Особливості проєктування та виробництва високочастотних друкованих плат

05.06.2024 |

У статті наведена коротка інформація про призначення, особливості проєктування та виробництва високочастотних друкованих плат.

В. Макаренко

Насамперед необхідно визначитися з терміном високочастотна друкована плата і чим вона відріз­няється від високошвидкісної. Під високошвидкіс- ним пристроєм розумітимемо пристрій із сигнала­ми, що мають дуже малі тривалості фронтів і спадів. А високочастотні пристрої працюють із сигналами, що мають мале значення періоду сигналу. Ці відмін­ності і визначають різницю між високочастотною та високошвидкісною друкованою платою.

Звичайно, не існує точного визначення різниці між високошвидкісною друкованою платою та висо­кочастотною друкованою платою. Навіть основні матеріали, які використовуються виготовлення та­ких плат, однакові [1]. Тому не слід зважати на ви­значення назви плати. Основним критерієм є забез­печення цілісності сигналу на платі. Здебільшого діапазон частот сигналів цих друкованих плат стано­вить від 500 МГц до 6 ГГц (рис. 1). Найбільш поши­рені програми, в яких використовуються такі друко­вані плати, включають мобільні телефони, мікро­хвильові печі та інші пристрої, що працюють у діапа­зоні частот. Високочастотні друковані плати зазви­чай використовують високочастотні ламінати, які важко виготовити. І це пов’язано з кількома факто­рами.

Рис. 1. Друкована плата НВЧ-пристрою

 

Щоб мінімізувати затримки при передачі високо­частотного сигналу плати, основний матеріал пла­стини друкованої плати повинен мати низьку діелек­тричну проникність (Dk) і низький коефіцієнт діелек­тричних втрат (Df). Чим менше значення Dk, що впливає швидкість поширення сигналу по друкова­ній платі, і Df, що визначає рівень втрат в діелектри­ку, тим краще для ефективної передачі високоча­стотних сигналів.

Діелектрична проникність (Dk) підкладки високо­частотних друкованих плат має бути малою величиною та стабільною у часі. Чим менше зворотне від­ношення швидкості передачі сигналу до квадратно­го кореня діелектричної константи матеріалу, тим більша затримка передачі сигналів.

Існують деякі спеціальні додатки, що вимагають високої діелектричної проникності (Dk), високоча­стотне значення друкованої плати Dk рівному 16…25 або вище. Щоб уникнути відшарування мідної фоль­ги при зміні температури, необхідно, щоб теплове розширення матеріалів друкованої плати було таким самим, як у мідної фольги. Високочастотні друковані плати використовуються у військових додатках, у радарах (рис. 2), у діагностичних, контрольних та лі­кувальних пристроях у медицині, у сучасних при­строях зв’язку.

Рис. 2. Застосування високочастотних друкованих плат у радарах

 

Через особливості областей застосування такі високочастотні друковані плати, як правило, відпові­дають найсуворішим стандартам. При проектуванні друкованих плат для медичних пристроїв необхідно враховувати їхню надійність і довговічність при до­триманні медичних стандартів.

До поширених медичних пристроїв, у яких вико­ристовуються високочастотні друковані плати, на­лежать такі:

  • персональні або медичні монітори рівня глюкози в крові, артеріального тиску та пульсометри
  • пристрої для контролю інфузії рідини
  • ультразвукові сканери
  • комп’ютерні та магнітно-резонансні томографи
  • рентгенівські томографи.

Промислове застосування – ще одна поширена область, де використовуються високочастотні дру­ковані плати. Такі плати можуть працювати при зміні робочих температур у широких межах в агресивно­му хімічному середовищі (рис. 3).

Рис. 3. Друкована плата промислової панелі керування

 

Перевага високо­частотних друкованих плат у таких додатках полягає в тому, що вони можуть витримувати високі темпе­ратури та вплив хімічних речовин.

Високочастотні друковані плати широко використовуються в системах зв’язку та радіолокації:

  • підсилювачах високої частоти
  • перетворювачах спектрів – змішувачах та де­модуляторах
  • синтезаторах частоти
  • атенюаторах (рис. 4)
  • блоках цифрової обробки високочастотних сигналів.

