Substrato IC - Trovare materiale PCB adatto per radar automobilistici 77GHz

La frequenza operativa dei sistemi di sicurezza elettronici automobilistici è sempre più elevata e l'uso di sensori radar automobilistici a 77 GHz per i sistemi di sicurezza renderà un giorno il traffico urbano più sicuro. Come introdotto nel precedente blog ROG, il "radar veicolo" in banda d'onda millimetrica 77 GHz è stato progettato e prodotto. I materiali dei circuiti utilizzati per le frequenze d'onda millimetriche (da 30 GHz a 300 GHz) affrontano requisiti speciali, che di solito sono diversi dai circuiti a frequenze a microonde di 30 GHz o inferiori. Tuttavia, secondo la pratica e l'esperienza dei progettisti di circuiti d'onda millimetrica, i parametri materiali di alcuni circuiti possono essere strettamente correlati alle alte prestazioni nei circuiti d'onda millimetrica e alcuni materiali del circuito, come i circuiti RO3003™ di Rogers, hanno le caratteristiche dei circuiti d'onda millimetrica. I parametri del materiale richiesti possono mostrare prestazioni eccellenti a 77 GHz e frequenze superiori.

Come descritto nel precedente blog ROG, le caratteristiche dei sei materiali chiave del circuito utilizzato per implementare circuiti a bassa perdita a frequenze d'onda millimetriche e 77 GHz sono:

Tolleranza Dk Materiale del circuito DfRugosità superficiale del conduttore del foglio di rame Coefficiente di stabilità termica di assorbimento Dk e DfWater Effetto della tessitura di vetro Quando utilizzato come guida per la selezione dei materiali del circuito stampato per antenne PCB radar automobilistiche 77GHz e altre applicazioni del circuito di onde millimetriche, Le prestazioni di questi sei materiali indicano in gran parte che i circuiti RO3003™ sono molto adatti per circuiti a bassa perdita. Infatti, è proprio per le sue caratteristiche che sono molto adatti alle esigenze speciali dei circuiti ad onda millimetrica, i circuiti RO3003™ sono ampiamente utilizzati nei circuiti ad onda millimetrica. Può fornire diversi tipi di fogli di rame, come il rame elettrolitico (ED) e il rame laminato più liscio (e meno perdita), consentendo ai progettisti di specificare con precisione le caratteristiche dei loro circuiti stampati per soddisfare i requisiti più esigenti delle applicazioni dei circuiti ad onde millimetriche.

Sei proprietà chiave dei materiali

Qual è la relazione tra questi sei parametri chiave del materiale e le prestazioni elettriche a 77 GHz e altre frequenze d'onda millimetriche? Alle frequenze d'onda millimetriche, la lunghezza d'onda del segnale è più breve ed è più importante che il materiale del circuito stampato abbia un valore dielettrico costante Dk rigorosamente controllato che selezionare solo materiali con un Dk basso. Da un lato, Dk strettamente controllato può raggiungere prestazioni più coerenti; D'altra parte, i cambiamenti in Dk (ΔDk) determineranno angoli di fase incoerenti a 77 GHz, il che comporterà scarse prestazioni del sensore radar a questa frequenza.

Il Dk del materiale del circuito estratto dal circuito (o chiamato il design Dk), il suo valore Dk è influenzato dalla tolleranza del materiale Dk e anche influenzato dalle caratteristiche di altri materiali vari del circuito stampato, compresi i cambiamenti nella rugosità superficiale dei conduttori della lamina di rame. Il cambio Dk di progettazione che può influenzare le prestazioni del circuito a 77 GHz dovrebbe essere minimizzato, compreso il cambio Dk di progettazione di controllo e altre caratteristiche del circuito che influenzano il cambiamento Dk di progettazione. Il modo migliore per determinare il grado di variazione Dk di progettazione è quello di effettuare misurazioni accurate e ripetibili sul circuito di riferimento di più campioni provenienti da diversi lotti di produzione.

Analogamente, il fattore di perdita (Df) del materiale del circuito stampato deve essere rigorosamente controllato per ottenere prestazioni ripetibili e a bassa perdita del circuito a 77 GHz. La scelta di un materiale del circuito a basso Df è un obiettivo degno di attenzione, ma è anche importante mantenere una variazione stabile di Df con frequenza alle frequenze d'onda millimetriche. Il cambiamento di Df è un altro fattore che influenza il cambiamento di Dk di progettazione, che rende difficile mantenere la stabilità di fase e frequenza sotto segnali di lunghezza d'onda piccola con frequenze d'onda millimetriche.

