PCB-Technologie - Analyse des Glasfasereffekts von Leiterplattenmaterialien bei Millimeterwellenfrequenz ​

Analyse des Glasfasereffekts von Leiterplattenmaterialien bei Millimeterwellenfrequenz

Allgemein, um die Festigkeit von Leiterplattenmaterialien zu verbessern, Die häufigste Methode ist, Glasfaser hinzuzufügen/Tuch zum Leiterplatte(PCB) dielectric layer. Selbst die dünnste Leiterplatte, sobald Glasfaser hinzugefügt wird, seine Festigkeit kann verbessert werden. Aber was ist der Preis dafür zu zahlen? Was sind die Leistungskompromisse?? Glas hat seine eigenen Materialeigenschaften. Wenn es mit den Medium- und Oberflächenkupferfolienmaterialien kombiniert wird, aus denen das Hochfrequenz-Leiterplattenmaterial besteht, Welche Auswirkungen hat es auf die elektrische Leistung der Schaltung? Dieser Blog wird versuchen, "Einblick" in die Auswirkungen von Glasfaser auf Hochfrequenz-Leiterplatten, insbesondere Millimeterwellenschaltungen. Weil Millimeterwellen-Leiterplatten are becoming more and more important in emerging automotive radar systems (77GHz) and fifth-generation (5G) cellular wireless communication systems.

Durch Mischen von Glasfasern mit verschiedenen Harzen, die Leiterplattenmaterialien bilden, werden die Festigkeit und Haltbarkeit der auf diese Weise gebildeten Leiterplatte erheblich verbessert. Wenn die Leiterplatte eine hohe mechanische Festigkeit erfordert, können eine oder mehrere Schichten Glasgewebe in das dielektrische Substrat gemischt werden, und keramische Materialien werden als Füllstoffe gemischt, um eine hohe mechanische Festigkeit zu erreichen. Rogerslaminate verwenden diesen Ansatz. Glasfaser ist jedoch in der Regel eine gewebte Struktur, die eine höhere dielektrische Konstante (Dk) als dielektrische Materialien (und keramische Füllstoffe) aufweist. Materialien mit unterschiedlichen Dk-Werten können in der Regel keine perfekte gleichmäßige Verteilung während des gesamten Mischprozesses erreichen, was dazu führt, dass Leiterplattenmaterialien unterschiedliche Größen und Dk-Abstände auf kleinem Raum haben. Bei HF- und Mikrowellenfrequenzen mag diese Änderung in Dk nicht so wichtig sein, aber sie wird einen größeren Einfluss auf Millimeterwellenfrequenzen mit kleineren Wellenlängen haben.

Dieser Effekt von Glasfaser auf die Schaltungsleistung des Leiterplattenmaterials wird Glaseffekt (GWE) oder Fasereffekt (FWE) genannt. Glasfaser ist der verstärkende Teil von Leiterplattenmaterialien, der wirklich hilft, extrem dünne und langlebige Leiterplattenmaterialien herzustellen. Dünnere Materialien haben offensichtliche Vorteile für Anwendungen mit kompakten Verpackungsanforderungen, und sie sind sehr geeignet für Anwendungen mit höheren Frequenzen, kleinen Wellenlängen Schaltkreisen, wie 28GHz oder höheren Frequenzmillimeter Wellenkreisen.

Idealerweise umfassen Leiterplattenmaterialien Glasfaser und Kupferfolie, um eine konstante Leistung zu erzielen. Glasfaser ist nicht nur der Fokus von Millimeterwellenanwendungen, sondern beeinflusst auch Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen, beeinflusst Übertragungsverzögerungen und Verzerrungen zwischen benachbarten Signalen und Zeitunterschiede (was zu erhöhten Bitfehlerraten führt). In diesem Blog geht es darum, wie sich der Glasfasereffekt GWE auf 77 GHz und andere Millimeterwellenschaltungen auswirkt.

Änderungen identifizieren

Bei Millimeterwellenfrequenzen verursachen selbst kleine Änderungen des Leiterplattenmaterials Dk Änderungen der elektrischen Eigenschaften, wie Signalverzögerung und Phasendifferenzen der Übertragungsleitung. Bei dünneren Schaltkreisen erhöht Glasfaser zwar die Festigkeit, erhöht aber auch Dk, das viel höher ist als die umgebenden dielektrischen Materialien. Der Dk der Glasfaser beträgt etwa 6.0, und der Dk des dielektrischen Materials ist etwa 2.1-2.6, und der GesamtDk von etwa 3.0 kann nach dem Mischen erhalten werden. Die Glasfaser/das Tuch, das verwendet wird, um eine Hochfrequenz-Leiterplatte zu bilden, ist normalerweise kein perfektes Gitter und kann aufgrund von Transport und Handhabung verformt werden, bevor das Leiterplattenmaterial hergestellt wird.

