Teknik PCB - Analisi kesan serat kaca pada bahan papan sirkuit PCB pada frekuensi gelombang milimeter ​

Analisi kesan serat kaca pada bahan papan sirkuit PCB pada frekuensi gelombang milimeter

Secara umum, untuk meningkatkan kekuatan bahan papan sirkuit, kaedah yang paling umum ialah menambah serat/kain kaca ke lapisan dielektrik papan sirkuit cetak (PCB). Bahkan PCB yang paling tipis, bila serat kaca ditambah, kekuatannya boleh diperbaiki. Tapi apa harga yang harus dibayar untuk ini? Apa pertukaran prestasi? Kaca mempunyai ciri-ciri bahan sendiri. Apabila ia digabungkan dengan bahan media dan permukaan foil tembaga yang membentuk bahan papan sirkuit frekuensi tinggi, apa kesan ia mempunyai pada prestasi elektrik sirkuit? Blog ini akan cuba untuk "memahami" kesan serat kaca pada papan sirkuit frekuensi tinggi, terutama sirkuit gelombang milimeter. Kerana papan sirkuit gelombang milimeter semakin penting dalam sistem radar kereta yang muncul (77GHz) dan sistem komunikasi tanpa wayar sel generasi kelima (5G).

Dengan campuran serat kaca dengan berbagai resin yang membentuk bahan papan sirkuit, kekuatan dan kekerasan papan sirkuit cetak yang dibentuk dengan cara ini akan meningkat jauh. Apabila papan sirkuit memerlukan kekuatan mekanik tinggi, satu atau lebih lapisan kain kaca boleh dicampur ke dalam substrat dielektrik, dan bahan keramik dicampur bersama-sama sebagai penuh untuk mencapai kekuatan mekanik tinggi. Laminat Rogers menggunakan pendekatan ini. Namun, serat kaca biasanya adalah struktur berdiri, yang mempunyai konstan dielektrik (Dk) yang lebih tinggi daripada bahan dielektrik (dan penuh keramik). Material dengan nilai Dk yang berbeza biasanya tidak dapat mencapai distribusi seragam sempurna semasa seluruh proses campuran, yang mengakibatkan bahan papan sirkuit mempunyai saiz berbeza dan ruang perubahan Dk dalam kawasan kecil. Pada frekuensi RF dan mikrogelombang, perubahan dalam Dk mungkin tidak begitu penting, tetapi ia akan mempunyai kesan yang lebih besar pada frekuensi gelombang milimeter dengan panjang gelombang yang lebih kecil.

Kesan ini dari serat kaca pada prestasi sirkuit bahan papan sirkuit dipanggil kesan kaca (GWE) atau kesan serat (FWE). Fiber kaca adalah bahagian kuat bahan PCB, yang benar-benar membantu untuk membuat bahan papan sirkuit yang sangat tipis dan kekal. Material halus mempunyai keuntungan yang jelas untuk aplikasi dengan keperluan pakej kompat, dan ia sangat sesuai untuk frekuensi yang lebih tinggi, aplikasi sirkuit panjang gelombang kecil, seperti sirkuit gelombang frekuensi 28GHz atau lebih tinggi.

Idealnya, bahan papan sirkuit dicetak akan termasuk serat kaca dan foil tembaga untuk mencapai prestasi konsisten. Fiber kaca bukan sahaja fokus aplikasi gelombang milimeter, tetapi juga mempengaruhi sirkuit digital kelajuan tinggi, mempengaruhi lambat trasmis dan distorsi antara isyarat sebelah, dan perbezaan masa (yang menyebabkan kadar ralat bit meningkat). Blog ini akan fokus pada bagaimana kesan serat kaca GWE mempengaruhi sirkuit gelombang 77 GHz dan milimeter lainnya.

Mengenalpasti perubahan

Pada frekuensi gelombang milimeter, walaupun perubahan kecil dalam bahan papan sirkuit Dk akan menyebabkan perubahan dalam ciri-ciri elektrik, seperti lambat isyarat dan perbezaan fasa garis transmisi. Untuk sirkuit yang lebih tipis, walaupun serat kaca meningkatkan kekuatan, ia juga meningkatkan Dk yang jauh lebih tinggi daripada bahan dielektrik sekeliling. Dk daripada serat kaca adalah kira-kira 6.0, dan Dk dari bahan dielektrik adalah kira-kira 2.1-2.6, dan keseluruhan Dk kira-kira 3.0 boleh diperoleh selepas campuran. Serbuk/kain kaca yang digunakan untuk membentuk PCB frekuensi tinggi biasanya bukan grid sempurna, dan mungkin disebabkan pengangkutan dan pengendalian sebelum bahan papan sirkuit dihasilkan.

