Il modo migliore per scegliere i materiali per PCB ad alta frequenza

La progettazione di PCB ad alta frequenza è considerata esoterica e alcuni ingegneri l'hanno definita "magia nera"! Anche su questo argomento c'è un po' di confusione, soprattutto quando si parla del valore di frequenza che viene definito alto. In pratica, i problemi che si presentano nella configurazione di progettazione ad alta velocità esistono anche in quella ad alta frequenza. progettazione di PCB ad alta frequenzama queste sfide sono discusse in modo diverso. È necessario adottare alcune precauzioni per i materiali dei PCB ad alta frequenza prima di apportare modifiche alle schede ad alta velocità o RF.

Alcuni ingegneri che realizzano schede PCB funzionanti a radiofrequenza utilizzano un materiale laminato FR4 a basse perdite o un materiale laminato PTFE a bassa costante dielettrica. La bassa costante dielettrica non è sempre necessaria, ma dipende dal valore della frequenza, e possiamo lavorare con laminati standard o con laminati ad alta DK in base ai nostri progetti. Se avete domande sui materiali di cui avete bisogno per il vostro progetto, continuate a leggere l'articolo qui sotto, FS Technology vi fornirà una spiegazione dettagliata su materiali per PCB ad alta frequenza.

Caratteristiche del materiale per PCB ad alta frequenza

Il materiale del circuito stampato è il fulcro della fornitura delle proprietà del PCB. La tecnologia FS divide PCB ad alta frequenza materiali in materiali organici e inorganici, tra cui:

  • Materiali organici: resina fenolica, fibra di vetro/resina epossidica, poliimmide, BT/Epossidica, ecc.
  • Materiali inorganici: alluminio, rame-invar-rame, ceramica, ecc.
 

Quando si acquistano materiali per circuiti stampati ad alta frequenza, non si può scegliere alla cieca, ma bisogna prestare maggiore attenzione alle proprietà del materiale in base alle caratteristiche speciali del progetto. Diversi produttori producono questi materiali e cercano di realizzare prodotti migliori dei loro concorrenti in base alle caratteristiche elettromagnetiche dei materiali.

Dk e Df

È un punto molto comune che si riscontra quando si legge la scheda tecnica. Questi valori sono indicati su un certo valore di frequenza, normalmente 1GHz o 10 Ghz, sulla base dei requisiti dei clienti. Molti ingegneri leggono queste caratteristiche perché lavorano per sistemi che necessitano di minori perdite, quindi fanno confronti tra le perdite dielettriche prima di iniziare il lavoro. I fatti significativi per la realizzazione di PCB ad alta frequenza per il progetto richiesto sono menzionati di seguito:

  • Per realizzare piccoli PCB RF, è necessaria una porzione maggiore di costante dielettrica
  • Se si desidera avere basse perdite, allora si sceglie una costante dielettrica inferiore.
 

Se l'interconnessione ha una lunghezza elevata e può comportare perdite elevate, utilizzare un materiale con una porzione immaginaria di DK più piccola. La porzione reale di DK non sarà utilizzata per le perdite dielettriche se l'impedenza è conforme al valore richiesto. Tuttavia, Dk non ha alcun effetto sulla determinazione della lunghezza d'onda del segnale operativo per le schede HF. I circuiti di piccole dimensioni richiedono normalmente una lunghezza d'onda ridotta, il che indica che è necessario un valore elevato di DK.

Confronto tra le lunghezze d'onda di un DK alto e di un DK basso per PCB ad alta frequenza

Un punto relativo al PCB ad alta frequenza basato sulla risonanza è la direzione del campo elettrico. La costante dielettrica dei materiali del substrato non è uguale su tutti gli assi del materiale, quindi la costante dielettrica troverà la velocità di propagazione delle onde e la risonanza dipenderà dalla direzione del campo elettrico nel sistema. Queste differenze possono essere di circa il 5%, ma hanno un effetto nelle strutture ad alto Q, come i risonatori corti e gli emettitori compatibili con i segnali modulati. Il valore della costante dielettrica relativo alle diverse direzioni di polarizzazione elettrica deve essere determinato nella scheda tecnica del materiale.

Spessore e dimensioni del pannello del PCB ad alta frequenza

Sembra un po' banale, ma il materiale dei pannelli HF non è disponibile in qualsiasi spessore e dimensione desiderata. Questi materiali sono normalmente laminati rivestiti di rame con un certo spessore e molti laminati possono essere impilati insieme utilizzando uno strato adesivo. Possono essere utilizzati in stack-up ibridi con un'altra categoria di laminati FR4 dello stesso spessore. Lo spessore del laminato determina lo spessore totale della scheda; con questa larghezza di linea della traccia di rame possiamo utilizzarla per l'instradamento del segnale RF e realizzare circuiti RF stampati su schede PCB.