Darüber hinaus kann die Schaltungsdrahtung auf Hochfrequenz-Leiterplattenmaterialien auch dazu führen, dass der Glasfasereffekt mehr oder weniger Leistungsauswirkungen auf die gesamte Schaltung hat. Das Glasgewebe wird durch Glasfaser gewebt, und sein Muster hat die folgenden Eigenschaften: In dem kleinen Bereich des Leiterplattenmaterials werden an einigen Stellen Glasfasern miteinander verwoben und überlagert, aber es gibt Hohlräume in einigen Bereichen, und es gibt keine Glasfaser. Der Leistungsunterschied der Übertragungsleitung tritt in den Bereichen auf, in denen diese Glasfasern miteinander verwoben sind. Die Bereiche mit mehr Glasfasern werden "Knuckle-Bundle Areas" und die Bereiche mit weniger Glas "Bündel-Open Areas" genannt. Der Dk-Wert der "Knöchelüberquerungszone" ist höher als die "Bündelöffnungszone" mit weniger Glasfasern. Aufgrund der gemischten Natur der Leiterplattenmaterialien kann die Übertragungsleitung durch den hohen Glasfaserbereich, den glasfreien Bereich, oder durch die beiden Bereiche gleichzeitig in einer "Zickzack"-Form passieren, was dazu führt, dass die gleiche Übertragungsleitung durch den Ort geht, an dem die Dk unterschiedlich ist. Großer Leistungsunterschied.

Da der Glasfasereffekt mit zunehmender Frequenz oder mit höheren digitalen Geschwindigkeiten immer wichtiger wird, versuchen die Forschungs- und Entwicklungsmitarbeiter von Leiterplattenmaterialien, diese Effekte durch verschiedene Arten von Glasfasern und Mustern zu minimieren. Die folgenden verschiedenen Glasfasertypen werden üblicherweise in den Leiterplattenmaterialien von Millimeterwellenschaltungen verwendet, nämlich: 106-Typ Öffnung ausgeglichenes gewebtes Glasgewebe, 1080-Typ Öffnung unausgewogenes gewebtes Glasgewebe und 1078 flache Faseröffnung ausgeglichenes gewebtes Glasfasergewebe. Die drei Arten von Glasfasern sind relativ dünn. Das "ausgewogene" Weben bezieht sich hier auf das Verhältnis von Dicke und Dichte der Glaskettgarne auf der X-Achse zu den Schussgarnen auf der Y-Achse der Glasfaser. Der offene Bereich zwischen den Glasfasergarnbündeln kann verschiedene geometrische Strukturen haben, aber die Dicke und Dichte des Glasfasergarns bestimmt, ob es ausgeglichen ist. 1078 Glasgewebe hat eine flache Faseröffnung gewebte Struktur und ist gleichmäßig im Material ohne Faseröffnungsbereiche verteilt; Während das Material von 106 und 1080 Glasgewebe unterschiedlich ist, gibt es Öffnungen zwischen den gewebten Glasfasern.

77 GHz Differenz

Die Forschung an verschiedenen Glastucharten von Leiterplattenmaterialien hat ergeben, dass die Übertragungsleitungsschaltungen in verschiedenen Glasfaser-"Knöchelüberquerungsbereichen" und "Strahlenöffnungsbereichen" angeordnet sind und ihre Leistung erheblich unterschiedlich sein wird. Entwerfen Sie aus den oben genannten drei typischen Glastucharten von Leiterplattenmaterialien die Schaltung für die Messung. Das Material verwendet kalandriertes Kupfer, um den Einfluss der Rauheit der Kupferfolie zu minimieren, und wählt die Schaltungen aus, die durch den "Knöchelüberquerungsbereich" und den "Strahlöffnungsbereich" gehen, um mit dem Netzwerkanalysator zu messen. Die Messparameter umfassen die Gruppenverzögerung, Ausbreitungsverzögerung und Phasenwinkelantwort jeder Schaltung sowie die daraus resultierenden Leistungsunterschiede, um einen Einblick zu erhalten, wie verschiedene Glasfasern und unterschiedliche Glasfaserstrukturen unterschiedliche Dk-Werte in der Schaltung erzeugen.

Dieses Experiment verwendet eine 4mil Dicke von Polytetrafluorethylen (PTFE) Material, kein Füllstoff, kalandriertes Kupfer und eine Kombination der oben genannten drei verschiedenen Glastücher. Das Glasfaser-Leiterplattenmaterial des Typs 1078 hat eine flache und ausgewogene Konfiguration, die den Unterschied zwischen der Richtung des "Knöchelkreuzbereichs" zur Schaltung und der Richtung des "Strahlöffnungsbereichs" minimiert. Das Testergebnis zeigt, dass die Phasendifferenz der Schaltung aus dieser Art von 1078 Glasfaser-Leiterplattenmaterial nur 20 Grad bei der Frequenz von 77 GHz beträgt.

