Ghid PCB de înaltă frecvență Rogers TMM

A PCB de înaltă frecvență Rogers TMM este o placă de circuit imprimat construită cu laminate termorezistente Rogers TMM® pentru microunde pentru circuite RF, microunde și circuite de înaltă fiabilitate unde impedanța, lungimea de fază, pierderea de inserție și fiabilitatea găurilor placate trebuie să rămână previzibile. Spre deosebire de o placă FR4 generală, un PCB Rogers TMM este selectat în funcție de constantele dielectrice, factorul de disipație, grosimea laminatului, profilul de cupru, simetria stivuirii și procesul de fabricație necesar circuitului RF.

Acest ghid explică cum să alegeți între Rogers TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i și TMM13i; cum afectează proprietățile materialului un PCB real; ce trebuie luat în considerare în cazul stackup-urilor microstrip, stripline și hibride; și ce informații ar trebui incluse atunci când solicitați o ofertă de preț pentru PCB Rogers TMM. Dacă evaluați TMM pentru filtre, cuploare, antene, module radar, plăci de comunicații prin satelit, amplificatoare de putere sau ansambluri de precizie cu microunde, această pagină este scrisă pentru a vă ajuta să luați o decizie practică de inginerie și fabricație.

Ce este un PCB de înaltă frecvență Rogers TMM?

Un PCB de înaltă frecvență Rogers TMM utilizează un laminat termorezistent pentru microunde Rogers TMM ca strat dielectric RF. Laminatele TMM sunt compozite polimerice termorezistente umplute cu ceramică, concepute pentru circuite cu microunde microstrip și stripline, așa că discuția despre materiale de aici ar trebui citită împreună cu cerințele practice de proiectare a PCB-urilor RF Rogers TMM, cum ar fi impedanța controlată, planurile de referință și tranzițiile RF. Într-o placă finită, acest laminat nu este doar un purtător mecanic pentru urmele de cupru; face parte din designul electric. Constanta sa dielectrică controlează impedanța urmei, lungimea electrică, frecvența de rezonanță și lungimea de undă din interiorul plăcii. Factorul său de disipație contribuie la pierderea dielectrică. Toleranța sa la grosime, aderența cuprului, stabilitatea dimensională și expansiunea termică afectează modul în care PCB-ul fabricat se potrivește cu simularea; pentru proiectele în care driftul Dk și ciclurile termice sunt preocuparea dominantă, consultați ghidul aferent despre comportamentul PCB-urilor stabile la temperatură Rogers TMM.

Cuvântul „TMM” este adesea căutat ca și cum ar fi un singur material, dar de fapt este o familie de laminate. Familia acoperă constante dielectrice de la joase la mari, de la TMM3 la capătul Dk scăzut până la TMM13i la capătul Dk ridicat. Acest lucru permite inginerilor să aleagă un laminat în funcție de dimensiunea circuitului, lățimea de bandă, bugetul de pierderi, nivelul de putere, fiabilitatea mecanică și costul. O alimentare PCB pentru o antenă Rogers TMM de bandă largă poate necesita un material TMM cu Dk mai mic pentru a menține dimensiunile urmelor fabricabile și dispersia mai mică. Un filtru compact, un cuplaj sau un substrat ceramic poate necesita TMM10, TMM10i sau TMM13i pentru a reduce dimensiunea circuitului și a susține un comportament controlat cu Dk ridicat.

În practică, un PCB Rogers TMM este selectat atunci când un design necesită o repetabilitate electrică și o stabilitate la microunde mai bune decât poate oferi FR4, dar necesită și un comportament mecanic și de proces mai bun decât multe materiale moi pe bază de PTFE. TMM este un sistem termorezistent, deci rezistă la fluaj și curgere la rece mai bine decât PTFE. De asemenea, nu necesită tratament cu naftanat de sodiu înainte de placarea electrolitică în construcțiile TMM standard, ceea ce poate simplifica fabricarea PCB-urilor în comparație cu unele materiale PTFE pentru microunde. Aceste caracteristici sunt importante atunci când placa are multe găuri traversante placate, fire de cale oarbe sau îngropate, încadrare strânsă, zone de lipire a firelor sau expunere termică repetată; acestea sunt, de asemenea, motivul pentru care ruta de fabricație ar trebui revizuită din timp cu un atelier cu experiență în fabricarea PCB-urilor Rogers TMM.

Ce vor de obicei să știe cei care caută

Majoritatea persoanelor care caută „Rogers TMM PCB de înaltă frecvență” nu caută doar o definiție. În mod normal, vor să răspundă la câteva întrebări practice înainte de a trimite o cerere de proiectare sau o ofertă de preț:

• Ce calitate Rogers TMM ar trebui să utilizez: TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i sau TMM13i?
• Care sunt valorile Dk și Df și care Dk ar trebui utilizat într-un rezolvitor de câmpuri?
• Este TMM mai bun decât RO4350B, RT/duroid 5880 sau alumina pentru designul meu?
• Poate un producător de PCB să proceseze TMM cu etapele normale de găurire, placare și frezare și când ar trebui să implic un producător de PCB Rogers TMM?
• Ce folie de cupru și ce finisaj de suprafață ar trebui utilizate pentru a reduce pierderile RF?
• Poate fi utilizat TMM într-o suprapunere hibridă multistrat cu FR4 sau un alt laminat Rogers?
• Ce informații ar trebui furnizate pentru a obține un preț corect pentru PCB-ul Rogers TMM și pentru a evita riscul de fabricație?

Secțiunile de mai jos abordează aceste întrebări din punctul de vedere al unui cumpărător de PCB-uri, inginer RF și producător.

De ce aleg proiectanții Rogers TMM pentru PCB-uri de înaltă frecvență

Comportament dielectric stabil pentru circuite RF acordate

Circuitele de înaltă frecvență sunt sensibile la variația constantei dielectrice, motiv pentru care stabilitatea materialelor, controlul stivuirii și practica de amplasare RF ar trebui tratate ca un singur sistem de proiectare, mai degrabă decât ca subiecte separate. O mică eroare Dk poate deplasa frecvența centrală a unui filtru, poate schimba faza unei rețele de alimentare, poate dezacorda o antenă sau poate muta o rețea de adaptare departe de punctul de impedanță dorit. Materialele Rogers TMM sunt proiectate pentru utilizarea în microunde, cu constante dielectrice controlate și factori de disipație reduși în întreaga familie. Acest lucru le face mai potrivite decât FR4-ul obișnuit atunci când geometria cuprului trebuie să se traducă într-o performanță RF previzibilă.

