отправка...Материалы фирмы Taconic и Nelteс для печатных плат СВЧ устройств
Возрастающие требования к СВЧ-электронике поставили перед разработчиками задачу поиска новых материалов для печатных плат, обладающих более стабильными параметрами.
Освоение сверхвысокочастотных диапазонов и создание аппаратуры для работы на этих частотах в настоящее время не является проблемой. Экспансия систем связи зашла в область КВЧ (крайне высоких частот), и ныне уже действуют системы, использующие частоты выше 40 ГГц.
Однако в популярных радиотехнических изданиях очень редко появляются статьи, посвященные данной теме. Этому способствует ряд причин. Одна из них, наиболее важная — малая доступность элементной базы, которая ранее, как правило, использовалась предприятиями «оборонки» и немногими НИИ. В настоящее время ситуация кардинально изменилась, и приобретение различных СВЧ-компонентов (даже весьма экзотических) не составляет особого труда.
Но если решен вопрос с комплектующими, возникает другой, не менее существенный — о материале, на котором будут монтироваться эти комплектующие.
В ряде случаев при разработке СВЧ-устройства достаточно применения стеклотектолита марки FR-4, имеющего коэффициент диэлектрической проницаемости (DK) больше 4 при относительно большом тангенсе диэлектрических потерь. Это приемлемо для простейших цепей и устройств, где взаимное влияние компонентов при работе цепи не принципиально для устройства. На практике же из-за усложнения устройств и повышения требований к параметру «сигнал/шум» приходится отказываться от общеизвестного FR-4 и переходить к материалам на совершенно иной основе.
При проектировании и разработке микроэлектронных СВЧ-устройств необходимо учитывать очень многие факторы, обусловленные малыми размерами узлов, концентрацией сильных полей в малых объемах, наличием цепей паразитной связи, взаимодействием близко расположенных элементов, трудностью отвода тепла, требованиями к точности изготовления и однородности материалов. В большинстве случаев для таких целей применяется фольгированный фторопласт марки ФАФ, у которого невелика адгезия меди к поверхности материала. У ФЛАН же адгезия ухудшается после тепловых процессов выше температуры 180–210 °С. Каким же материалом можно заменить ФАФ и ФЛАН при сохранение неизменным отношения «цена/качество»?
Такими являются материалы (ламинаты) фирм Taconic и Nelteс, изготовленные на основе тефлона (PTFE). На их основе можно изготавливать однослойные, двухслойные, четырехслойные и т. д. печатные платы с диапазоном толщин от 0,5 до 3,5 мм (при толщине фольги от 18 до 70 мкм), c разными величинами диэлектрической проницаемости и тангенсом диэлектрических потерь.
Диэлектрическая проницаемость — отношение емкости конденсатора, где в качестве диэлектрика используется испытываемый материал, к емкости такого же воздушного конденсатора. Она существенно зависит от типа вещества и от внешних условий — температуры, давления, влажности и частоты.
Эту характеристику необходимо учитывать, особенно для высокочастотных печатных плат, по той причине, что высокое быстродействие современных печатных плат предъявляет особые требования к таким параметрам, как время задержки сигналов и емкость. Скорость передачи сигналов в проводниках зависит главным образом от диэлектрической проницаемости (DK). Ее значения для современных диэлектриков для печатных плат лежат в пределах 2,2–10,2. Задержка сигнала в линии при таких значениях может превышать 6 нс/м.
Кроме того, задержка растет с увеличением частоты подаваемого напряжения. Если на проводник подать (рис. 1) идеальное прямоугольное напряжение (1), то на выходе сигнал «размывается» (2), появляется сдвиг фаз. Чем больше частота и тангенс угла потерь, тем сильнее искажается сигнал.
Тангенс угла диэлектрических потерь в изоляционных материалах определяется отношением общих потерь мощности в материале к произведению напряжения и тока в конденсаторе, в котором исследуемый материал работает в качестве диэлектрика. Диэлектрические потери обусловлены нагревом диэлектрика. Их составляющими являются потери на электропроводность, поляризацию диэлектрика, резонансные потери (при частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов), потери, обусловленные неоднородностью (слоистостью, проводящими и газовыми включениями). Чем меньше тангенс угла потерь, тем выше качество радиоэлемента. Обычно через тангенс угла потерь характеризуют добротность конденсаторов. Также к важным параметрам можно отнести изменение габаритов печатных плат при влиянии температуры, влажности и т. д.
Материалы фирмы Neltec
Спектр ламинатов для производства односторонних и двухсторонних печатных плат СВЧ достаточно широк.
Однако для изготовления СВЧ печатных плат предпочтителен ламинат с DK (коэффициент диэлектрической проницаемости) меньше 3 и по возможности с наименьшим тангенсом диэлектрических потерь (таблица 1). Таким требованиям отвечают ламинаты NY9000, NX9000, NH9000.
Ламинат NY9000 — тефлон с армированием небольшим количеством стеклоткани.
Ламинат NX9000 — тефлон с армированием большим, чем у NY9000, количеством стеклоткани для механической прочности.
Ламинат NH9000 — тефлон, армированный стеклотканью с добавлением керамики для улучшения температурной стабильности.