Selain itu, kabel sirkuit pada bahan PCB frekuensi tinggi juga boleh menyebabkan kesan serat kaca mempunyai kesan prestasi lebih atau kurang pada seluruh sirkuit. Kacang kaca dirancang dengan serat kaca, dan coraknya mempunyai ciri-ciri yang berikut: dalam kawasan kecil bahan papan sirkuit, akan ada serat kaca dirancang dan ditukar di beberapa tempat, tetapi ada kosong di beberapa kawasan, dan tiada serat kaca. Perbezaan prestasi garis penghantaran berlaku di kawasan di mana serat kaca ini disatukan. Kawasan dengan lebih banyak serat kaca dipanggil "kawasan bundle-bundle", dan kawasan dengan kurang kaca dipanggil "kawasan bundle-terbuka". Nilai Dk bagi "zon menyeberang kuku" akan lebih tinggi daripada "zon pembukaan paket" dengan kurang serat kaca. Kerana sifat campuran bahan papan sirkuit, garis transmisi boleh melewati kawasan serat kaca tinggi, kawasan bebas kaca, atau melewati kedua-dua kawasan pada masa yang sama dalam bentuk "zigzag", yang akan menyebabkan garis transmisi yang sama melewati tempat di mana Dk berbeza. Perbedaan prestasi besar.

Sebagaimana kesan serat kaca menjadi semakin penting semasa frekuensi meningkat atau pada kelajuan digital yang lebih tinggi, pesuruh kajian dan pembangunan bahan papan sirkuit cuba untuk minimumkan kesan ini melalui jenis berbeza serat kaca dan corak. Jenis serat kaca yang berbeza berikut biasanya digunakan dalam bahan papan sirkuit sirkuit sirkuit gelombang milimeter, iaitu: kain kaca yang seimbang pembukaan jenis 106, kain kaca yang tidak seimbang pembukaan jenis 1080 dan kain kaca yang seimbang pembukaan serat rata 1078. Tiga jenis serat kaca adalah relatif tipis. Tekanan "seimbang" di sini merujuk kepada nisbah tebal dan densiti benang warp kaca pada paksi X kepada benang weft pada paksi Y serat kaca. Kawasan terbuka diantara kumpulan benang serat kaca mungkin mempunyai struktur geometrik yang berbeza, tetapi tebal dan ketepatan benang serat kaca menentukan sama ada ia seimbang. Kacang kaca 1078 mempunyai struktur sayuran pembukaan serat rata dan disebarkan secara sama dalam bahan tanpa kawasan pembukaan serat; Sementara bahan pakaian kaca 106 dan 1080 berbeza, terdapat terbuka di antara serat kaca.

perbezaan 77 GHz

Penelitian mengenai jenis kain kaca yang berbeza bahan papan sirkuit telah menemui bahawa sirkuit garis transmisi ditempatkan dalam serat kaca yang berbeza "kawasan menyeberang kaki" dan "kawasan pembukaan cahaya", dan prestasi mereka akan berbeza secara signifikan. Dari tiga jenis kain kaca biasa atas bahan papan sirkuit, merancang sirkuit untuk pengukuran. Bahan menggunakan tembaga kalender untuk minimumkan pengaruh kekasaran foli tembaga, dan pilih sirkuit yang melalui "kawasan menyeberang kaki" dan "kawasan pembukaan cahaya" untuk diukur dengan penganalisa rangkaian. Parameter pengukuran termasuk lambat kumpulan, lambat penyebaran dan balas sudut fasa setiap sirkuit, serta perbezaan prestasi yang berasal, untuk mendapatkan pengetahuan bagaimana serat kaca berbeza dan struktur weave kaca berbeza menghasilkan nilai Dk berbeza dalam sirkuit.

Eksperimen ini menggunakan kegemilangan 4 mil bahan polytetrafluoroethylene (PTFE), tiada penuh, tembaga kalender, dan kombinasi dari tiga kain kaca yang berbeza di atas. Material papan sirkuit serat kaca jenis 1078 mempunyai konfigurasi rata dan seimbang, yang menginimumkan perbezaan antara arah "kawasan melintasi tekak" ke sirkuit dan arah "kawasan pembukaan cahaya". Hasil ujian menunjukkan bahawa perbezaan fasa litar yang dibuat dari jenis ini bahan papan litar serat kaca 1078 hanya 20 darjah pada frekuensi 77 GHz.