În cazul plăcilor digitale de frecvență joasă, variația dielectrică poate fi absorbită de marja de sincronizare sau de egalizare. În cazul plăcilor cu microunde, însă, laminatul devine parte a ecuației circuitului. O linie cu un sfert de undă, un cuplor de linie ramificată, un filtru interdigital sau o antenă patch se pot defecta pur și simplu pentru că constanta dielectrică efectivă reală nu este cea presupusă de model. Utilizarea unui laminat de înaltă frecvență cunoscut ajută la reducerea acestei incertitudini înainte de construirea primului prototip; pentru reguli mai ample de design RF privind calea de retur și tranzițiile, comparați acest ghid de materiale cu pagina Rogers TMM RF PCB.

Rigiditate termorezistentă în loc de moliciune PTFE

Multe laminate pentru microunde cu pierderi foarte mici sunt pe bază de PTFE. PTFE oferă performanțe excelente în ceea ce privește pierderile electrice, dar poate fi moale din punct de vedere mecanic și poate necesita o manipulare sau o prelucrare specială. Rogers TMM oferă proiectanților un echilibru diferit: combină pierderile dielectrice reduse cu o structură rigidă termorezistentă. Avantajul nu este doar confortul mecanic. Rigiditatea ajută la înregistrare, calitatea găurilor, stabilitatea modelului de cupru, planeitatea asamblării și stabilitatea dimensională pe termen lung.

Acest lucru este important în producția reală, în special atunci când proiectul trece de la selecția materialelor la găurire, placare, rutare și inspecție. Dacă un PCB conține garduri dense de via, găuri de montare placate, circuite mixte RF și de control sau o construcție multistrat, fabricantul trebuie să găurească, să plăcească, să imagineze, să graveze, să lamineze și să rutare placa în mod repetat. Un material care rezistă la fluaj, curgere la rece și deteriorare din proces este mai ușor de menținut în toleranță, ceea ce reduce riscul în procesul de fabricație TMM. Acesta este unul dintre principalele motive pentru care TMM este utilizat în ansambluri solicitante de înaltă frecvență, în loc să fie ales doar după numerele Dk și Df.

Opțiuni High-Dk pentru configurații compacte de cuptoare cu microunde

Familia TMM include materiale cu Dk ridicat, cum ar fi TMM10, TMM10i și TMM13i. Aceste materiale permit structuri RF mai mici, deoarece lungimea de undă din interiorul dielectricului scade pe măsură ce constanta dielectrică crește. Filtrele, rezonatoarele, cuploarele și anumite structuri de antenă pot deveni semnificativ mai mici în comparație cu materialele cu Dk mai mic.

Un Dk ridicat nu este automat mai bun. Poate restrânge lățimea de bandă, crește sensibilitatea la toleranțe, reduce lățimile urmelor și crește concentrația câmpului electric. Dar atunci când miniaturizarea este o cerință reală, clasele TMM cu Dk ridicat oferă o cale practică fără a trece imediat la substraturi ceramice fragile. Pentru unele modele, în special cele care au folosit în mod tradițional alumina pentru performanțe cu Dk ridicat, un PCB TMM cu Dk ridicat poate oferi o cale de fabricație mai asemănătoare PCB-urilor și ar trebui evaluat ținând cont atât de performanța RF, cât și de costul PCB-urilor Rogers TMM.

Fiabilitate bună a găurilor traversante placate

Materialele Rogers TMM au coeficienți de dilatare termică foarte apropiați de cei ai cuprului. Acest lucru este valoros pentru găurile străpunse placate, deoarece cilindrii de cupru și materialele dielectrice se extind diferit în timpul ciclului termic, lipirii și funcționării. Când nepotrivirea este mare, cilindrii de via se pot crăpa, pad-urile se pot ridica sau fiabilitatea peretelui găurii poate avea de suferit.

Plăcile de înaltă frecvență utilizează adesea numeroase via-uri: via-uri de împământare lângă ghidurile de undă coplanare, garduri de via-uri în jurul filtrelor, via-uri de împământare lângă pad-urile componentelor, tranziții între straturile stripline și microstrip și via-uri termice sub dispozitivele de alimentare; aceste structuri de via-uri sunt discutate mai detaliat în aplicații în ghidul Rogers TMM pentru PCB cu microunde. În aceste modele, fiabilitatea găurilor placate nu este un detaliu secundar. Face parte din performanța RF și fiabilitatea pe termen lung a produsului.

Clasele și proprietățile cheie ale materialelor Rogers TMM

Familia TMM include mai multe clase cu constante dielectrice diferite. Cea mai frecventă greșeală este alegerea unei clase doar prin potrivirea unui număr Dk dintr-un proiect anterior. O abordare mai bună este de a compara împreună Dk-ul procesului, Dk-ul de proiectare, tangenta de pierdere, coeficientul termic al constantei dielectrice, conductivitatea termică, CTE, disponibilitatea grosimii și cerințele de fabricație.

Tabelul de mai jos prezintă pe scurt principalele clase Rogers TMM utilizate pentru prelucrarea PCB-urilor de înaltă frecvență. Valorile sunt valori de referință tipice și trebuie confirmate în raport cu cea mai recentă fișă tehnică Rogers, disponibilitatea reală a laminatului și stocul de materiale TMM al producătorului înainte de lansarea pentru fabricație.

DK de proces vs. DK de proiectare

Materialele Rogers TMM listează atât Dk-ul de proces, cât și Dk-ul de proiectare. Dk-ul de proces este valoarea utilizată pentru controlul și calificarea materialului în cadrul unei metode de testare specificate. Dk-ul de proiectare este destinat modelării circuitelor pe un interval de frecvență mai mare și este de obicei intrarea mai relevantă pentru proiectarea microstrip sau stripline. Confuzia acestor două numere poate crea o placă care apare corectă în documentație, dar măsurătorile anormale după fabricație.