Wie sieht die Leistung der beiden anderen Glasfasern aus? Das gleiche 4mil-dicke PTFE nicht gefüllte gewalzte Kupfer Laminat Material. Die verwendete 106-Glasfaser hat ein offenes Gewebe und eine ausgewogene Struktur. Der Phasenwinkel der Richtungen "Knöchelkreuzzone" und "Strahl offene Zone" bei 77 GHz Der durchschnittliche Unterschied beträgt 100 Grad. Das 1080-Glasgewebe, das im gleichen Schaltungsmaterial verwendet wird, hat eine offene Webart und eine unausgewogene Struktur, und die durchschnittliche Phasenwinkeldifferenz der Schaltung bei einer Frequenz von 77 GHz beträgt 149 Grad.

Was ist der Unterschied im Dk des Leiterplattenmaterials, der durch diese Unterschiede verursacht wird, die durch den Glasfasereffekt verursacht werden? Die Ergebnisse derselben Schaltung oben zeigen, dass der Unterschied zwischen der Schaltung im "Knöchelquerbalkenbereich" und der Schaltung im "Strahlöffnungsbereich" einer Änderung in Dk von etwa 0,02 für die Schaltung mit dem 1078 Glastuchmaterial entspricht. Unter Verwendung von 106-Glastuchmaterial ist der Unterschied in Dk relativ groß, was 0.09 ist. Die maximale Dk-Differenz, die der Schaltung entspricht, die das 1080-Glastuchmaterial verwendet, erreicht 0.14.

Bei Schaltungslaminaten, die eine einzelne Schicht Glasfaser verwenden, ist der Glasfasereffekt offensichtlicher als der von mehrschichtigen Glasfaserlaminaten, da die durchschnittliche Stapelung mehrerer Glasfasern die Glasverteilung gleichmäßiger macht. Für Millimeterwellenschaltungen ist die Wellenlänge sehr klein, und die übliche Schaltung ist sehr dünn, und das Material wird normalerweise nur durch eine Schicht Glasfaser verstärkt. In diesem Fall wird die Schaltungsleistung stärker durch den Glasfasereffekt beeinflusst. Laminate mit Füllstoffen (wie Keramik) haben dieses zusätzliche Material (das Dk befindet sich zwischen dem Dk des Glases und dem Dk des Harzsystems), obwohl es den Glasfasereffekt nicht vollständig lösen kann, aber es wird die Schaltung zu einem gewissen Grad machen. Das Dk auf dem Leiterplattenmaterial ist gleichmäßiger, um den Einfluss des Glasfasereffekts unter hoher Frequenz zu reduzieren. Zum Beispiel ist RO4830™ Laminat von Rogers Corporation diese Art von Schaltungsmaterial, mit 1078 flachem offenem Glasfasergewebe und keramischem Füllstoff.

Darüber hinaus enthält Rogersâ€RO3003™ Laminat kein Glasgewebe und ist eines der am häufigsten verwendeten Leiterplattenmaterialien für Millimeterwellenschaltungen. Dies ist ein keramisch gefülltes Leiterplattenmaterial mit einem Dk von 3,00 und einer Dk Toleranz, die innerhalb von ±0,04 gesteuert wird. Diese Dk-Konsistenz ist für Differentialpaare in Millimeterwellenschaltungen und digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen unerlässlich.

Glasfaser entfernen

Eine Möglichkeit, den Glasfasereffekt vollständig zu vermeiden, ist, ein Leiterplattenmaterial ohne Glasfaser/Tuch zu verwenden. Besonders für Automobilradarschaltungen wie die Verwendung von 77GHz Millimeterwellen ist es viel besser, Hochfrequenz-Leiterplattenmaterialien ohne Glasfaser zu verwenden als solche mit glasfaserverstärkten Leiterplattenmaterialien. Rogers neuestes RO3003G2™ Schaltungslaminat ist auch ein Material, das kein Glasgewebe enthält. Tests haben gezeigt, dass es eine sehr konsistente Leistung zwischen verschiedenen Leiterplatten bei Millimeterwellenfrequenzen aufweist, wie z.B. eine konsistente Impedanz der Mikrostreifen-Übertragungsleitung.

Wenn es um Impedanzänderungen geht, andere Materialien oder Schaltungsparameter, z. B. Änderungen der Leiterbreite, Kupferdicke, und Substratdicke, kann auch Änderungen der Impedanz der Übertragungsleitung verursachen. Allerdings, das neu veröffentlichte RO3003G2 Hochfrequenz-Platine Material eliminiert vollständig den Glasfasereffektfaktor, der die Schaltungsimpedanz oder Leistungsänderungen beeinflusst, was für 77 GHz und höhere Frequenzen kritisch ist.

Hinweis: Dieser Blog basiert auf dem Webinarbericht des ursprünglichen Autors "Eine Übersicht über die Auswirkungen von Glasgewebe auf die Leistung von Millimeterwellen-Leiterplatten" (Eine Übersicht über die Auswirkungen von Glasgewebe auf die Leistung von Millimeterwellen-Leiterplatten).

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