СВЧ технология - Анализ влияния материалов и обработки на схему ПХД Dk и фазовую консистенцию

Анализ влияния материалов и обработки на схему ПХД Dk и фазовую консистенцию

По мере того как частота продолжает увеличиваться, становится все сложнее контролировать фазную консистенцию материалов печатных плат (ПХД). Точное предсказание фазового изменения материалов плат не является простой или обычной задачей. Сигнальная фаза высокочастотной и высокоскоростной ПХД в значительной степени зависит от структуры обрабатываемой из нее линии передачи и диэлектрической константы (Dk) материала платы. Чем ниже Dk среды (например, Dk воздуха около 1,0), тем быстрее распространяется электромагнитная волна. По мере увеличения Dk распространение волны замедлится, и это явление также повлияет на фазовый ответ распространяющегося сигнала. Когда Dk среды распространения меняется, фаза волновой формы изменяется, потому что более низкий или более высокий Dk сделает скорость сигнала в среде распространения быстрее или медленнее.

Dk материалов платы обычно анизотропны, с разными значениями Dk в трех измерениях (3D) длины, ширины и толщины (соответствующей оси x, y и z). Для некоторых специальных типов конструкции схемы необходимо учитывать не только разницу в Dk, но и влияние обработки и изготовления схемы на фазу. С увеличением частоты работы ПХД, особенно на частотах микроволновых и миллиметровых волн, таких как: оборудование инфраструктуры сети беспроводной связи сотовой связи пятого поколения (5G), передовые системы помощи водителю (ADAS) в электронных транспортных средствах, фаза стабильность и предсказуемость станут все более и более важными.

Итак, что вызвало изменение Dk материала платы? В некоторых случаях разница в Dk на ПХД вызвана самим материалом (например, изменениями в шерсткости медной поверхности). В других случаях производственный процесс ПХД также приведет к изменению Dk. Кроме того, суровая рабочая среда (например, более высокая рабочая температура) также изменит Dk ПХД. Благодаря пониманию характеристик материалов, производственных процессов, рабочей среды и даже методов испытания Dk, как изучить изменения в Dk ПХД. Это может лучше понять и предсказать фазовое изменение ПХД и минимизировать ее воздействие.

Анизотропия является важной характеристикой материалов плат, а характеристика Dk очень похожа на «тензор» в трехмерной математике. Различные значения Dk на трех осях приводят к разнице электрического потока и силы электрического поля в трехмерном пространстве. В соответствии с типом линии передачи, используемой в схеме, фаза схемы с структурой соединения может быть изменена анизотропией материала, а производительность схемы зависит от направления фазы на материале платы. В целом, анизотропия материала платы будет варьироваться в зависимости от толщины платы и рабочей частоты, а материал с более низким значением Dk имеет меньшую анизотропию. Заполненные армирующие материалы также могут вызвать это изменение: по сравнению с материалами плат без армировки стекловолокном, материалы плат с армировкой стекловолокном, как правило, имеют большую анизотропию. Когда фаза является ключевым показателем, а Dk ПХД является частью моделирования конструкции схемы, описание и сравнение значения Dk между двумя материалами должны быть для Dk на одной оси. Для получения более подробной информации о различных факторах (включая методы измерения), которые меняют Dk материалов платы, пожалуйста, ознакомьтесь с вебинаром Роджерса "Понимание того, как материалы схемы и изготовление могут повлиять на изменение Dk и последовательность фазы PCB".