De exemplu, dacă un inginer modelează o linie microstrip TMM10 folosind Dk-ul de procesare de 9.20, când Dk-ul de proiectare este mai aproape de 9.80 pentru structura relevantă, impedanța calculată și lungimea electrică se pot modifica. Diferența poate fi deosebit de importantă în circuitele rezonante, rețelele cu fază adaptată și structurile mmWave. Cea mai bună practică este de a utiliza Dk-ul de proiectare în solverul de câmp sau în modelul electromagnetic, apoi de a verifica suprapunerea finală cu datele producătorului de PCB și ale furnizorului de laminat.

Toleranța Dk și repetabilitatea producției

Toleranța Dk nu este doar o specificație de achiziție; aceasta afectează cât de mult diferă plăcile de producție unele de altele, în special în cazul modelelor sensibile la temperatură unde Stabilitatea Dk la temperatură ridicată trebuie inclus în bugetul de toleranță. Un singur prototip poate fi reglat prin ajustare sau prin modificarea valorii unei componente. O serie de plăci RF trebuie să se repete pe mai multe panouri, loturi și cicluri de asamblare. Gama dielectrică controlată a Rogers TMM ajută la reducerea derivei de frecvență de la o unitate la alta, dar repetabilitatea finală depinde în continuare de grosimea laminatului, grosimea cuprului, compensarea gravării, deciziile privind masca de lipire, procesul de presare și disciplina de măsurare.

Pentru filtrele cu Q ridicat, rețelele de alimentare cu rețea fazată, senzorii cu microunde și capetele radar, bugetul de toleranță ar trebui să includă toleranța dielectrică, toleranța la gravarea cuprului, înregistrarea, poziția via, grosimea finisajului și paraziții de asamblare. Selecția materialului este punctul de plecare, nu soluția completă.

Cum afectează Dk, Df și grosimea performanța PCB-ului

Constanta dielectrică controlează impedanța și dimensiunea fizică

Constanta dielectrică determină modul în care câmpurile electromagnetice se deplasează prin și în jurul dielectricului PCB. În microstrip, o parte din câmp se află în laminat și o parte în aer, astfel încât circuitul percepe o constantă dielectrică efectivă. În stripline, o mai mare parte din câmp este conținută în interiorul dielectricului, deci relația Dk cu laminatul este diferită. În orice caz, Dk afectează puternic impedanța, viteza de fază și lungimea de undă.

Un Dk mai mare reduce lungimea de undă. Acest lucru permite rezonatoare mai mici, secțiuni de sfert de undă mai scurte și filtre mai compacte. De asemenea, de obicei, face ca lățimile urmelor să fie mai înguste pentru o anumită impedanță și grosime a dielectricului. Liniile mai înguste pot crește pierderile conductorului și pot face toleranța la gravare mai importantă. Un Dk mai mic oferă urme mai largi și poate suporta o lățime de bandă mai mare, dar necesită o suprafață mai mare a plăcii pentru structurile rezonante. Prin urmare, Dk-ul corect este o alegere la nivel de circuit, mai degrabă decât o simplă decizie de tipul „mai mare este mai bine” sau „mai mic este mai bine” și ar trebui verificat în funcție de impedanță, pierderi, dimensiunea plăcii și prețul așteptat al PCB-ului TMM.

Factorul de disipație contribuie la pierderea dielectrică

Factorul de disipație, numit și tangentă de pierdere sau Df, descrie câtă energie RF absoarbe și transformă dielectricul în căldură. Clasele Rogers TMM au valori Df scăzute, în jur de 0.0019 până la 0.0023 la 10 GHz. Acest lucru este potrivit pentru multe plăci de microunde, în special în comparație cu FR4 de uz general. Cu toate acestea, nu este întotdeauna mai mic decât cele mai bune materiale PTFE. Un laminat PTFE cu pierderi foarte mici poate fi totuși avantajos atunci când întregul design este dominat de cerințele de pierdere de inserție.

Într-un PCB real, pierderea de inserție este suma mai multor efecte. Pierderea dielectrică este doar o parte. Pierderea conductorului, rugozitatea cuprului, finisajul suprafeței, radiația, scurgerile prin discontinuități, tranzițiile via și lansările conectorilor pot domina la frecvență înaltă. Un PCB Rogers TMM poate avea performanțe slabe dacă alegerile de stivuire și fabricație nu sunt aliniate cu designul RF; însoțitorul... PCB pentru microunde Rogers TMM Articolul tratează mai detaliat bugetarea bazată pe pierderi de inserție.

Grosimea afectează impedanța, cuplajul și pierderile

Grosimea laminatului este una dintre cele mai importante variabile practice într-un PCB de înaltă frecvență. Pentru o impedanță țintă, un dielectric mai gros necesită, în general, o urmă mai largă, în timp ce un dielectric mai subțire necesită o urmă mai îngustă. Urmele mai largi pot reduce pierderile din conductor și pot fi mai ușor de gravat uniform, dar consumă și mai multă suprafață și pot crește cuplarea cu structurile din apropiere. Dielectricii mai subțiri permit o rutare compactă și o cuplare mai strânsă, dar pot face impedanța mai sensibilă la variația de gravare.

Pentru lucrările RF cu impedanță controlată, desenul PCB ar trebui să specifice grosimea dielectricului dintre straturile de cupru, nu doar grosimea plăcii finite. Fabricantul ar trebui să confirme dacă grosimea este reprezentată de materialul miezului, prepreg/lipply sau o valoare presată după laminare. În cazul plăcilor hibride multistrat, această distincție este importantă deoarece diferite materiale se comprimă diferit și pot avea proprietăți dielectrice diferite.

Comportamentul termic contează în circuitele RF de putere

Plăcile de înaltă frecvență nu sunt întotdeauna plăci de putere redusă. Amplificatoarele de putere, modulele de transmisie, plăcile radar și rețelele de alimentare a antenei pot genera căldură semnificativă. Materialele Rogers TMM oferă o conductivitate termică de aproximativ 0.70 până la 0.76 W/m·K, în funcție de grad, ceea ce este util în comparație cu multe dielectrice convenționale cu costuri reduse. Totuși, căldura trebuie gestionată de întreaga structură a plăcii: suprafața plană a cuprului, rețelele de fire de legătură, structurile cu suport metalic, metoda de atașare a componentelor, contactul carcasei, controlul golurilor de lipire și fluxul de aer.

