Технология PCB - Анализ воздействия стекловолокна на материалы плат PCB на миллиметровой частоте ​

Анализ воздействия стекловолокна на материалы плат PCB на миллиметровой частоте

Как правило, для повышения прочности материала платы наиболее распространенным методом является добавление стекловолокна / ткани в диэлектрический слой печатной платы (PCB). Даже самые тонкие ПХБ могут быть усилены после добавления стекловолокна. Но какой ценой? Каков баланс производительности? Стекло имеет свои свойства материала. Какое влияние он оказывает на электрические свойства схемы, когда он сочетается с средой и поверхностной медной фольгой, которая составляет материал высокочастотной платы? В этом блоге будет предпринята попытка « вникнуть» в влияние стекловолокна на высокочастотные платы, особенно в миллиметровых волновых схемах. Платы миллиметровых волн становятся все более важными в новых автомобильных радиолокационных системах (77 ГГц) и системах сотовой беспроводной связи пятого поколения (5G).

Благодаря смешиванию стекловолокна с различными смолами, образующими материалы для монтажных плат, прочность и долговечность печатных плат, образующихся таким образом, значительно возрастут. Когда монтажная плата требует высокой механической прочности, слой или слой стеклянной ткани может быть смешан с диэлектрической базой, а керамические материалы могут быть смешаны в качестве наполнителей для достижения высокой механической прочности. Роджерс RO4830 использует этот метод. Тем не менее, стекловолокно обычно представляет собой тканевую структуру, которая имеет более высокую диэлектрическую константу (Dk), чем диэлектрические материалы (и керамические наполнители). На протяжении всего процесса смешивания материалы с различными значениями Dk обычно не достигают идеального равномерного распределения, что приводит к изменениям DK в материалах платы с различными размерами и расстояниями на небольшой площади. Это изменение Dk может быть менее важным в радиочастотах и микроволновых частотах, но оно оказывает большее влияние на миллиметровые частоты с меньшими длинами волн.

Это влияние стекловолокна на характеристики схемы материала платы называется эффектом стекла (GWE) или эффектом волокна (FWE). Стекловолокно является усиленной частью материала PCB, который действительно помогает создавать сверхтонкие и долговечные материалы для монтажных плат. Более тонкие материалы имеют очевидные преимущества для приложений с компактными требованиями к упаковке, и они идеально подходят для схем с более высокой частотой и малой длиной волны, таких как миллиметровые схемы с частотой 28 ГГц или более.

В идеале материалы печатных плат будут включать стекловолокно и медную фольгу для достижения согласованной производительности. Стекловолокно не только является центром применения миллиметровых волн, но также влияет на высокоскоростные цифровые схемы, влияя на задержку передачи и искажения между соседними сигналами, а также на разницу во времени (что приводит к увеличению частоты ошибок). В этом блоге основное внимание будет уделено тому, как эффект стекловолокна GWE влияет на 77 ГГц и другие миллиметровые волновые схемы.

Идентифицировать изменения

При миллиметровой частоте даже небольшие изменения в DK материала платы могут привести к изменению электрических характеристик, таких как задержка сигнала и фазовая разность линии передачи. Для более тонких схем, хотя стекловолокно увеличивает прочность, оно также увеличивает Dk намного выше, чем окружающие диэлектрические материалы. ДК стекловолокна составляет около 6,0, а ДК диэлектрического материала - около 2,1 - 2,6, при смешивании получается около 3,0 общего ДК. Стекловолокно / ткань, используемая для формирования высокочастотных ПХБ, обычно не является идеальной сеткой и может быть деформирована в результате транспортировки и обработки до изготовления материала для монтажных плат.

Кроме того, проводка цепей на высокочастотных PCB - материалах также может привести к тому, что эффект стекловолокна будет более или менее влиять на производительность всей цепи. Стеклянная ткань соткана из стекловолокна, и ее рисунок имеет следующие характеристики: на небольшой площади материала монтажной платы в некоторых местах будет переплетение и наложение стекловолокна, но в некоторых местах есть пустоты, нет стекловолокна. Различия в производительности линий передачи происходят в этих областях переплетения стекловолокна. Области с большим количеством стекловолокна называются « областями пучка пальцев», а области с меньшим количеством стекла называются « открытыми зонами пука». Значение Dk в « зоне пересечения поворотных узлов» будет выше, чем в « зоне отверстия пучка » с меньшим количеством стекловолокна. Из - за смешанных свойств материалов монтажных плат линии передачи могут проходить через слишком высокую область стекловолокна, безстеклянную область или пересекать обе области одновременно в форме « Z», что приведет к тому, что одна и та же линия передачи пройдет через разные места Dk. Производительность сильно различается.

Эффекты стекловолокна становятся все более важными по мере увеличения частоты или более высоких цифровых скоростей, и разработчики материалов для монтажных плат пытаются минимизировать эти эффекты с помощью различных типов стекловолокна и рисунков. Материалы для монтажных плат в схемах миллиметрового диапазона обычно используют различные типы стекловолокна, а именно: открытое балансировочное стекло типа 106, открытое несбалансированное стекло типа 1080 и открытое балансировочное стекло типа 1078. Все три вида стекловолокна относительно тонкие. Под « равновесным» плетением здесь понимается отношение толщины и плотности стеклянной меридиана на оси X из стекловолокна к широте и широте на оси Y. Открытая область между пучками из стекловолокна может иметь различную геометрическую структуру, но толщина и плотность волокнистой пряжи определяют ее баланс. 1078 Стеклянная ткань имеет плоскую тканевую ткань с открытым волокном и равномерно распределена по материалам без отверстия волокна; Хотя 106 и 1080 стекловолокна имеют разные материалы, между плетеным стекловолокном есть отверстия.

