentu. Contohnya, koeficien suhu Dk (TCDk) bahan papan sirkuit digunakan untuk mengukur pengaruh suhu kerja pada reka Dk dan prestasi. Nilai lebih rendah TCDk bermakna bahan papan sirkuit mempunyai lebih sedikit dependensi suhu. Dengan cara yang sama, kelembapan relatif tinggi (RH) boleh meningkatkan desain Dk bahan papan sirkuit, terutama untuk bahan dengan penyorban kelembapan tinggi. Karakteristik bahan papan sirkuit, proses penghasilan sirkuit, dan ketidakpastian dalam persekitaran kerja semua akan mempengaruhi papan sirkuit PCB direka Dk bahan. Hanya dengan memahami ciri-ciri ini dan mempertimbangkannya dalam proses desain boleh dampak mereka diminumkan.