Designul termic și designul RF ar trebui revizuite împreună. Adăugarea de fire termice poate îmbunătăți răspândirea căldurii, dar poate perturba curentul de masă sau poate crea cuplaje nedorite dacă nu sunt poziționate corect. Creșterea suprafeței de cupru poate ajuta la încălzire, dar poate modifica și impedanța sau comportamentul rezonant. Un design bun al PCB-ului Rogers TMM echilibrează continuitatea RF, conductivitatea termică și fabricabilitatea, în loc să optimizeze fiecare în parte.

Cum să selectați calitatea potrivită Rogers TMM

Folosește TMM3 când sunt utile Dk mai mic și trasee RF mai largi

TMM3 este adesea luat în considerare atunci când designul necesită pierderi reduse, Dk controlat și dimensiuni mai generoase ale liniei de transmisie, cum ar fi linii de alimentare a antenei mai late sau rutare RF în bandă largă. Cu un Dk de proces de 3.27 și un Dk de proiectare de aproximativ 3.45, este util pentru alimentări de antene, linii RF în bandă largă, cuploare și circuite cu microunde unde un Dk prea mare ar îngusta traseele sau ar limita lățimea de bandă. TMM3 poate fi, de asemenea, atractiv atunci când se înlocuiește un material PTFE cu Dk mai mic, dar se caută o rigiditate mecanică mai bună.

Compromisul este suprafața plăcii. O structură TMM3 cu un sfert de undă va fi mai mare decât aceeași structură pe TMM6, TMM10 sau TMM13i. Dacă dimensiunea produsului nu este constrângerea dominantă, acea geometrie mai mare poate fi de fapt utilă, deoarece reduce sensibilitatea la gravare și permite tranziții mai curate. Dacă compactitatea este critică, un grad TMM cu Dk mai mare poate fi mai potrivit.

Folosiți TMM4 sau TMM6 atunci când echilibrați dimensiunea și fabricabilitatea

TMM4 și TMM6 se află la mijlocul familiei. Acestea reduc dimensiunea circuitelor în comparație cu TMM3, evitând în același timp comportamentul la frecvență foarte mare (Dk) al TMM10 și TMM13i. Aceste clase pot fi potrivite pentru rețele RF compacte, structuri selective în frecvență, circuite de adaptare și proiecte în care lățimea urmei, golurile de cuplare și sensibilitatea la toleranță trebuie să rămână fabricabile.

Pentru multe modele, TMM6 este un punct de mijloc practic. Oferă o reducere a dimensiunii mai puternică decât TMM4, dar nu împinge configurația în același regim miniaturizat ca TMM10 sau TMM13i. Alegerea corectă ar trebui verificată cu un calculator de impedanță, un rezolvitor de câmp 2D sau un model EM cu undă completă, deoarece lățimea și spațierea dorite ale traseului pot fi factorul decisiv, mai degrabă decât singurul Dk nominal; după aceea, suprapunerea ar trebui verificată cu un producător de PCB compatibil cu TMM.

Folosiți TMM10, TMM10i sau TMM13i pentru circuite compacte cu Dk ridicat

TMM10, TMM10i și TMM13i sunt alese atunci când este necesară o constantă dielectrică ridicată pentru a reduce dimensiunea fizică sau pentru a obține o anumită distribuție a câmpului. Aceste clase sunt candidați obișnuiți pentru filtre miniaturizate, rezonatoare, module cu microunde de înaltă densitate și aplicații în care substraturile ceramice ar putea fi luate în considerare.

Proiectarea cu densitate mare (DK) necesită disciplină. Aceeași compactitate care face aspectul atractiv poate crește și sensibilitatea la mici modificări dimensionale. Spațiile de cuplare devin mai critice, efectele măștii de lipire pot deveni mai vizibile, iar metalul din apropiere poate avea o influență mai puternică. Pentru plăcile Rogers TMM cu densitate mare (DK) ridicată, proiectarea trebuie revizuită ținând cont de capacitatea finală de fabricație: urmele și spațiul minim, toleranța la gravare, înregistrarea, distanța dintre burghiu și cupru și grosimea finisajului suprafeței trebuie confirmate înainte de lansarea aspectului.

Luați în considerare TMM10i și TMM13i atunci când comportamentul izotrop contează

„I”-ul din TMM10i și TMM13i indică un comportament izotrop. Comportamentul dielectric izotrop poate fi valoros acolo unde orientarea câmpului electric se schimbă sau unde un design depinde de un comportament previzibil pe mai multe axe. Pentru module complexe de microunde, rezonatoare, structuri încorporate sau tranziții, acest lucru poate reduce incertitudinea de modelare în comparație cu materialele care au o dependență direcțională mai puternică.

Un flux de lucru simplu pentru selectarea notelor

Un proces practic de selecție începe cu funcția RF, mai degrabă decât cu lista de materiale. În primul rând, se stabilește impedanța țintă, frecvența de funcționare, lățimea de bandă și pierderea de inserție admisibilă. În al doilea rând, se estimează dimensiunea fizică necesară pentru materialele cu Dk mic, mediu și mare. În al treilea rând, se verifică dacă lățimile traseelor, golurile, distanțele dintre via și caracteristicile cuprului rezultate sunt fabricabile. În al patrulea rând, se compară bugetul de pierderi, cerințele termice și costul. În cele din urmă, se construiește primul prototip cu structuri cupon, astfel încât impedanța și pierderea să poată fi măsurate în loc să fie presupuse.

Dacă două clase TMM par funcționale din punct de vedere electric, alegeți-o pe cea care oferă cea mai robustă fereastră de fabricație. Un material care produce urme extrem de înguste sau goluri critice poate arăta bine în simulare, dar poate deveni scump sau instabil în producție. Pentru multe plăci RF comerciale, fabricabilitatea este la fel de importantă ca performanța electrică nominală.

Proiectare Stackup pentru PCB de înaltă frecvență Rogers TMM

Plăci RF cu un singur strat și față-verso

Cel mai simplu PCB Rogers TMM este o placă cu două fețe, cu urme RF pe o parte și un plan de masă continuu pe cealaltă, o structură utilizată în mod obișnuit în PCB Rogers TMM RF scheme. Această structură este comună pentru circuitele microstrip, alimentările antenelor, filtrele și plăcile de evaluare. Avantajele sale sunt accesibilitatea, costul mai mic, sondarea mai ușoară și mai puține variabile de laminare. Limitările sale includ radiațiile, expunerea la mediu a liniilor RF și izolația redusă în comparație cu linia strip.