Alla frequenza di 77GHz, la rugosità superficiale del conduttore della lamina di rame del materiale del circuito stampato ha un'influenza significativa sulla perdita del conduttore. Più liscia è la lamina di rame, minore è la perdita. Sebbene il rame elettrolitico (ED) sia un tipo di conduttore di lamina di rame ampiamente usato nei circuiti di frequenza d'onda millimetrica, presenta una perdita maggiore rispetto al rame laminato a causa della sua rugosità. Quando si valutano le proprietà dei materiali del circuito stampato a 77GHz e frequenze d'onda millimetriche, la resistenza della buccia (compreso il riscaldamento iniziale e dopo) non può essere ignorata, perché l'adesione dello strato di rame e dello strato dielettrico influenzerà le prestazioni di radiofrequenza del circuito. Come molti parametri del materiale, è possibile fare un trade-off tra prestazioni elettriche e resistenza alla buccia per selezionare il rame ED e il foglio di rame laminato. Tuttavia, nonostante i compromessi attesi, quando vengono utilizzati materiali del circuito RO3003™ il rame laminato ha una buona resistenza alla buccia, fornendo anche caratteristiche di perdita molto basse a 77 GHz.

A causa della necessità di tali caratteristiche sottili del circuito sotto onde millimetriche, l'influenza dei cambiamenti di temperatura sui materiali del circuito causerà anche cambiamenti nelle sue prestazioni sotto 77GHz e altre bande di onde millimetriche. Quando il materiale del circuito stampato è esposto a un'ampia gamma di variazioni di temperatura, variazioni eccessive del coefficiente di stabilità termica di Dk (TCDk) e del coefficiente di stabilità termica di Df (TCDf) saranno equivalenti a variazioni di Dk e Df. Questi effetti di temperatura possono essere minimizzati selezionando i materiali del circuito stampato che controllano relativamente rigorosamente TCDk e TCDf. Generalmente, un materiale del circuito stampato con un TCDk di 50 | ppm /°C o inferiore è considerato una caratteristica stabile con buone prestazioni. Prendendo ad esempio un materiale reale, il TCDk misurato dal circuito RO3003™ è di 3 ppm/°C.

Il basso assorbimento di umidità è uno degli obiettivi per la maggior parte dei materiali del circuito ad alta frequenza. Per i materiali del circuito utilizzati nella banda di frequenza dell'onda millimetrica, anche una piccola differenza influenzerà le sue prestazioni. Se il materiale del circuito ha assorbimento eccessivo di umidità, la sua perdita aumenterà e Dk aumenterà con il cambiamento di umidità. Le prestazioni del circuito in condizioni di lavoro ideali possono essere accettabili, ma potrebbero non soddisfare i requisiti nelle applicazioni pratiche, come in condizioni di lavoro ad alta umidità, specialmente alle frequenze d'onda millimetriche con lunghezze d'onda più brevi.

Infine, tra i sei parametri del materiale del circuito che devono essere considerati in 77GHz e in altri circuiti d'onda millimetrica, è ben noto che l'"effetto di tessitura del vetro" causerà anche il cambio del circuito Dk. In molti materiali del circuito, il panno di vetro viene utilizzato per rinforzare e rinforzare il materiale. Quando si fa questo, provoca anche alcune parti del modello di fibra dell'intero materiale per contenere più fibre di vetro di altre, che porta a cambiamenti in Dk. L'uso di materiali rinforzati con vetro aumenta le proprietà meccaniche dei materiali del circuito, ma influisce anche sulle proprietà elettriche dei materiali nei circuiti ad alta frequenza. Idealmente, i materiali selezionati a frequenze più elevate non devono contenere panno di vetro o fibre di vetro.

Scegli i materiali che soddisfano le tue esigenze

I materiali del circuito Rogers RO3003™ hanno dimostrato di soddisfare questi sei requisiti di materiale chiave per 77 GHz e altri circuiti d'onda millimetrica. Il laminato RO3003™ è un materiale con perdita estremamente bassa, con un Df tipico di 0,0010 a 10 GHz e una tolleranza Dk rigorosamente controllata di ±0,04. Molti ingegneri di progettazione del circuito a onde millimetriche scelgono il rame ED di spessore 5mil o il circuito RO3003™ in rame laminato più liscio (perdita inferiore) come materiale del circuito. Ha anche un basso assorbimento di umidità inferiore allo 0,04%, e TCDk è molto basso, con un valore tipico di -3 ppm/°C.

Poiché il materiale del circuito stampato RO3003™ riflette i sei requisiti chiave per i circuiti ad alta frequenza, è diventato una scelta comune per i materiali del circuito stampato per 77 GHz e altri ingegneri di progettazione del circuito a onde millimetriche. Inoltre, il circuito stampato RO3003™ non utilizza o deve essere rinforzato con panno di vetro, quindi non ha problemi di tessitura del vetro. È un materiale resistente e a bassa perdita del circuito, adatto a circuiti che hanno bisogno di mantenere la potenza del segnale man mano che la frequenza diventa più alta, specialmente per i sistemi radar automobilistici 77GHz che si concentrano sul miglioramento della sicurezza!