Разница 77 ГГц

Изучение материалов монтажных плат различных типов стеклоткани показало, что схемы линий передачи расположены в разных стекловолокнистых « зонах пересечения суставов» и « открытых зонах луча», и их производительность будет значительно различаться. Исходя из материалов монтажных плат трех типичных типов стеклянной ткани, были разработаны платы для измерения. Материал использует прокатную медь, чтобы минимизировать влияние шероховатости медной фольги, и выбирает схемы, проходящие через « область пересечения рулевого узла» и « область отверстия луча», измеряемые сетевым анализатором. Измеренные параметры включают групповую задержку, задержку распространения и фазовую угловую реакцию каждой схемы, а также возникающие различия в производительности, чтобы получить представление о том, как различные стекловолокна и различные структуры стеклоплетения генерируют разные значения Dk в цепи.

В этом эксперименте используется материал из тетрафторэтилена (PTFE) толщиной 4 м, без наполнителя, прокатной меди и комбинации трех различных стеклянных тканей, описанных выше. Материал плат из стекловолокна типа 1078 имеет плоскую и сбалансированную конфигурацию, которая минимизирует разницу между направлением от « перекрестной области рулевого узла» к цепи и направлением от « открытой области луча». Результаты испытаний показали, что фазовая разница между схемами, изготовленными из этого типа плат из стекловолокна 1078, при частоте 77 ГГц составляет всего 20 градусов.

Каковы свойства двух других видов стекловолокна? Тот же 4 - мильный толщиной PTFE, не заполненный прокатным медным слоем. Используемое стекловолокно типа 106 имеет открытую тканевую и сбалансированную структуру. угол фазы в направлении "пересечения поворотных узлов" и "открытых зон луча" при 77 ГГц. Средняя разница составляет 100 градусов. Стеклянная ткань типа 1080, используемая в том же материале схемы, имеет открытую плетеную и несбалансированную структуру, а средняя разность фаз схемы при частоте 77 ГГц составляет 149 градусов.

Каковы различия в DK материалов монтажных плат, вызванные этими различиями, вызванными эффектом стекловолокна? Результаты той же схемы, описанные выше, показывают, что для схем, в которых используется 1078 стеклоткань, разница между схемами в « области поперечной балки» рулевого узла и схемами в « области отверстия луча» соответствует изменению DK около 0,02. Используя материал из стеклоткани типа 106, разница в ДК относительно велика и составляет 0,09. Максимальная разность DK, соответствующая схемам, использующим стеклотканевые материалы типа 1080, достигает 0,14.

Эффект стекловолокна более очевиден для ламинарных плат, использующих однослойное стекловолокно, чем многослойное стекловолокно, поскольку среднее сложение нескольких стекловолокон делает распределение стекла более равномерным. Для миллиметровых волновых схем длина волны очень мала, обычные схемы очень тонкие, и материал обычно усиливается только слоем стекловолокна. В этом случае производительность схемы будет в большей степени зависеть от эффекта стекловолокна. Слоистые пластины с наполнителями (например, керамика) имеют этот дополнительный материал (Dk находится между Dk стекла и Dk смоляной системы), хотя он не может полностью решить эффект стекловолокна, но в определенной степени делает схему. Dk на пластине более однородным, чтобы уменьшить влияние эффекта стекловолокна при высоких частотах. Так, например, изготовленная компанией & quot; Роджерс & quot; ламинарная пластина RO4830 & quot; является материалом для этой схемы, в которой используются 1078 гладких стекловолокнистых тканей и керамических наполнителей.

Кроме того, ламинат RogersâRO3003â не содержит стеклянной ткани и является одним из материалов монтажных плат, обычно используемых в схемах миллиметрового диапазона. Это материал PCB с керамическим наполнением, Dk составляет 3,00, а допуск Dk контролируется в пределах ± 0,04. Эта согласованность DK имеет решающее значение для дифференциации в миллиметровых и высокоскоростных цифровых схемах.

Удаление стекловолокна

Одним из способов полностью избежать эффекта стекловолокна является использование материалов для монтажных плат, которые не содержат стекловолокна / ткани. В частности, для автомобильных радиолокационных схем, таких как использование миллиметровых волн 77 ГГц, использование высокочастотных плат без стекловолокна намного лучше, чем использование материалов из стекловолокна для армирования плат. Новейший RO3003G2â Rogers также является материалом без стеклянной ткани. Испытания показали, что он имеет очень последовательные характеристики между различными платами на миллиметровой частоте, например, последовательное сопротивление линии передачи микрополосы.

Когда речь идет об изменении сопротивления, изменения других материалов или параметров схемы, таких как ширина проводника, толщина меди и толщина подложки, также могут привести к изменению сопротивления линии передачи. Тем не менее, недавно выпущенный высокочастотный материал RO3003G2 полностью устраняет эффект стекловолокна, который влияет на сопротивление цепи или изменение производительности, что имеет решающее значение для частот 77 ГГц и выше.

Примечание: Этот блог основан на оригинальном докладе вебинара « Обзор влияния стеклоплетения на производительность PCB миллиметровых волн» (Обзор влияния стеклоплетения на производительность PCB миллисекундных волн).

У вас есть проблемы с дизайном или обработкой? Специалисты Rogersâ могут помочь вам в этом. Теперь вы можете войти на официальный сайт Роджерса « Центр технической поддержки», чтобы связаться с инженером за помощью.