Pentru plăcile RF cu două fețe, planul de masă trebuie să rămână continuu sub liniile cu impedanță controlată. Evitați rutarea liniilor digitale, a divizoarelor de putere sau a antipad-urilor mari direct sub căi RF sensibile. Conexiunile de împământare trebuie plasate în apropierea tranzițiilor, conectorilor, a maselor componentelor și a marginilor ghidului de undă coplanar. Dacă placa include găuri de montare, ecrane sau carcase metalice, efectul acestora asupra câmpurilor RF trebuie luat în considerare din timp.

Microstrip, ghid de undă coplanar împământat și linie de bandă

Microstrip-ul este utilizat pe scară largă deoarece este simplu și ușor de reglat. Permite montarea componentelor direct pe aceeași parte cu traseul RF, dar poate radia mai mult decât structurile îngropate și poate fi sensibil la masca de lipire, înălțimea carcasei și metalul din apropiere. Ghidul de undă coplanar împământat adaugă cupru de împământare lângă traseul RF și folosește coaserea via pentru a conecta aceste împământări la planul de referință. Acest lucru poate îmbunătăți izolația și poate facilita tranzițiile, dar necesită un control atent al lățimii traseului, spațiului liber și spațierii via-urilor.

Stripline încorporează traseul semnalului între planurile de referință. Acesta oferă o ecranare și o izolare mai bune, ceea ce este util în modulele de microunde dense sau în plăcile cu căi receptoare sensibile. Compromisurile sunt complexitatea fabricației, reglarea mai dificilă și o dependență mai mare de controlul grosimii laminării. Dacă circuitul utilizează stripline, stackup-ul trebuie să definească clar grosimile miezului și ale stratului de legătură, iar fabricantul trebuie să confirme grosimea finală presată înainte de blocarea modelării impedanței.

Stivuiri hibride multistrat

Un stackup hibrid folosește Rogers TMM doar acolo unde este necesară performanța de înaltă frecvență și folosește un alt material, adesea FR4 sau un laminat Rogers diferit, pentru straturile digitale, de control sau de putere. Această abordare poate reduce costurile și poate menține grosimea plăcii practică. De asemenea, poate permite circuite RF pe un strat exterior TMM, în timp ce rutarea digitală, distribuția puterii și suportul mecanic sunt plasate în altă parte.

Construcția hibridă trebuie proiectată cu atenție. Materiale diferite au coeficient de expansiune termică (CTE), comportament la umiditate, temperaturi de laminare și proprietăți dielectrice diferite. Suprapunerea trebuie să fie simetrică pe cât posibil pentru a reduce curbura și răsucirea. Selecția straturilor de legătură trebuie să fie compatibilă cu ambele materiale și cu ciclul de laminare necesar. Modelul RF ar trebui să includă dielectricul real de lângă urmă, nu un material idealizat care dispare după fabricație.

Planuri de referință și curent de retur

Fiecare urmă de înaltă frecvență necesită o cale de retur controlată. La frecvențele RF și microunde, curentul de retur urmează calea cu cea mai mică inductanță, de obicei direct sub sau lângă conductorul de semnal. Diviziunile planului, golurile, antipad-urile mari, golurile de via și tranzițiile plasate necorespunzător întrerup această cale de curent. Rezultatul poate fi discontinuitatea impedanței, pierderi crescute, radiații, diafonie sau rezonanță neașteptată.

Pentru PCB-urile de înaltă frecvență Rogers TMM, configurația trebuie să păstreze un plan de referință RF continuu sub liniile de transmisie. Când un semnal își schimbă straturile, plasați via-urile de împământare aproape de tranziție, astfel încât curentul de retur să poată schimba și el straturile. Când utilizați un ghid de undă coplanar împământat, mențineți gardurile via-urilor suficient de aproape pentru a se comporta ca o limită RF la frecvența de funcționare, dar nu atât de aproape încât riscul de fabricație sau capacitatea excesivă să devină o problemă.

Decizii privind masca de lipire

Multe configurații RF evită utilizarea măștii de lipire peste liniile cu impedanță controlată, deoarece masca de lipire modifică mediul dielectric efectiv și poate crește pierderile sau deplasa impedanța. Unele modele încă folosesc masca de lipire pentru controlul asamblării, protecția împotriva coroziunii sau fabricabilitatea. Cheia este să nu se trateze masca de lipire ca fiind invizibilă. Dacă masca de lipire acoperă urmele RF, includeți-o în modelul de impedanță sau construiți cupoane de testare care reflectă finisajul real.

Pentru circuitele cu microunde foarte sensibile, specificați „fără mască de lipire pe traseele RF” sau definiți deschiderile exacte ale măștii în notele de fabricație. Pentru plăcile mixte, masca de lipire poate rămâne pe zonele digitale și de putere, în timp ce secțiunile RF sunt deschise selectiv. Alegerea finală ar trebui să ia în considerare împreună randamentul asamblării, curățenia, riscul de oxidare și performanța RF.

Controlul pierderilor de inserție: Cupru, finisaj și geometrie

Pierderea dielectrică nu este singura pierdere

O greșeală frecventă este compararea materialelor PCB de înaltă frecvență doar după Df (Dif). Df contează, dar pierderea în conductor poate fi la fel de importantă sau chiar dominantă, mai ales pe măsură ce frecvența crește. La frecvențele de microunde și unde milimetrice, curentul circulă în apropierea suprafeței de cupru din cauza efectului pelicular. Cuprul mai rugos crește calea efectivă de curent și poate crește pierderea de inserție. Aceasta înseamnă că același laminat Rogers TMM poate produce pierderi măsurate diferite în funcție de tipul foliei de cupru și de tratamentul suprafeței.

Când pierderea este critică, întrebați producătorul PCB-ului ce folie de cupru este disponibilă pentru gradul și grosimea TMM alese. Opțiunile de cupru electrodepus, cupru laminat și cupru cu profil redus pot avea rugozitate, aderență și costuri diferite. Cea mai bună alegere depinde de frecvență, geometria urmelor, cerințele de rezistență la decojire și capacitatea de fabricație.