Глубокое обсуждение дизайна Dk

Эффективная Dk цепи зависит от того, как электромагнитные волны распространяются в определенном типе линии передачи. В зависимости от линии передачи часть электромагнитной волны распространяется через диэлектрический материал ПХД, а другая часть распространяется через воздух вокруг ПХД. Значение Dk воздуха (приблизительно 1,00) ниже любого материала схемы. Поэтому эффективное значение Dk по сути представляет собой комбинированное значение Dk, которое состоит из электромагнитных волн, распространяющихся в проводнике линии передачи, электромагнитных волн, распространяющихся в диэлектрических материалах, и распространяющихся в воздухе вокруг подложки, определяемых комбинированным действием электромагнитных волн. "Дизайн Dk" пытается обеспечить более практичный Dk, чем "эффективный Dk", потому что "Дизайн Dk" также учитывает всеобъемлющие последствия различных технологий линий передачи, методов производства, проводов и даже методов испытаний для измерения Dk. Дизайн Dk - это Dk, извлеченный при испытании материала в форме схемы, и это также значение Dk, наиболее подходящее для использования в проектировании схемы и моделировании. Конструкция Dk не является эффективной Dk схемы, но это материал Dk, определенный измерением эффективной Dk. Конструкция Dk может отражать истинную производительность схемы.

Шропость поверхности проводниковой медной фольги в разных толщинах диэлектрического материала PCB оказывает различное воздействие на конструкцию Dk и фазовую реакцию схемы. Материалы с более толстыми подложками, как правило, менее подвергаются воздействию шерсткости поверхности проводников медной фольги. Даже для проводников из медной фольги с более грубыми поверхностями конструкционное значение Dk в это время ближе к диэлектрическому Dk материала подложки. Например, материал платы Роджерса RO4350B ¢ 6,6 миль имеет среднее значение конструкции Dk 3,96 от 8 до 40 ГГц. Для того же материала толщиной 30 миль конструкция Dk снижается в среднем до 3,68 в том же диапазоне частот. Когда толщина материальной подложки снова удваивается (60 миль), конструкция Dk составляет 3,66, что в основном является присущим Dk среды этого ламината, укрепленного стекловолокном.

Из приведенных выше примеров можно видеть, что на более толстую диэлектрическую подложку менее влияет шерсткость медной фольги, а конструкция Dk относительно ниже. Однако, если для производства и обработки схем используются более толстые платы, особенно на частотах миллиметровых волн, где длина волны сигнала небольшая, будет сложнее поддерживать последовательность амплитуды и фазы сигнала. Схемы с более высокими частотами часто более подходят для более тонких плат, и диэлектрическая часть материала оказывает меньшее влияние на конструкцию Dk и производительность схемы в это время. Более тонкие подложки ПХД будут в большей степени затрагиваться проводниками с точки зрения потери сигнала и фазных характеристик. На частотах миллиметровых волн, что касается конструкции Dk материалов схемы, они более чувствительны к характеристикам проводников (таким как шерсткость поверхности медной фольги), чем более толстые подложки.

Как выбрать схему линии передачи

На частотах RF/микроволновых и миллиметровых волн инженеры по проектированию схем в основном используют следующие обычные технологии линии передачи, такие как: микроплосочная линия, полосочная линия и заземленный копланарный волновод (GCPW). Каждая технология имеет различные методы проектирования, проблемы проектирования и связанные с ними преимущества. Например, разница в поведении соединения схемы GCPW повлияет на конструкцию схемы Dk. Для плотно соединенных схем GCPW и тесно размещенных линий передачи использование воздуха между областями сопланарного соединения может достичь более эффективного электромагнитного распространения и уменьшить потери. До самого низкого. Используя более толстые медные проводники, боковые стенки соединительных проводников выше, и использование большего количества воздушных путей в области соединения может свести к минимуму потери схемы, но более важно понять соответствующие изменения, вызванные уменьшением толщины медного проводника.

Многие факторы могут повлиять на конструкцию Dk данной схемы и материала платы. Например, температурный коэффициент Dk (TCDk) материала платы используется для измерения влияния рабочей температуры на конструкцию Dk и производительность. Более низкое значение TCDk указывает на то, что материал платы имеет меньшую температурную зависимость. Аналогичным образом, высокая относительная влажность (RH) также увеличит конструкцию Dk материалов плат, особенно для материалов с высоким поглощением влаги. Характеристики материала платы, процесс производства схемы и неопределенные факторы в рабочей среде будут влиять на конструкцию Dk материала платы. Только понимая эти характеристики и полностью учитывая эти факторы в процессе проектирования, их воздействие может быть сведено к минимуму.