Рис. 4. Високочастотний аттенюатор

 

 

Розробка високочастотної друкованої плати може тривати багато часу і тому необхідно врахову­вати кілька чинників, як розпочинати процес проєктування плати. До таких факторів належать бюд­жет, графік виконання робіт та міжнародні стандар­ти, яких необхідно дотримуватись. Але якими є критерії високочастотної друкованої плати. До них мож­на віднести такі:

  • максимальна частота сигналів на платі (понад 50 МГц)
  • якщо на платі є траса, яка вносить затримку по­над третину часу наростання чи спаду імпульсних сигналів
  • якщо у роботі вузлів друкованої плати є значні відмінності щодо швидкодії.

Рекомендації щодо проектування високочастотних друкованих плат

Нижче перелічені деякі моменти які потрібно вра­ховувати при розробці друкованих плат:

  1. Необхідно обов’язково використовувати бага­тошарову друковану плату. Якщо конструкція друко­ваної плати має лише два шари, на верхньому шарі потрібно розмістити силовий каскад, лінії радіоча­стотнихсигналів та радіочастотні компоненти. Ниж­ній шар має бути заземлюючим шаром. На етапі компонування друкованої плати розумний вибір розміру друкованої плати з певною кількістю шарів дозволяє повною мірою використовувати проміж­ний шар для створення екранів, краще реалізувати заземлення, ефективно зменшити паразитну індук­тивність і скоротити довжину ліній передачі сигна­лів, в той же час значно зменшити перехресні пере­шкоди.Всі ці методи сприятливо впливають на на­дійність роботи високочастотної схеми.
  2. Перед початком розробки плати передусім не­обхідно розділити аналогову, радіочастотну та циф­рову частини системи та спробувати спроектувати друковану плату, розміщуючи кожну з них на окре­мій ділянці (рис. 5). Аналогічно необхідно відокре­мити ВЧ каскади, такі як ГКН, підсилювач і т.д., і не перетинати провідники цих вузлів [2].

Рис. 5. Поділ друкованої плати окремі зони

 

  1. Лінії зв’язку високочастотних кіл необхідно ро­бити максимально короткими. Чим коротший про­від, тим краще. Інтенсивність випромінювання сиг­налу пропорційна довжині сигнальної лінії. Чим до­вшепровід високочастотного сигналу, тим більше його вплив на компоненти, розташовані поряд з ним. Отже, для високочастотних сигнальних ліній, що передають тактові сигнали, сигнали інших гене­раторів, дані динамічної пам’яті DDR, інтерфейсів LVDS, USB, HDMIтощо, чим коротший провід, тим краще. Довжина ліній, якими передаються радіоча­стотні і мікрохвильові сигнали, є дуже важливим пи­танням. Вони повинні становити не більше 1/20 до­вжинихвилі, щоб звести втрати до мінімуму. На­приклад, для сигналів із частотою 433 МГц довжина хвилі λ= c/f, де c – швидкість світла, f- частота сиг­налу. Після підстановки отримаємо

λ = c / f = 3-108/4.33-108 = 0.6928 м.

Максимальна довжина лінії на платі

l max ≤ λ /20 = 3.46 сМ.

 

Якщо лінія має бути обов’язково довшою, то в кінці лінії необхідно застосувати узгодження імпе­дансу з компонентами L та C.

  • У багатошарових платах короткі лінії високоча­стотнихсигналів слід розташовувати на верхньому шарі. Щоб зменшити шум, слід розташовувати лінії зв’язку між двома шарами землі. Під шаром, який включає лінії радіочастотного сигналу, обов’язково повинен бути екрануючий шар (шар землі).
  • Слід звертати увагу на небезпеку виникнення перехресних завад, викликаних паралельною марш­рутизацією сигнальних ліній, які не з’єднані між со­бою. Оскільки високочастотний сигнал передається у вигляді електромагнітної хвилі по лінії передачі, сигнальна доріжка діятиме як антена, і енергія елек­тромагнітного поля передаватиметься по всій лінії передачі.

Небажаний шумовий сигнал, що генерується взаємним зв’язком електромагнітних полів між сиг­налами, називається перехресними завадами.

Мінімізація зв’язаності трас за допомогою правила 3W

Зв’язок між доріжками може становити серйозну проблему для цілісності сигналу під час поширення на платі. Щоб мінімізувати вплив цього ефекту, мож­на скористатися правилом 3W (рис. 6).