Selectarea finisajului suprafeței

Finisajul suprafeței protejează cuprul expus și permite lipirea sau lipirea firelor. Pentru circuitele RF, finisajul poate afecta, de asemenea, pierderile, impedanța și calitatea contactului. ENIG este un material comun și lipibil, dar nichelul are relativ pierderi la frecvență înaltă și poate fi nedorit în zonele de lansare RF sau pe urmele RF expuse pe termen lung. Se pot lua în considerare argintul de imersie, staniul de imersie, OSP, aurul moale sau ENEPIG, în funcție de metoda de asamblare, durata de valabilitate, cerințele de lipire a firelor și expunerea la mediu.

Nu există un finisaj universal unic pentru fiecare PCB Rogers TMM, așadar finisajul trebuie selectat în funcție de pierderile RF, lipirea, depozitarea, conectarea și fereastra de proces TMM dovedită a producătorului. Un modul cu microunde conectat prin lipire prin cablu poate necesita un finisaj compatibil cu o lipire fiabilă. O placă de testare RF conectorizată poate prioritiza rezistența de contact scăzută și lansările repetabile. O placă de producție lipită poate prioritiza randamentul asamblării și stabilitatea la depozitare. Finisajul trebuie selectat ținând cont atât de cerințele RF, cât și de cele de asamblare.

Lansări și tranziții ale conectorilor

Chiar și o linie de transmisie TMM bine proiectată se poate defecta dacă lansarea conectorului este slabă, motiv pentru care tranzițiile conectorilor sunt tratate ca parte a aspectului PCB RF, nu doar ca hardware mecanic. Lansările SMA, 2.92 mm, 2.4 mm și cele de pe marginea plăcii necesită o geometrie controlată a pad-urilor, plasarea via-urilor la masă, distanța în planul de referință și alinierea mecanică. Lansarea ar trebui modelată sau copiată dintr-un design dovedit pentru grosimea exactă a plăcii și tipul de conector.

Tranzițiile straturilor sunt o altă sursă comună de pierderi și reflexii. O tranziție de via de la microstrip la stripline, de exemplu, include inductanța via, capacitatea pad-ului, geometria antipad-ului și via-urile căii de retur. Pentru frecvențe mai mici ale microundelor, o via bine controlată poate fi acceptabilă. La frecvențe mai mari, tranziția poate necesita perforare din nou, o lungime redusă a stub-ului, antipad-uri optimizate sau o structură de via coaxială.

Toleranță de gravare și control al lățimii liniei

Impedanța controlată depinde de lățimea finală a cuprului gravat, nu doar de lățimea CAD. Grosimea cuprului, compensarea gravării, orientarea urmei, poziția panoului și procesul de fabricație afectează toate lățimea finală. Acest lucru este important în special pentru materialele TMM cu Dk ridicat, unde o linie de 50 ohmi poate fi îngustă. Variația de câțiva microni poate avea un efect măsurabil.

Desenul de fabricație trebuie să includă impedanța țintă, toleranța, referința stratului, cerințele cuponului de testare și dacă impedanța este modelată înainte sau după placare/finisare. Dacă proiectul conține structuri RF acordate, mai degrabă decât doar linii de transmisie, includeți dimensiunile critice separat și discutați dacă acestea sunt controlate prin testarea impedanței, inspecția dimensională sau testarea RF.

Considerații privind fabricația pentru PCB-ul Rogers TMM

Găurire și uzură a sculelor

Laminatele Rogers TMM conțin umplutură ceramică, așadar secțiunea de fabricație a unui proiect TMM ar trebui gestionată diferit față de o lucrare FR4 standard. Acest lucru îmbunătățește comportamentul electric și termic, dar face și găurirea mai solicitantă decât găurirea FR4 standard. Umplerea ceramică poate crește uzura sculelor, așadar parametrii de găurire, numărul de lovituri, selecția sculelor și materialele de intrare/rezervă ar trebui controlate. Găurirea deficitară poate crea pereți rugoși ai găurilor, deformarea capului cuielor, pete, bavuri sau defecte de placare.

Un producător cu experiență în TMM va ajusta condițiile de găurire pentru calitatea găurii și durata de viață a sculei; acesta este un motiv pentru a alege un atelier cu documentație... Fabricarea Rogers TMM experiență. Canalele de acces foarte mici, gardurile dense ale canalelor de acces și găurile cu raport de aspect ridicat ar trebui verificate înainte de fabricație. Dacă proiectul necesită multe canale de acces la masă RF, este mai bine să se valideze diametrul și spațierea canalelor de acces în funcție de capacitatea TMM a fabricantului, în loc să se presupună că se aplică regulile de proiectare FR4.

Placare și pregătirea pereților găurii

Un avantaj al TMM în comparație cu multe laminate pe bază de PTFE este că TMM standard nu necesită tratament cu naftanat de sodiu înainte de placarea electrolitică, ceea ce poate simplifica procesul pentru o Producător de PCB-uri Rogers TMMAcest lucru poate simplifica procesarea și reduce o etapă de risc. Cu toate acestea, o placare bună depinde în continuare de pregătirea suprafeței, de chimia de curățare/despăturire, de calitatea pereților găurii și de controlul procesului.

Pentru plăcile cu fiabilitate ridicată, specificați grosimea necesară a cuprării, standardul de acceptare și orice cerință de solicitare termică. Gardurile de cupru și via-urile de împământare nu sunt doar găuri mecanice; ele transportă curent de retur și afectează ecranarea. Via-urile crăpate sau placate prost pot deveni defecte RF intermitente, dificil de diagnosticat după asamblare.

Frezare, zgârietură și muchii mecanice

Plăcile Rogers TMM pot necesita condiții de rutare controlate deoarece laminatul umplut cu ceramică se comportă diferit față de FR4. Aruncările conectorilor de la marginea plăcii, marginile crenelate, caracteristicile cavității și toleranțele mecanice strânse ar trebui discutate din timp. Pentru plăcile RF, marginea face adesea parte din interfața electrică: conectorii de la marginea plăcii necesită planeitate, calitatea plăcii, continuitate la masă și o distanță precisă față de margine.

