Công nghệ vi sóng - Ảnh hưởng của vật liệu và quy trình trên PCB Circuit Board Dk

Với sự gia tăng DK của bảng in, việc kiểm soát tính nhất quán pha của vật liệu bảng in ngày càng trở nên khó khăn hơn. Dự đoán chính xác sự thay đổi pha của vật liệu bảng mạch không phải là một nhiệm vụ đơn giản hoặc thông thường. Giai đoạn tín hiệu của PCB tốc độ cao tần số cao phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của đường truyền mà nó xử lý và hằng số điện môi (DK) của vật liệu bảng mạch. Dk của môi trường càng thấp (ví dụ Dk của không khí là khoảng 1,0), sóng điện từ truyền đi càng nhanh. Khi Dk tăng lên, sự lan truyền của sóng chậm lại và hiện tượng này cũng ảnh hưởng đến phản ứng pha của tín hiệu truyền. Sự thay đổi pha dạng sóng sẽ xảy ra khi Dk của phương tiện truyền thông thay đổi, vì Dk thấp hơn hoặc cao hơn sẽ làm cho tín hiệu di chuyển nhanh hơn hoặc chậm hơn trong phương tiện truyền thông tương ứng.

DK mạch PCB của vật liệu thường là đẳng hướng với các giá trị DK khác nhau trong ba chiều (3D) của chiều dài, chiều rộng và độ dày (tương ứng với trục x, Y và Z). Đối với một số loại thiết kế mạch đặc biệt, cần phải xem xét không chỉ sự khác biệt của Dk mà còn ảnh hưởng của việc sản xuất mạch đến pha. Khi tần số hoạt động của PCB tăng lên, sự ổn định pha và khả năng dự đoán sẽ ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt là ở tần số vi sóng và sóng milimet, chẳng hạn như thiết bị cơ sở hạ tầng mạng truyền thông không dây di động thế hệ thứ năm (5G) và Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) trong các phương tiện hỗ trợ điện tử.

Vậy điều gì đã gây ra sự thay đổi Dk của vật liệu bảng mạch? Trong một số trường hợp, sự khác biệt Dk trên PCB là do chính vật liệu (ví dụ, thay đổi độ nhám của bề mặt đồng). Trong các trường hợp khác, quá trình sản xuất PCB cũng có thể gây ra sự thay đổi DK. Ngoài ra, môi trường làm việc khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ làm việc cao, cũng có thể gây ra những thay đổi trong mạch PCB Dk. Nghiên cứu cách PCB Dk thay đổi bằng cách hiểu các đặc tính của vật liệu, quy trình sản xuất, môi trường làm việc và thậm chí cả phương pháp thử nghiệm Dk. Điều này cho phép hiểu rõ hơn và dự đoán sự thay đổi pha của PCB và giảm thiểu tác động của nó.

đẳng hướng là một tính chất quan trọng của vật liệu bảng mạch, và tính chất của Dk rất giống với "tensor" trong toán học ba chiều. Các giá trị Dk khác nhau trên ba trục dẫn đến sự khác biệt về thông lượng điện và cường độ điện trường trong không gian ba chiều. Tùy thuộc vào loại đường truyền được sử dụng trong mạch, pha của mạch có cấu trúc khớp nối có thể được thay đổi bởi đẳng hướng của vật liệu và hiệu suất của mạch phụ thuộc vào hướng pha trên vật liệu bảng. Thông thường, đẳng hướng của vật liệu bảng mạch thay đổi theo độ dày và tần suất hoạt động của bảng, và vật liệu có giá trị Dk thấp hơn có đẳng hướng nhỏ hơn. Gia cố đầy cũng góp phần vào sự thay đổi này: vật liệu PCB với gia cố sợi thủy tinh thường có dị hướng lớn hơn so với vật liệu PCB không có gia cố sợi thủy tinh. Khi pha là chỉ số chính và Dk của PCB là một phần của mô hình thiết kế mạch, mô tả và so sánh giá trị Dk giữa hai vật liệu nên được áp dụng cho Dk trên cùng một trục hướng. Để biết thêm chi tiết về các yếu tố khác nhau, bao gồm cả phương pháp đo lường, thay đổi vật liệu PCB Dk, hãy xem hội thảo trên web của Rogers "Tìm hiểu cách vật liệu mạch và sản xuất ảnh hưởng đến sự thay đổi mạch PCB Dk và tính nhất quán pha (Tìm hiểu cách vật liệu PCB và quy trình sản xuất ảnh hưởng đến sự thay đổi PCB Dk và tính nhất quán pha)".