Рис. 6. Ілюстрація до правила 3W

Правила 3W рекомендують щоб відстань між до­ріжками повинна бути втричі більшою за ширину од­нієї доріжки, виміряної від одного центру до іншого. З використанням цього правила збільшена відстань між доріжками дозволяє зменшити ефект паразит­ного зв’язку.

Щоб підвищити ефективність мінімізації зв’язку між доріжками, можна збільшити відстань між до­ріжками із трьох до десяти значень ширини однієї доріжки. Слід розташовувати лінії зв’язку різних джерел сигналів у різних шарах. Сигнальні доріжки на різних рівнях мають бути ортогональними одна одній. Це означає, що на сигнальному шарі слід роз­ташовувати горизонтальні або вертикальні траси (рис. 7).

Рис. 7. Поділ друкованої плати на окремі зони

 

  1. Чим менше вигнутий провід, тим краще. Про­від високочастотного кола найкраще виконати на всій ділянці прямою лінією, яку можна повернути на 45 градусів ламаною лінією або дугою. Ця вимога використовується тільки для підвищення міцності фіксації мідної фольги в низькочастотному ланцюгу, але у високочастотному колі виконання цієї вимоги може зменшити зовнішнє випромінювання та інтер­ференцію високочастотних сигналів.

На рис. 8 показані рекомендовані кутові рисунки.

Рис. 8. Рекомендовані форми кутових рисунків

 

Т-подібні вузли повинні бути такими, як показано на рис. 9.

Рис. 9. Рекомендуємі форми Т-подібних вузлів

 

  1. Чим менше чергування виводів між шарами, тим краще. Це означає, що менше перехідних отво­рів використовується в процесі з’єднання компонен­тів, тим краще. Експериментально встановлено, що один прохідний отвір може мати розподілену єм ність близько 0,5 пФ. Зменшення кількості перехід­них отворів може значно підвищити швидкість та знизити ймовірність помилки передачі даних.
  2. Контактні майданчики високочастотних друко­ваних плат повинні мати площу не більше 5% від площі контактів компонентів (в інших друкованих платах площа контактних майданчиків може стано­вити до 30% площі контактів компонентів). Мініміза­ція площі контактних майданчиків має свої переваги:
  • зменшення паразитної ємності
  • збільшення механічної міцності.

Крім того, за рахунок зменшення площі, що зай­має майданчики, звільняється більше місця для ди­ференціальних пар і посадкових місць з великою кількістю контактів на друкованій платі.

  1. При проектуванні високочастотних друкова­них плат шину живлення слід виконувати у вигляді шару, що в більшості випадків набагато краще, ніж звичайна шина, так як струм завжди може протікати по дорозі з найменшим опором. Крім того, шина (шар) живлення повинна забезпечувати мінімаль­ний опір для всіх сигналів, що генеруються і при­ймаються на друкованій платі, щоб звести до мініму­му рівень завад.
  2. Необхідно підключати контакти заземлення радіочастотних мікросхем до землі якомога корот­шимилініями, використовуючи перехідні отвори.

 

Можна використовувати кілька перехідних отворів, щоб зменшити небажану дію шару заземлення.

  1. Необхідно підключати високочастотні кон­денсатори розв’язки не тільки до виводів живлення інтегральних схем, але і до проводу живлення кож­ного блоку інтегральних схем. Збільшення ємності конденсаторів високочастотної розв’язки на виве­денні джерела живлення може ефективно послабля­тивисокочастотні завади у цій точці.

Слід врахувати, що конденсатор меншої ємності слід розташовувати ближче до мікросхеми. Приклад фрагмента друкованої плати показано на рис. 10.

Рис. 10. Приклад підключення розв’язуючих конденсаторів до кола живлення інтегральної мікросхеми

 

 

  1. Провід заземлення високочастотного цифро­вого сигналу необхідно ізолювати від заземлення проводу аналогового сигналу. Коли аналоговий та цифровий провідники заземлення підключені до за­гального дроту заземлення, вони повинні бути з’єд­нані за допомогою високочастотних дроселів або ізольовані, і має бути обрано з’єднання цих проводів в одній точці.

