Подложка ИС - поиск подходящих PCB материалов для автомобильной локации 77GHZ

Рабочая частота автомобильных электронных систем безопасности становится все выше и выше, и использование автомобильных радарных датчиков 77 ГГц для систем безопасности в один прекрасный день сделает городское движение более безопасным. Как уже сообщалось в предыдущем блоге ROG, разработан и изготовлен "автомобильный радар" диапазона миллиметровых волн 77 ГГц. К материалам микросхем, используемых для работы на частотах миллиметровых волн (от 30 до 300 ГГц), предъявляются особые требования, которые обычно отличаются от требований к микросхемам на частотах СВЧ 30 ГГц и ниже. Однако, согласно практике и опыту разработчиков схем для миллиметровых волн, параметры материалов некоторых схем могут быть тесно связаны с высокими характеристиками схем для миллиметровых волн, а некоторые материалы схем, например, PCB RO3003™ компании Rogers, обладают характеристиками схем для миллиметровых волн. При требуемых параметрах материала они могут демонстрировать отличные характеристики на частотах 77 ГГц и выше.

Как было описано в предыдущем блоге ROG, характеристики шести ключевых материалов печатных плат, используемых для реализации схем с низкими потерями на частотах миллиметровых волн и 77 ГГц, таковы:

Допуск Dk

Материал печатной платы Df

Шероховатость поверхности проводника из медной фольги

Коэффициент термической стабильности Dk и Df

Водопоглощение

Эффект стеклоткани

Если использовать эти шесть материалов в качестве руководства по выбору материалов для печатных плат для антенн автомобильных радаров на частоте 77 ГГц и других схем, работающих на миллиметровых волнах, то их характеристики в значительной степени указывают на то, что PCB RO3003™ очень хорошо подходят для схем с низкими потерями. Фактически, именно благодаря своим характеристикам, которые очень подходят для особых потребностей схем миллиметровых волн, печатные платы RO3003™ широко используются в схемах миллиметровых волн. В ней могут использоваться различные типы медной фольги, такие как электролитическая (ED) медь и более гладкая (и с меньшими потерями) прокатанная медь, что позволяет разработчикам точно задавать характеристики своих печатных плат для удовлетворения самых взыскательных требований, предъявляемых к схемам миллиметровых волн.

Шесть ключевых свойств материалов

Какова связь между этими шестью ключевыми параметрами материалов и электрическими характеристиками на частоте 77 ГГц и других частотах миллиметровых волн? На частотах миллиметровых волн длина волны сигнала короче, и для материала печатной платы важнее иметь строго контролируемое значение диэлектрической проницаемости Dk, чем выбирать материалы только с низким значением Dk. С одной стороны, жестко контролируемое значение Dk позволяет добиться более стабильных характеристик; с другой стороны, изменение Dk (ΔDk) приведет к непостоянству фазовых углов на частоте 77 ГГц, что приведет к ухудшению характеристик радарного датчика на этой частоте.

Dk материала схемы, извлеченного из схемы (или называемого проектным Dk), на его значение Dk влияет допуск на Dk материала, а также влияют характеристики других различных материалов печатной платы, включая изменение шероховатости поверхности проводников из медной фольги. Изменение расчетного Dk, которое может повлиять на работу схемы на частоте 77 ГГц, должно быть сведено к минимуму, включая изменение контрольного расчетного Dk и другие характеристики схемы, влияющие на изменение расчетного Dk. Наилучшим способом определения степени изменения расчетного Dk является проведение точных и воспроизводимых измерений на эталонной схеме нескольких образцов из разных производственных партий.

Аналогичным образом, для достижения воспроизводимых характеристик схемы с низкими потерями на частоте 77 ГГц необходимо строго контролировать коэффициент потерь (Df) материала печатной платы. Выбор материала печатной платы с низким Df - цель, заслуживающая внимания, но также важно поддерживать стабильное изменение Df с частотой на частотах миллиметровых волн. Изменение Df является еще одним фактором, влияющим на изменение расчетного Dk, что затрудняет поддержание фазовой и частотной стабильности при сигналах малой длины волны на частотах миллиметровых волн.