Lo spessore è il fattore principale in quanto determina la larghezza di linea necessaria per soddisfare l'impedenza del sistema richiesta. Si tratta di una parte significativa di qualsiasi categoria di scheda ad alta frequenza, poiché i componenti e tutti i componenti stampati saranno creati per un'impedenza di sistema di cinquanta ohm. Se si dispone di circuiti di adattamento dell'impedenza per far coincidere l'impedenza dei circuiti stampati con l'impedenza del sistema, anche lo spessore del substrato troverà un disadattamento dell'impedenza che deve essere compensato dai circuiti di adattamento poiché regola la distanza dalla terra per l'anno successivo. Quindi, se avete bisogno di ottenere circuiti stampati e larghezze di linea ridotte, considerate questi due fattori.

  • Per i circuiti più piccoli è necessario applicare un valore DK elevato.
  • Utilizzare un laminato più sottile per circuiti più piccoli
Spessori tipiciDimensioni tipiche dei pannelli
PollicimmPollicimm
0.010 0.2512×18305×457
0.020 0.5116×18406×457
0.030 0.7618×24457×610
0.061.5236×48914×1220

Se il lavoro è con l'esterno chiavi in mano e si deve attingere alle scorte di materiale, allora bisogna essere limitati nei materiali e normalmente non avere una certa dimensione di pannello. Il Commercio all'ingrosso di PCB Il produttore ha la fortuna di avere grandi scorte di materiale. Le dimensioni del pannello indicano i prezzi per un'unità, poiché il pannello contiene il maggior numero di pannelli. Se si ha la possibilità di ottenere pannelli di dimensioni più grandi o più piccole rispetto all'area del pannello standard, ciò rappresenta un vantaggio e un'opportunità per ottenere pannelli aggiuntivi.

Materiale della lamina di rame per PCB ad alta frequenza

I materiali per le alte frequenze possono utilizzare un gruppo specifico di lamine di rame, che può essere rame laminato-ricotto o rame ruvido a basso profilo, progettato per fornire minori perdite. Un buon datasheet definirà la rugosità approssimativa, in modo da poter avere un'idea delle perdite approssimative per la frequenza operativa. Normalmente, una cooperazione più liscia è favorevole dal punto di vista delle perdite, poiché aumenta di poco l'effetto pelle e riduce la deviazione dell'impedenza. Se l'interconnessione è più piccola e abbiamo bisogno di un PCB più piccolo, allora preferiamo il DK/Df al tipo di foglio di rame.

Se si deve valutare un certo materiale per schede HF e si devono considerare le perdite dei conduttori nei circuiti, si possono usare le tecniche di base per la costante di propagazione per trovare le perdite dei conduttori attraverso l'uso della resistenza CC della traccia, dell'effetto pelle e del fattore di rugosità del rame.

Formula della perdita di potenza per unità di lunghezza del conduttore del PCBA ad alta frequenza

L'effetto pelle e la resistenza CC possono essere misurati con l'uso di una calcolatrice, ma il fattore di rugosità K del rame richiede una misurazione o un modello di rugosità standard.

Per la struttura delle schede RF si utilizza normalmente un foglio di rame più liscio. A questo proposito, è necessario prendere in considerazione il materiale di placcatura, che può creare un'interfaccia ruvida nello strato di rame, con conseguenti perdite elevate. Esistono due placcature superficiali che possono fornire perdite aggiuntive praticamente nulle rispetto al rame nudo: OSP e argento per immersione.

Normalmente, se si lavora su Wi-Fi a 2,4Ghz o se le connessioni sono lunghe, è necessario scegliere un materiale di placcatura a bassa perdita.

Proprietà termiche e meccaniche dei materiali per PCB ad alta frequenza

A volte si nota che il progetto che si intende realizzare non ha un funzionamento affidabile. In particolari tipi di sistemi, come l'avionica ad alta frequenza, le caratteristiche termiche e meccaniche vengono considerate per prime, poiché i dispositivi possono essere soggetti a temperature elevate, cicli termici ripetuti, vibrazioni meccaniche o urti durante il funzionamento. Ad esempio, abbiamo realizzato alcuni dispositivi per clienti del settore aerospaziale che utilizzano laminati Roger a causa dei moduli di trazione. Un'altra caratteristica del materiale che si desidera ottenere da un gruppo di stack-up ibridi è la corrispondenza CTE; alcuni materiali PTFE possono corrispondere ai parametri CTE dell'FR4 e quindi essere utilizzati con precisione negli stack-up di schede ibride.

Sintesi

Esistono numerosi tipi di materiali sul mercato e alcuni fornitori meno conosciuti non sono la prima scelta per il vostro progetto e non hanno la capacità di fornire laminati per PCB ad alta frequenza. I produttori cinesi di PCBA chiavi in mano di alta qualità, come FS Technology, sono in grado di realizzare schede PCBA ad alta frequenza ordinarie, ma non hanno nemmeno problemi con i laminati per circuiti stampati ad alta frequenza. PCBA a onde millimetriche. Non tutti i produttori sono in grado di fornire conoscenze sui PCBA mmWave o 5G. PCBAe anche se lo facessero, non potrebbero fornire tale servizio.

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