Dacă PCB-ul va fi instalat într-o carcasă metalică, conturul plăcii și amplasarea orificiilor de montare pot afecta împământarea RF și comportamentul cavității. Prin urmare, toleranțele mecanice ar trebui revizuite odată cu configurația RF, nu doar cu desenul carcasei.

Stabilitate dimensională și înregistrare

Structura termorezistentă a TMM și expansiunea adaptată la cupru contribuie la stabilitatea dimensională, însă înregistrarea multistrat este încă o provocare de fabricație atunci când designul utilizează caracteristici fine, straturi RF îngropate sau materiale hibride. Pentru circuitele de înaltă frecvență, înregistrarea afectează alinierea dintre fire și pad, centrarea benzilor de distribuție, golurile de cuplare și structurile cavității. Dispunerea panoului de fabricație ar trebui să includă cupoane și ținte de înregistrare adecvate.

Când un circuit este foarte sensibil, luați în considerare solicitarea măsurătorilor din primul articol: grosimea dielectricului, grosimea cuprului, datele cuponului de impedanță, dimensiunile caracteristicilor critice și, atunci când este cazul, măsurători ale parametrului S al structurilor de testare. Acest lucru oferă atât inginerului, cât și producătorului o bază factuală pentru reglarea următoarei construcții.

Asamblare și lipire prin cabluri

Materialele Rogers TMM se bazează pe un sistem de rășini termorezistente și sunt utilizate în proiecte care pot necesita lipire cu fir. Cerințele de asamblare trebuie stabilite înainte de fabricație, deoarece acestea influențează finisajul suprafeței, masca de lipire, planeitatea, curățenia și ambalarea. Dacă placa va utiliza un asamblaj cu matriță goală, cip și fir sau atașament eutectic, desenul PCB ar trebui să definească cu precizie zonele care pot fi lipite și cerințele de finisare.

Pentru componentele RF lipite, geometria modelului de suprafață și volumul de lipire contează. Lipirea în exces poate modifica impedanța la nivelul pad-urilor, în timp ce lipirea insuficientă poate reduce fiabilitatea. Pentru componentele RF de putere, golurile de sub pad-urile termice pot crește temperatura și pot modifica performanța. Prin urmare, un PCB Rogers TMM ar trebui revizuit ca un produs combinat de fabricație și asamblare, mai degrabă decât doar ca o placă goală.

Rogers TMM vs. PTFE, RO4350B și Alumină

Materialul Rogers TMM nu este automat cel mai bun pentru fiecare PCB de înaltă frecvență, așa că ar trebui comparat cu alte laminate RF pe baza pierderilor, rigidității, intervalului Dk, riscului de procesare și cerințelor aplicației. Acesta ocupă o poziție specifică între laminatele PTFE cu pierderi foarte mici, laminatele hidrocarburi/ceramice eficiente din punct de vedere al costurilor, cum ar fi RO4350B, și substraturile ceramice dure, cum ar fi alumina. Materialul potrivit depinde de prioritatea de proiectare.

TMM vs. PTFE

Laminatele PTFE pot oferi pierderi mai mici decât TMM. De exemplu, RT/duroid 5880 este cunoscut pentru un Dk foarte scăzut și un factor de disipație foarte scăzut. Dacă un design are o cale de transmisie lungă cu pierderi reduse, iar complexitatea mecanică este limitată, PTFE poate fi alegerea electrică mai bună. Cu toate acestea, materialele pe bază de PTFE pot necesita o fabricație mai specializată și pot fi mai puțin rigide din punct de vedere mecanic. Rogers TMM este adesea selectat atunci când designul necesită un echilibru mai puternic între performanța RF, stabilitatea dimensională, fiabilitatea găurilor placate și fabricabilitatea.

TMM vs. RO4350B

RO4350B este utilizat pe scară largă pentru plăcile RF comerciale, deoarece se procesează similar cu epoxiul/sticla standard și este rentabil. Este o opțiune puternică pentru antene, module RF, amplificatoare de putere și infrastructură wireless, unde bugetul de pierderi și intervalul Dk sunt compatibile. TMM devine mai atractiv atunci când designul necesită pierderi mai mici decât RO4350B, o opțiune Dk mai mare, un control dielectric mai strict sau un material termorezistent rigid cu setul de proprietăți specifice TMM.

TMM vs. alumină

Alumina nu este un laminat PCB obișnuit; este un substrat ceramic. Poate fi excelentă pentru module cu microunde de înaltă performanță, dar este fragilă și utilizează un ecosistem diferit de fabricație și asamblare. Clasele TMM cu Dk ridicat pot fi luate în considerare atunci când un design dorește un avantaj dimensional al constantelor dielectrice asemănătoare ceramicii, rămânând în același timp mai apropiate de metodele de fabricație PCB. Aceasta nu înseamnă că TMM înlocuiește alumina în fiecare caz. Înseamnă că TMM ar trebui evaluat atunci când produsul necesită un compromis între performanța RF compactă și fabricabilitatea în stil PCB.

Aplicații tipice

Sisteme de antene și rețele de alimentare

PCB-urile de înaltă frecvență Rogers TMM sunt utilizate în sisteme de antene unde faza, impedanța și repetabilitatea pierderilor sunt importante. Rețelele de alimentare pentru tablouri trebuie să distribuie semnale cu amplitudine și fază previzibile. Dacă variația dielectricului modifică lungimea electrică a unei căi față de alta, performanța tabloului poate avea de suferit. Proprietățile dielectrice controlate ale TMM ajută la menținerea repetabilității pe plăci.

Pentru plăcile de antenă, alegerea materialelor depinde de lățimea de bandă, dimensiunea antenei, eficiența radiației, mediu și cost. Pot fi utilizate clase TMM cu Dk inferior acolo unde se dorește o lățime de bandă mai mare și linii mai largi. Clasele cu Dk superior pot fi luate în considerare pentru structuri de antenă compacte, dar proiectanții trebuie să țină cont de compromisurile dintre lățimea de bandă și eficiență.

Filtre, cuploare și rezonatoare RF

Filtrele și rezonatoarele se numără printre cele mai sensibile structuri PCB la Dk. O mică modificare a constantei dielectrice sau a dimensiunii urmei poate modifica banda de trecere, pierderea de retur sau răspunsul de cuplare. TMM este valoros deoarece oferă valori Dk controlate pe mai multe grade, permițând proiectantului să aleagă dimensiunea fizică și sensibilitatea la toleranță care se potrivesc tipului de filtru.