За заземленням високочастотного цифрового сигналу часто протікають значні імпульсні струми з великим числом складових у спектрі. Якщо провід заземлення цифрового сигналу з’єднаний з зазем­ленням аналогового сигналу безпосередньо, гар­моніки високочастотного сигналу будуть створюва­ти завади аналоговому сигналу через проводи за­землення. Тому, як правило, провід заземлення цифрового високочастотного сигналу і провід за­землення аналогового сигналу повинні бути ізольо­вані. Можна використовувати одноточкове з’єднан­ня або високочастотне з’єднання з дроселем.

  1. Компоненти слід розташовувати таким чи­ном, щоб лінії електричного зв’язку були якомога ко­ротшими, особливо для підключення між компонен­тами з високою частотою. Для вузлів високої потуж­ності компоненти мають бути скомпоновані на ді лянці окремо від вузлів із малою потужністю. Якщо система складається з кількох друкованих плат, то високошвидкісні пристрої слід розміщувати на одній друкованій платі, наскільки це можливо. Це дозво­ляє уникнути проблеми помилок затримки сигналів, що призводять до неоднакової затримки передачі тактового сигналу між основною друкованою пла­тою і різними платами, що підключаються.
  2. Кожному сигналу на високочастотній друко­ваній платі потрібен маршрут, який починається від джерела та закінчується у приймачі через замкнутий шлях із мінімальною кількістю перешкод. Це важли­вий аспект у проектуванні та виготовленні друкова­них плат. Може знадобитися кілька переходів між шарами. Однак це може призвести до втрати ціліс­ності сигналу. Якщо використовуються перехідні отвори для формування шляху зворотного струму до джерела сигналу, необхідно зменшити відстань, що має пройти сигнал. Для цього потрібно розмі­ститиотвір для організації зворотного шляху якомо­га ближче до отвору вхідного сигналу.
  3. Слід уникати формування петлі, утвореної провідниками на платі, всіх видів високочастотних сигнальних доріжок. Якщо утворення петлі немину­че,необхідно мінімізувати її площу.
  4. Необхідно забезпечити хороше узгодження імпедансу ліній передачі сигналу. При неузгодженні імпедансу на приймальному та передавальному кін­ці лінії виникають відбиття сигналу, що призведе до його спотворень та зміни його рівня. Для цифрових сигналів це призведе до зміни моменту перетину порога спрацьовування логічних схем, отже, може призвести до помилок передачі сигналів.
  5. Зв’язок, що виникає між шарами живлення та заземлення, також може становити небезпеку для високочастотних пристроїв. Цілісність живлення за­безпечується на рівні компонентів і на рівні друкова­них плат, причому проблеми цілісності живлення можуть створювати проблеми цілісності сигналу (тремтіння, недостатньо низький імпеданс ланцюга живлення/заземлення, електромагнітні перешко­ди).

Більшість спрощених посібників щодо забезпе­чення цілісності живлення фокусують увагу лише на рівні друкованої плати, проте плата та схема повинні забезпечувати стабільне живлення міжз’єднань спільними зусиллями [4]. Концепція цілісності жив­лення застосовна як до змінного, і до постійного струму. Необхідно правильно підібрати типорозмір мідних шин, щоб забезпечити низьке падіння напру­ги постійного струму.

 

У табл. 1 наведено залежності ширини доріжок від струму для друкованих плат [5]. Якщо при про­ектуванні друкованої плати не враховано аспект ці­лісності живлення, напруга на шині може виглядати так, як показано на рис. 11. Наприклад, при багато­разовій комутації логічних ланцюгів на платі, імпуль­си струму, що протікають колом живлення друкова­ної плати, збуджують перехідні процеси на шині живлення.

Таблиця 1. Залежність ширини доріжок друкованої плати від струму

Струм, А Ширина доріжки, мм
1 10
2 30
3 50
4 80
5 110
6 150
7 180
8 220
9 260
10 300

Рис. 11. Перехідні процеси на шині живлення при багаторазовій комутації логічних кіл

 

Наведена таблиця залежності ширини доріжок живлення від струму по доріжці відповідає умові, за яких зростання температури складе не більше 10 °C при вазі міді 305 г/м2.

Іншим варіантом визначення ширини доріжок шини є використання калькулятора на основі стан­дартів IPC-2152 або IPC-2221. Також корисно вміти читати еквівалентні графіки залежності ширини до­ріжок від струму в стандартах IPC, оскільки відповід­на таблиця для друкованих плат не завжди вичерп­на.