Bagaimana prestasi dua serat kaca yang lain boleh dibandingkan? Material laminat tembaga yang tidak dipenuhi PTFE tebal 4 mil yang sama. Serbuk kaca jenis 106 yang digunakan mempunyai rangkaian terbuka dan struktur yang seimbang. Sudut fasa bagi arah "kawasan salib kuku" dan "kawasan terbuka cahaya" pada 77 GHz Perbezaan rata-rata ialah 100 darjah. Kacang kaca jenis 1080 yang digunakan dalam bahan sirkuit yang sama mempunyai rangkaian terbuka dan tidak seimbang, dan perbezaan fasa rata-rata sudut sirkuit pada frekuensi 77 GHz adalah 149 darjah.

Apakah perbezaan dalam Dk bahan papan sirkuit disebabkan oleh perbezaan ini disebabkan oleh kesan serat kaca? Hasil sirkuit yang sama di atas menunjukkan bahawa perbezaan diantara sirkuit di "kawasan menyala-sinar kaki" dan sirkuit di "kawasan pembukaan sinar" sepadan dengan perubahan dalam Dk kira-kira 0.02 untuk sirkuit menggunakan bahan kain kaca 1078. Dengan pakaian kaca 106 jenis, perbezaan dalam Dk adalah relatif besar, iaitu 0.09. Perbezaan maksimum Dk yang sepadan dengan litar menggunakan kain kaca jenis 1080 mencapai 0.14.

Untuk sirkuit laminat menggunakan satu lapisan serat kaca, kesan serat kaca lebih jelas daripada kesan serat kaca berbilang lapisan laminat, kerana tumpukan rata-rata serat serat kaca berbilang akan membuat distribusi kaca lebih seragam. Untuk sirkuit gelombang milimeter, panjang gelombang sangat kecil, dan sirkuit biasa sangat tipis, dan bahan biasanya hanya dikuasai oleh lapisan serat kaca. Dalam kes ini, prestasi sirkuit akan lebih terpengaruh oleh kesan serat kaca. Laminat dengan penapis (seperti keramik) mempunyai bahan tambahan ini (Dk adalah antara Dk kaca dan Dk sistem resin), walaupun ia tidak dapat menyelesaikan sepenuhnya kesan serat kaca, tetapi ia akan membuat sirkuit ke suatu kadar tertentu Dk pada bahan papan lebih seragam untuk mengurangkan kesan serat kaca di bawah frekuensi tinggi. Contohnya, RO4830 ⢢ laminat yang dihasilkan oleh Rogers Corporation adalah jenis bahan sirkuit ini, dengan 1078 kain kaca serat terbuka rata dan penuh keramik.

Selain itu, laminat Rogers RO3003 tidak mengandungi kain kaca dan merupakan salah satu bahan papan sirkuit yang biasa digunakan untuk sirkuit gelombang milimeter. Ini adalah bahan PCB penuh keramik dengan Dk 3.00 dan toleransi Dk dikawal dalam ±0.04. Konsistensi Dk ini penting untuk pasangan berbeza dalam sirkuit gelombang milimeter dan sirkuit digital kelajuan tinggi.

Buang serat kaca

Satu cara untuk mengelakkan kesan serat kaca adalah menggunakan bahan papan sirkuit tanpa serat/kain kaca. Terutama untuk sirkuit radar kereta seperti penggunaan gelombang 77GHz milimeter, lebih baik menggunakan bahan papan sirkuit frekuensi tinggi tanpa serat kaca daripada bahan papan sirkuit serat kaca. Laminat sirkuit RO3003G2x terbaru Rogers juga bahan yang tidak mengandungi kain kaca. Ujian telah menunjukkan bahawa ia mempunyai prestasi yang sangat konsisten antara papan sirkuit berbeza pada frekuensi gelombang milimeter, seperti impedance garis transmisi microstrip konsisten.

Apabila ia berkaitan dengan perubahan impedance, bahan-bahan lain atau parameter sirkuit, seperti perubahan dalam lebar konduktor, tebal tembaga, dan tebal substrat, juga boleh menyebabkan perubahan dalam impedance garis transmisi. Namun, bahan papan frekuensi tinggi RO3003G2 yang baru dilepaskan menghapuskan faktor kesan serat kaca yang mempengaruhi impedance sirkuit atau perubahan prestasi, yang penting untuk frekuensi 77 GHz dan lebih tinggi.

Perhatian: Blog ini berdasarkan laporan web penulis asli "A Overview of Glass Weave Impact on Millimeter-Wave PCB Performance" (An Overview of Glass Weave Impact on Millimeter-Wave PCB Performance).

Adakah anda mempunyai soalan tentang desain atau pemprosesan? Ahli Rogers boleh memberikan bantuan yang relevan. Sekarang anda boleh log masuk ke laman web rasmi Rogers "Pusat sokongan teknikal" untuk menghubungi jurutera untuk bantuan.