Pentru aceste circuite, desenul de fabricație ar trebui să identifice dimensiunile critice, mai degrabă decât să trateze toate caracteristicile cuprului în mod egal. Spațiile de cuplare, lungimile rezonatorului, structurile în ac de păr, degetele interdigitale și distanța față de sol pot necesita o inspecție specială. În unele cazuri, cea mai bună strategie de fabricație este de a include cupoane de rezonator sau de a permite o operațiune de reglare controlată după măsurarea primului articol.

Electronică radar și aerospațială

Electronica radar și aerospațială combină adesea frecvența înaltă, ciclurile termice, vibrațiile, cerințele stricte de fiabilitate și durata lungă de viață. Un material selectat doar pentru pierderi reduse poate să nu fie suficient. Placa necesită, de asemenea, fiabilitate la placarea cu orificii, stabilitate dimensională și compatibilitate cu cerințele de asamblare și de mediu.

Rigiditatea termorezistentă a materialului Rogers TMM, dilatarea adaptată la cupru și proprietățile electrice de înaltă frecvență îl fac un candidat potrivit pentru module radar, plăci de senzori și ansambluri cu microunde de înaltă fiabilitate. Pentru lucrările din industria aerospațială sau de apărare, documentația, trasabilitatea materialelor, cerințele de inspecție și considerațiile privind controlul exporturilor pot fi, de asemenea, luate în considerare în timpul achizițiilor.

Sisteme de satelit și comunicații

Sistemele de comunicații prin satelit și prin microunde utilizează adesea căi RF cu impedanță controlată, secțiuni de receptor cu zgomot redus, amplificatoare de putere, filtre și rețele cu fază. PCB-urile Rogers TMM pot susține aceste funcții atunci când stackup-ul este proiectat pentru pierderi reduse și fază stabilă. În sistemele de comunicații, mici îmbunătățiri ale pierderilor de inserție se pot traduce într-un buget de legătură mai bun, un stres mai mic al amplificatorului sau o sensibilitate îmbunătățită a receptorului.

Plăci de putere RF și amplificatoare

Plăcile de putere RF necesită performanțe atât electrice, cât și termice. Laminatul trebuie să suporte o impedanță stabilă și pierderi reduse, în timp ce configurația elimină căldura de la dispozitivele active. Conductivitatea termică și fiabilitatea orificiilor placate cu TMM pot ajuta, dar designul termic la nivel de placă rămâne esențial. Folosiți intenționat fire termice, plane de cupru, dispersoare de căldură și contactul carcasei și verificați dacă structurile termice nu perturbă curentul de retur RF.

Listă de verificare pentru o ofertă și proiectare PCB Rogers TMM

O ofertă Rogers TMM PCB este mai precisă atunci când producătorul primește un pachet tehnic complet; în caz contrar, furnizorul poate oferi un material diferit, poate presupune un proces mai sigur, dar mai scump sau poate omite detalii critice pentru radiofrecvență care afectează... Costul PCB-ului TMMDeoarece TMM este un laminat special de înaltă frecvență, datele incomplete pot duce la înlocuirea greșită a materialelor, la ipoteze incorecte de stivuire, la creșteri ale costurilor evitabile sau la întârzieri la prototipuri.

Informații despre materiale și stivuire

• Gradul exact Rogers TMM: TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i sau TMM13i.
• Grosimea necesară a laminatului și greutatea placării de cupru.
• Grosimea și toleranța plăcii finite.
• Numărul de straturi și suprapunerea completă, inclusiv materialele de lipire în construcțiile hibride.
• Care straturi sunt straturi RF cu impedanță controlată.
• Dacă masca de lipire este permisă pe traseele RF.
• Orice cerință de simetrie pentru a controla curbura și răsucirea, în special în construcțiile hibride care combină TMM cu alte materiale.

Cerințe de performanță RF

• Impedanța țintă și toleranța pentru fiecare tip de linie RF.
• Intervalul de frecvență de funcționare și dacă designul este cu bandă îngustă sau cu bandă largă.
• Pierderea maximă de inserție, pierderea de retur sau toleranța de fază, dacă este cazul.
• Cerințe privind cuponul pentru măsurarea impedanței, pierderilor sau a parametrului S.
• Dimensiuni critice RF, cum ar fi golurile de cuplare, lungimile rezonatorului și geometria lansării.
• Tipul conectorului și recomandarea de lansare dacă se utilizează conectori de margine a plăcii.

Cerințe de fabricație și asamblare

• Urmă și spațiu minime, găurire minimă, raport de aspect și tip de via.
• Grosimea plăcii, cerințele de umplere a via și cerințele de perforare la spate, dacă există.
• Finisaj suprafață: ENIG, argint de imersie, OSP, aur moale, ENEPIG sau altul.
• Cerințe speciale de lipire cu sârmă, atașare cu matriță sau asamblare.
• Necesități pentru interfața termică: suport metalic, cupru greu, fire termice sau contact cu distribuitor de căldură.
• Standard de acceptare, raport de inspecție, certificat de material și cerințe privind datele de testare.

Întrebări pe care să le adresați producătorului de PCB-uri

Înainte de a lansa un PCB de înaltă frecvență Rogers TMM, întrebați producătorul dacă a procesat anterior exact gradul și grosimea TMM. Întrebați ce folie de cupru și opțiuni de finisaj pot accepta. Confirmați toleranța de gravare realizabilă pentru grosimea selectată a cuprului. Întrebați cum vor testa impedanța controlată și dacă structura cuponului se potrivește cu tipul de linie RF. Pentru plăcile hibride, întrebați dacă stratul de laminare a fost validat pentru compatibilitatea cu curbura, răsucirea și materialele.

Aceste întrebări previn o problemă comună: un design sofisticat din punct de vedere electric, dar dificil de fabricat repetabil. Un producător calificat de PCB-uri TMM ar trebui să poată discuta despre disponibilitatea laminatelor, alternativele de suprapunere, parametrii de găurire, compromisurile privind finisajul suprafeței și verificarea impedanței înainte de plasarea comenzii.