При значному зростанні температури на платі з великим струмом можлива зміна електричних вла­стивостей підкладки. Під впливом тепла електричні та механічні властивості підкладки змінюються, а якщо воно тривале, плата втрачає колір та легко ла­мається.

Саме тому слід вибирати такі розміри доріжок, щоб зростання температур не перевищувало 10 °C. Це також робиться для того, щоб плата витримувала не просто конкретну робочу температуру, а широ­кий діапазон температур навколишнього середови­ща [5].

У таблиці не враховано два важливі моменти:

а) Товщину доріжок при іншій вазі міді. Товщина доріжок повинна розраховуватись залежно від ваги міді плати. Плати, що працюють при значних стру­мах, часто вимагають більшої маси міді, ніж 305 г/м2.

б) Можливість використання альтернативних ма­теріалів плати. Дані у табл. 1 зібрані для підкладки з матеріалу FR-4, що охоплює широкий спектр плат, які надсилаються на виробництво. Однак для більш складних випадків може знадобитися друкована плата з алюмінієвою підкладкою, керамічною підк­ладкою або вдосконаленим ламінатом для високош- видкісних пристроїв з альтернативною смоляною системою.

Якщо підкладка має підвищену теплопровідність, то температура доріжок буде нижчою, оскільки від них відводиться більше тепла. У наближенні першо­го порядку зростання температури залежатиме від відношення теплопровідності бажаного матеріалу підкладки до теплопровідності FR-4.

Підкладки з різними значеннями CTE можуть мати дефекти, викликані розширенням з різною швидкістю або нестабільністю діелектричної про­никності підкладок. У той час як компоненти, такі як кремнієві чіпи пам’яті можуть мати низький CTE, ла­мінати зі скловолокна мають високий CTE. Різниця в швидкостях розширення може призвести до роз­тріскування паяних з’єднань або пошкодження ком­понентів.

  1. Після завершення трасування у всіх шарах необхідно заповнити порожні місця мідною залив­кою, з’єднаною із землею, розмістивши перехідні отвори, з’єднані з шаром землі, на відстані Л/20 см один від одного.

 

Вибір матеріалу друкованої плати

Необхідно розуміти теплові, електричні, хімічні та механічні властивості матеріалу підкладки. Вибір матеріалу підкладки впливає стабільність роботи плати. Наприклад, знання CTE (температурний коефіцієнт розширення) матеріалів підкладки стає першочерговим завданням, оскільки можуть виник­нути проблеми, якщо два матеріали підкладки (або навіть підкладка та компоненти) на одній і тій же дру­кованій платі мають невідповідність CTE.

Властивості матеріалів друкованих плат

Термостійкість

Термічна стабільність має вирішальне значення для друкованих плат, особливо в потужних та висо- кошвидкісних додатках. Матеріали з високою тер­мостійкістю запобігають деформації та зберігають працездатність при підвищених температурах, за­безпечуючи довговічність та надійність друкованої плати.

Міцність електричної ізоляції

Хороша електрична ізоляція необхідна для запо­бігання коротким замиканням та підтримці цілісності сигналу на платі. Ця властивість особливо важлива при щільному компонуванні друкованих плат.

Механічна міцність

Матеріали друкованих плат повинні мати достат­ню механічну міцність, щоб підтримувати компонен­ти та витримувати навантаження під час складання та використання. Це дуже важливо для того, щоб плата не тріснула і не зламалася під навантаженням.

Параметри діелектрика

Діелектрична проникність та тангенс кута втрат матеріалів друкованих плат впливають на передачу сигналу, особливо у високочастотних додатках. Ма­теріали з низькими значеннями діелектричної про­никності Dk забезпечують малий час запізнення сиг­налів, а малі значення тангенсу кута втрат Df, що ви­значає рівень втрат у діелектрику, забезпечують мале згасання сигналу при розповсюдженні сигна­лів по платі.

Поглинання вологи

Поглинання вологи може призвести до погір­шення електричних властивостей та надійності. Ма­теріали з низьким вологопоглинанням краще вико­ристовувати в умовах підвищеної вологості.

Хімічна стійкість

Стійкість до хімічних речовин, включаючи роз­чинники, що використовуються у процесах вироб­ництва та очищення, важлива для підтримки цілісно­сті друкованої плати протягом усього її життєвого циклу.