Для сравнения представлена задержка сигнала в стеклотектолите FR-4 c ламинатом N4000 и в NY9000 (рис. 2).
Понятно, если будет применяться ламинат NY9000 в качестве материала для СВЧ печатной платы, этот параметр будет иметь наименьшую величину и будет стабилен для всего диапазона частот.
В случае если печатная плата содержит 4, 6 и более слоев, придется использовать специализированные ламинаты и «препреги», ориентированные на стандартную технологию температурного прессования, которая несколько отличается от общепринятой.
Материалы фирмы Taconic
СВЧ-ламинаты марки TLЕ и TLC специально разработаны для применения в многослойных печатных платах от 6 слоев (таблица 2), так как имеют наименьший коэффициент температурного расширения (50–70 ppm/°С для диапазона температур 25–250 °С). Марки ламината TLY и TLX подходят для 1, 2, 4, 6-слойных печатных плат из-за своего высокого температурного коэффициента расширения (280 и 140 ppm/°C соответственно; для диапазона температур 25–250 °С), но имеют очень малые значения потерь — около 0,001 для частоты 10 ГГц.
Проектирование и применение ламината для печатных плат СВЧ
Применение в производстве печатных плат СВЧ ламината фирм Neltec и Taconic имеет несколько положительных сторон, поскольку эти ламинаты более пластичны, нежели FR-4.
Для печатных плат, особенно 4 и 5 класса точности, важнейшим фактором качества является точность сквозного отверстия по отношению к контактной площадке и качество «стакана» металлизации этого отверстия. Конечно, многое зависит от оборудования сверловочного парка, скорости шпинделя, вибрации, износа головок т. д., но основная проблема заключается в том, что сверло во время сверления попадает в волокно FR-4 и отклоняется в сторону, тем самым ухудшая центровку, форму и качество металлизации сквозного отверстия. Этот уход сверла можно было бы не принимать во внимание, если бы сверлилась одна технологическая заготовка, но на практике приходится сверлить 2, 3 и более стопок технологических заготовок, отчего уход сверла становится угрожающе большим.
Чтобы частично решить этот вопрос, многие производители сверху стопки технологических заготовок кладут лист гетинакса, который выполняет роль центрового фиксатора сверла при сверлении.
Поэтому такие ламинаты легче сверлить, фрезеровать по контуру печатной платы в составе технологической заготовки, а в связи с тем, что СВЧ-ламинат представляет собой не сплошной слоистый стекловолоконный «бутерброд» (как FR-4), а структуру «стекловолокно + тефлон», то исчезает так называемая проблема «ухода сверла».
При проектировании печатных плат СВЧ важно минимизировать количество переходных отверстий, так как переходное отверстие сильно сказывается на характеристике, связанной с задержкой сигнала.
Так, к примеру, графическое представление некоторой цепи, состоящей из нескольких компонентов (рис. 3), при вводе в печатную плату переходного отверстия превращается в цепь совершенного иного характера и вида, которую нужно учитывать при проектировании СВЧ-устройства (рис. 4).
Многослойные печатные платы СВЧ могут быть изготовлены по двум различным технологиям:
- Гибридная технология. Слои изготовлены из СВЧ-ламината и стеклотекстолита FR-4 с разделением «препрегом» (рис. 5).
- Технология однородных слоев. Слои печатной платы СВЧ изготовлены из однородного СВЧ-ламината с межслойным разделением термопластичной пленкой (рис. 6).
Однако для случая гибридной технологии и технологии однородных слоев применим общеизвестный принцип термопрессования, когда при помощи повышенного давления и температуры прессуются слои печатной платы. Не вызывает сомнений, что одинаковые печатные платы, изготовленные по двум разным технологиям, будут иметь разные частотные характеристики в СВЧ-устройстве, а также отличаться по цене. По данным фирмы Taconic, при разных технологиях производства многослойных печатных плат разница будет от 30 до 50%.
Представленные ламинаты фирм Neltec и Taconic облегчают задачу проектирования печатных плат СВЧ, так как имеют более стабильные частотно- и температурно-зависимые характеристики, которые не изменятся со временем.
При производстве печатных плат СВЧ из этих ламинатов несколько упрощаются некоторые технологические операции, так как СВЧ-ламинаты более «мягкие» в механической обработке (нет ухода сверла), имеют меньшую адсорбцию, химически стабильны к агрессивным средам.
Монтаж СВЧ-компонентов на печатной плате не вносит никаких трудностей, а наоборот, облегчает работу монтажнику ввиду того, что ламинаты не боятся перегрева до 280 °С в течение длительного времени.
Вообще говоря, любую подготовительную работу надо начинать с расчета основных параметров. Нужно рассчитать задержку сигнала, импеданс и другие параметры, необходимые для проектирования печатных плат СВЧ. Расчетные программы для этого можно найти по адресу: http://www.taconic-add.com/en—downloads.php.
Заключение
СВЧ-ламинаты производят и другие фирмы, такие как Rogers, Arlon, Poliflon с аналогичными характеристиками и одинаковыми параметрами диэлектрической проницаемости и потерь (таблица 3).Однако цена этих ламинатов сравнительно выше, чем ламинатов фирм Taconic и Neltec.
8 октября, 2021