На частоте 77 ГГц существенное влияние на потери в проводниках оказывает шероховатость поверхности проводника из медной фольги материала печатной платы. Чем более гладкая медная фольга, тем меньше потери. Хотя электролитическая медь (ЭМ) является одним из типов проводников из медной фольги, широко используемых в цепях миллиметровых волн, из-за своей шероховатости она имеет более высокие потери, чем катаная медь. При оценке свойств материалов печатных плат на частотах 77 ГГц и миллиметровых волн нельзя игнорировать прочность отслаивания (в том числе на начальном этапе и после нагрева), поскольку адгезия медного слоя и диэлектрического слоя будет влиять на радиочастотные характеристики схемы. Как и в случае со многими другими параметрами материалов, при выборе меди ЭД и прокатной медной фольги можно найти компромисс между электрическими характеристиками и прочностью на отслаивание. Однако, несмотря на ожидаемые компромиссы, при использовании материалов для печатных плат RO3003™ медный прокат обладает хорошей прочностью на отрыв и при этом обеспечивает очень низкие потери на частоте 77 ГГц.

Поскольку в диапазоне миллиметровых волн требуются такие тонкие характеристики схемы, влияние температурных изменений на материалы печатных плат также приводит к изменению их характеристик в диапазоне 77 ГГц и других миллиметровых волн. Если материал печатной платы подвергается воздействию широкого диапазона температурных изменений, то чрезмерные изменения коэффициента термической стабильности Dk (TCDk) и коэффициента термической стабильности Df (TCDf) будут эквивалентны изменениям Dk и Df. Эти температурные эффекты могут быть минимизированы путем выбора материалов печатных плат, которые относительно строго контролируют TCDk и TCDf. Как правило, материал печатной платы с TCDk 50 | ppm /°C или ниже считается стабильной характеристикой с хорошими эксплуатационными свойствами. Если взять в качестве примера реальный материал, то TCDk, измеренный на PCB RO3003™, составляет 3 ppm/°C.

Низкое влагопоглощение является одной из целей для большинства материалов высокочастотных печатных плат. Для материалов, используемых в диапазоне миллиметровых волн, даже небольшая разница будет влиять на их характеристики. Если материал схемы имеет чрезмерное влагопоглощение, то его потери будут увеличиваться, а Dk будет возрастать с изменением влажности. Характеристики схемы в идеальных условиях работы могут быть приемлемыми, но могут не удовлетворять требованиям в практических приложениях, например, в условиях повышенной влажности, особенно на частотах миллиметровых волн с меньшей длиной волны.

Наконец, среди шести параметров материала схемы, которые необходимо учитывать в схемах для 77 ГГц и других миллиметровых волн, хорошо известно, что "эффект стеклоткани" также приведет к изменению Dk схемы. Во многих материалах схем стеклоткань используется для усиления и армирования материала. При этом она также приводит к тому, что в некоторых частях волоконного рисунка всего материала содержится больше стеклянных волокон, чем в других, что и приводит к изменению Dk. Использование стеклоармированных материалов повышает механические свойства материалов схем, но при этом влияет на электрические свойства материалов в высокочастотных цепях. В идеале материалы, выбираемые для более высоких частот, не должны содержать стеклоткань или стекловолокно.

Выбирайте материалы, отвечающие вашим требованиям

Доказано, что материалы для печатных плат Rogers RO3003™ отвечают этим шести ключевым требованиям к материалам для схем на 77 ГГц и других миллиметровых волнах. Ламинат RO3003™ - это материал с чрезвычайно низкими потерями, с типичным значением Df 0,0010 на частоте 10 ГГц и строго контролируемым допуском Dk ±0,04. Многие разработчики схем для миллиметровых волн выбирают в качестве материала для схем медь ED толщиной 5 мкм или более гладкую (с меньшими потерями) катаную медную печатную плату RO3003™. Она также имеет низкое поглощение влаги - менее 0,04%, а TCDk очень низкий, с типичным значением -3 ppm/°C.

Поскольку материал PCB RO3003™ отражает шесть ключевых требований к высокочастотным схемам, он стал часто выбираться в качестве материала печатной платы для разработчиков схем на частоте 77 ГГц и других миллиметровых волн. Кроме того, в печатных платах RO3003™ не используется и не требуется армирования стеклотканью, поэтому у них нет проблем со стеклотканью. Это прочный материал для печатных плат с низкими потерями, подходящий для схем, которым необходимо поддерживать мощность сигнала при повышении частоты, особенно для автомобильных радаров 77 ГГц, ориентированных на повышение безопасности!