Теплове розширення

Коефіцієнт теплового розширення (CTE) пови­нен точно відповідати коефіцієнту теплового розши­рення компонентів, встановлених на платі, щоб уникнути напруги та потенційного пошкодження че­рез зміни температури.

Питання вартості та виробництва

Вибір матеріалу також впливає на вартість та простоту виробництва друкованих плат. Для забез­печення економічного та ефективного виробництва необхідно враховувати такі фактори, як оброблюва­ність, доступність та сумісність із виробничими про­цесами.

Типи матеріалів друкованих плат

FR-4 – найпоширеніший матеріал, який викори­стовується в друкованих платах. Він став переваж­ним матеріалом для друкованих плат через опти­мальне поєднання доступної ціни, надійності та про­стоти виготовлення. Він складається з тканого скло­волокна, просоченого епоксидною смолою та армо­ваного вогнестійким матеріалом.

Друковані плати FR4 забезпечують ефективну електричну ізоляцію, вологостійкість та структурну міцність, зберігаючи при цьому функціональну ста­більність при високих та низьких температурах та забезпечуючи економічну ефективність.

Його температура склування (TG) становить від 115 до 200 °C залежно від методів виробництва та використовуваних смол. Стандартний FR-4 з термо­стійкістю 130… 150 °C, а TG FR-4 має температуру склування близько 180 °C.

FR-4 використовується бром, так званий галоге- новий хімічний елемент, стійкий до займання. Ця універсальність робить FR-4 підходящим вибором для друкованих плат у різних виробах, включаючи побутову електроніку, телекомунікаційні пристрої та промислове обладнання.

Однак FR-4 не є ідеальним для гнучких високоча­стотних друкованих плат. Для таких плат слід вико­ристовувати поліамід.

СЕМ-3, як і FR-4, виготовлений із тканого скло­волокна, просоченого епоксидною смолою. Це на­дає йому багато тих же властивостей, що і FR-4: від­мінна електроізоляція, механічна міцність і термічна стабільність. Але CEM-3 відрізняється тим, що він трохи дешевше за FR-4. У пристроях з невисокою продуктивністю можна використовувати CEM-3 за­мість більш дорогого FR-4. Баланс характеристик та помірна ціна роблять CEM-3 надійним базовим ма­теріалом для багатьох видів електроніки.

Поліамід – універсальний полімерний матеріал, що ідеально підходить для друкованих плат, що пра­цюють у складних умовах експлуатації. Висока тем­пературна стабільність поліаміду, механічна гнуч­кість та хімічна стійкість дозволяють йому зберігати цілісність та функціональність навіть при високих температурах та агресивному хімічному середови­щі. Тому поліамід найбільш підходящий матеріал для критично важливої електроніки в багатьох галу­зях промисловості, включаючи аерокосмічну, авто­мобільну та військову.

Політетрафторетилен (ПТФЕ), широко відомий під торговою маркою Тефлон, використовується для виготовлення високочастотних друкованих плат. Він характеризується низькою діелектричною проникні­стю та низькими втратами, що робить його ідеаль­ним для радіочастотних та мікрохвильових застосу­вань.

Він також має високу термічну стабільність за­вдяки високій температурі склування. Друковані плати з тефлоном зберігають свою структуру та пра­цездатність навіть за впливу високих температур. На додачу до всього, цей матеріал друкованої плати має високу хімічну стійкість. Однак він дорожчий і складніший у роботі порівняно з FR-4.

Друковані плати з металевою основою (MCPCB) та металевим покриттям, зазвичай виго­товлені з алюмінієвими або мідними основами, ви­користовуються через гарне розсіювання тепла. Вони найкраще підходять для застосування в систе­мах з високою потужністю, таких як світлодіодне освітлення та автомобільні системи, де керування температурним режимом має вирішальне значення.

У гнучких друкованих платах використовують­ся такі матеріали, як поліамідна або поліефірна плів­ка, які дозволяють платі згинатися та розгинатися (рис. 12). Вони використовуються в додатках, де простір є обмеженням або де друкована плата по­винна відповідати певній формі, наприклад, в елек­троніці, що носиться.