Kiến thức chuyên sâu về thiết kế DK

Dk hiệu quả của mạch phụ thuộc vào cách sóng điện từ di chuyển trong một loại đường truyền cụ thể. Tùy thuộc vào đường truyền, một phần của sóng điện từ sẽ được truyền qua vật liệu điện môi của PCB và một phần khác sẽ được truyền qua không khí xung quanh PCB. Giá trị Dk của không khí (khoảng 1,00) thấp hơn giá trị của bất kỳ vật liệu mạch nào, do đó giá trị Dk hợp lệ về cơ bản là giá trị Dk kết hợp được xác định bằng sự hợp tác của các sóng điện từ truyền trong dây dẫn, trường điện từ truyền trong vật liệu điện môi và sóng truyền trong không khí xung quanh bệ. "Thiết kế Dk" cố gắng cung cấp Dk thực tế hơn "Dk hiệu quả" vì nó xem xét tác động kết hợp của các kỹ thuật dây truyền khác nhau, phương pháp sản xuất, dây dẫn và thậm chí cả phương pháp thử nghiệm được sử dụng để đo Dk. Thiết kế Dk là Dk được chiết xuất khi kiểm tra vật liệu ở dạng mạch, Và nó cũng là giá trị Dk phù hợp nhất cho thiết kế mạch và mô phỏng. Dk thiết kế không phải là Dk hiệu quả cho mạch, mà là Dk thiết kế có thể phản ánh hiệu suất thực sự của mạch bằng cách đo Dk vật liệu được xác định bởi Dk hiệu quả.

Trong các vật liệu điện môi PCB có độ dày khác nhau, độ nhám bề mặt của lá đồng dẫn có ảnh hưởng khác nhau đến phản ứng pha của DK mạch PCB được thiết kế. Vật liệu có chất nền dày hơn thường ít bị ảnh hưởng bởi độ nhám bề mặt của dây dẫn lá đồng. Ngay cả đối với dây dẫn lá đồng có bề mặt gồ ghề, giá trị Dk thiết kế gần với phương tiện Dk của vật liệu lót. Ví dụ, vật liệu bảng mạch 6,6 triệu RO4350Bã của Rogers có thiết kế Dk trung bình là 3,96 ở tốc độ 8 đến 40 GHz. Đối với cùng một vật liệu có độ dày 30 mils, Dk thiết kế được giảm xuống trung bình 3,68 trên cùng dải tần số. Dk thiết kế là 3,66 khi độ dày cơ sở của vật liệu được tăng gấp đôi một lần nữa (60 mils), Dk vốn có của phương tiện truyền thông của tấm laminate gia cố sợi thủy tinh này.

Như bạn có thể thấy từ ví dụ trên, chất nền dày hơn ít bị ảnh hưởng bởi độ nhám của lá đồng và giá trị Dk được thiết kế tương đối thấp. Tuy nhiên, nếu một bảng mạch dày hơn được sử dụng để sản xuất mạch xử lý, đặc biệt là ở tần số sóng milimet có bước sóng tín hiệu nhỏ hơn, thì việc duy trì biên độ và pha của tín hiệu sẽ khó khăn hơn. Các mạch tần số cao thường phù hợp hơn với các bảng mạch mỏng hơn, trong đó phần trung bình của vật liệu ít ảnh hưởng đến thiết kế Dk và hiệu suất mạch. Mất tín hiệu và hiệu suất pha của chất nền PCB mỏng hơn bị ảnh hưởng nhiều bởi dây dẫn. Ở tần số sóng milimet, chúng cũng nhạy cảm hơn với các đặc tính dây dẫn, chẳng hạn như độ nhám bề mặt lá đồng, so với các chất nền dày, về mặt Dk được thiết kế cho vật liệu mạch.

Cách chọn Transport Line Circuit

Ở tần số vô tuyến/vi sóng và tần số sóng milimet, các kỹ sư thiết kế mạch sử dụng các kỹ thuật đường truyền truyền thống như microbands, dải và ống dẫn sóng chung mặt đất (GCP). Mỗi công nghệ có một cách tiếp cận thiết kế khác nhau, những thách thức thiết kế và những lợi thế liên quan. Ví dụ, sự khác biệt trong hành vi ghép nối của mạch GCPW sẽ ảnh hưởng đến DK thiết kế mạch. Đối với các đường GCPW được ghép nối chặt chẽ cũng như các đường truyền có khoảng cách chặt chẽ, truyền điện từ hiệu quả hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng không khí giữa các vùng ghép nối chung và giảm thiểu tổn thất. Mất mạch có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng dây dẫn đồng dày hơn với các thành bên cao hơn của dây dẫn ghép nối, nhưng quan trọng hơn là hiểu được tác động tương ứng của việc giảm độ dày của dây dẫn đồng.

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến thiết kế Dk của một mạch và vật liệu bảng mạch nhất định. Ví dụ, hệ số nhiệt độ Dk (TCDk) của vật liệu bảng mạch được sử dụng để đo ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động đối với Dk thiết kế và hiệu suất. Giá trị của TCDk thấp hơn có nghĩa là vật liệu bảng ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn. Tương tự, độ ẩm tương đối cao (RH) có thể làm tăng Dk thiết kế của vật liệu bảng mạch, đặc biệt là đối với các vật liệu có độ ẩm cao. Các đặc tính của vật liệu bảng mạch, quy trình sản xuất mạch và sự không chắc chắn trong môi trường làm việc đều ảnh hưởng đến Dk của thiết kế vật liệu bảng mạch PCB. Tác động của chúng chỉ có thể được giảm thiểu bằng cách hiểu các tính năng này và xem xét chúng trong quá trình thiết kế.