Новости

Jul 03, 2023

Свойства материалов печатных плат и их влияние на производительность высокочастотных плат

Некоторые из наиболее важных параметров материала, которые влияют на затухание в линии: Хорошее понимание этих свойств и механизмов потерь в линиях передачи может помочь нам выбрать

Некоторые из наиболее важных параметров материала, которые влияют на затухание линии:

Хорошее понимание этих свойств и механизмов потерь в линиях передачи может помочь нам выбрать правильный материал печатной платы для нашего применения. Выбор материала — это первый шаг в процессе проектирования печатной платы. Сегодня разработчики высокоскоростных цифровых плат и ВЧ-продуктов могут выбирать из десятков материалов для печатных плат с контролируемым сопротивлением и малыми потерями. Многие поставщики ламината разработали собственные системы смол.

Для линии передачи с низкими потерями диэлектрические потери в дБ на дюйм определяются следующим уравнением:

\[\alpha_d \text{(дБ на дюйм)} = 2,32 f \ tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

где f — частота в ГГц. Как видно, диэлектрические потери напрямую определяются диэлектрической проницаемостью и тангенса угла потерь материала. Следовательно, мы можем использовать материал с меньшими значениями tan(δ) и εr, чтобы максимально ограничить ⍺d. Для трансиверов с очень высокой скоростью передачи данных рекомендуется использовать три материала: Nelco 4000-13EPSI, Rogers 4350B и Panasonic Megtron 6. На рисунке 1 ниже сравнивается тангенс потерь этих материалов с некоторыми другими распространенными материалами.

Чтобы лучше понять, как использование материала с низким Dk позволяет уменьшить толщину платы, рассмотрим полосковую линию, показанную на рисунке 2.

Наиболее популярное приближение характеристического сопротивления полосковой линии, рекомендованное IPC:

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0.8w+t} \big )\]

где:

При фиксированном Z0 и ширине следа w, если использовать материал с большим εr, то придется увеличить расстояние между плоскостями. Другими словами, большее значение εr может увеличить общую толщину платы. В платах высокой плотности с множеством сигнальных слоев это может значительно увеличить толщину платы. Более толстая плата означает, что в вашем проекте потребуются переходные отверстия с большим соотношением сторон. Соотношение сторон переходного отверстия — это его длина, деленная на диаметр.

Например, если у вас есть плата толщиной 0,2 дюйма и диаметром сквозного отверстия 0,02 дюйма, то соотношение сторон будет 10:1. В чем сложность иметь большое соотношение сторон? Напомним, что для обеспечения электрического соединения внутреннюю часть переходного отверстия необходимо покрыть медью с помощью гальванического раствора. На рис. 3 показано поперечное сечение металлизированного отверстия с соотношением сторон 15:1.

Большинство производителей печатных плат имеют возможность создавать переходные отверстия с соотношением сторон от 6:1 до 8:1. При более высоких соотношениях сторон нанесение покрытия становится все более трудным, поскольку внутренние части переходного цилиндра могут иметь более тонкое медное покрытие. Это может даже сделать центр переходного отверстия более склонным к растрескиванию под воздействием термических напряжений. Следовательно, при большем соотношении сторон вам, возможно, придется использовать более дорогие технологии производства печатных плат и возникнуть проблемы с надежностью вашей окончательной платы. Выбор материала с более низким Dk может несколько облегчить эти проблемы.

Диэлектрическая проницаемость материала печатной платы является функцией частоты. На рисунке 4 ниже показана частотная зависимость диэлектрической проницаемости некоторых распространенных ламинатов печатных плат.

Каковы последствия вариаций Dk? Диэлектрическая проницаемость влияет на два важных параметра: характеристический импеданс и скорость волны. Скорость распространения сигнала по линии передачи определяется выражением:

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

где с — скорость света в вакууме.

Из-за изменений Dk разные частотные компоненты сигнала могут иметь несколько разные скорости сигнала, что приводит к дисперсии сигнала. Кроме того, когда Dk уменьшается с частотой, характеристическое сопротивление линии увеличивается (уравнение 2). Это, следовательно, ухудшает отражение сигнала на более высоких частотах. Следовательно, желательно использовать материалы, которые имеют более плоскую частотную характеристику Dk в интересующем диапазоне частот.

На рисунке 4 показано, что зависимость Dk от частотной характеристики материалов семейства FR4 демонстрирует относительно большую вариацию. Вот почему рекомендуется избегать использования этого типа материала в высокоскоростных/высокочастотных приложениях (еще одной причиной этого являются высокие диэлектрические потери ламинатов печатных плат семейства FR4). Обратите внимание, что, к сожалению, большинство производителей указывают значения Dk только для нескольких конкретных частот.