Рис. 12. Поліамідна плівка для гнучких друкованих плат

 

Матеріали Rogers Corporation

Компанія Rogers Corporation є одним з провідних постачальників матеріалів для друкованих плат. По­пулярні матеріали серій RO3000 та RO4000 підхо­дять для виготовлення високочастотних друкованих плат, що працюють за високої температури навко­лишнього середовища. Ламінати Rogers Xtreme- Speed RO1200 є матеріалами з низькою діелектрич­ною постійною і низькими втратами, розроблені з урахуванням унікальних електричних, термічних і механічних вимог високошвидкісних конструкцій [7].

Основні характеристики ламінату:

  • максимальний коефіцієнт розсіювання 0017 (ламінат) та 0.0012 (склеєний шар) при частоті 10 ГГц
  • низький CTE, температура розкладання (Td) 500 °CTGA
  • армований скловолокном, для підвищення жорсткості
  • неармований сполучний шар забезпечує най­кращі у своєму класі електричні характеристики.

Переваги ламінатів серії RO1200:

  • визначна цілісність сигналу (SI- SignalIntegrity)
  • високі термічні/механічні характеристики
  • сумісність із безсвинцевими процесами
  • малі спотворення сигналів
  • найкраще підходить для структур з великою кількістю шарів.

 

Матеріали Rogers забезпечують спеціальні вла­стивості, необхідні для таких додатків, як радіолока­ційні системи, бурове обладнання та аерокосмічна авіоніка, де продуктивність має вирішальне значен­ня.

Діапазон робочих частот до 20 ГГц. Діапазон ро­бочих температур від -55 до 288 °C. Компанія Rogers виготовляє найкращі матеріали для друкованих плат систем критично важливого призначення. У табл. 2 наведено порівняльні характеристики різних мате­ріалів підкладки для друкованих плат.

 

Таблиця 2. Порівняльні характеристики матеріалів виготовлення друкованих плат

Матеріал FR-4 CEM-3 Тефлон Роджерс Метал Поліамід
Діелектрична постійна ~4,4 ~4,5…4.9 ~2,1 ~2,5…10.2 Змінна ~3,4…3.5
Температурна стабільність Гарна Помірна Висока Висока Змінна Гарна
Коефіцієнт розсіювання Низький Помірний Дуже низький Низький Низький Низький
Вартість Низька Низька Висока Высока Від помірної до високої Помірна
Механічна гнучкість Обмежена Обмежена Гарна Обмежена Обмежена Висока
Обробка Стандарт Стандарт Спеціалізована Спеціалізована Обмежена Стандарт

 

 

Вибір відповідного матеріалу друкованої плати

Вибір відповідного матеріалу друкованої плати є важливим рішенням у процесі проектування та ви­робництва. Це може вплинути на продуктивність, довговічність, вартість та навіть успіх кінцевого про­дукту. Ось кілька основних моментів, на які слід звернути увагу.

Необхідно оцінити діапазон частот та середови­ще, в якому працюватиме друкована плата. Для ви­сокочастотних додатків можуть знадобитися такі матеріали, як ПТФЕ або поліамід, через їх низькі ді­електричні втрати, а для додатків з високою потужні­стю слід використовувати друковані плати з метале­вою основою для кращого розсіювання тепла.

Аналіз температурних вимог

Необхідно оцінити вимоги до робочих темпера­тур плати. Для застосування, пов’язаного з високи­ми температурами, рекомендуються матеріали з високими температурами склування та термічною стабільністю, такі як FR-4 з високим вмістом TG або поліамід.

Врахування механічних навантажень

Якщо друкована плата буде піддаватися вібрації або вигину, необхідно вибирати матеріали, що за­безпечують необхідну механічну міцність і гнучкість, наприклад, гнучкі або жорстко-гнучкі матеріали.

Технологічність та доступність

Необхідно врахувати технологічність матеріалу. Деякі сучасні матеріали можуть вимагати спеціалі­зованих виробничих процесів або мати обмежену доступність, що може вплинути на терміни вироб­ництва та витрати. Нприклад, плати з тефлону по­требують механічної обробки (рис. 13).

Рис. 13. Плата з тефлону

 

Відповідність екологічним нормам

 

Переконайтеся, що матеріал плати відповідає екологічним нормам, таким як RoHS або REACH, особливо якщо продукція буде продаватися по всьому світу.