Мініатюризуйте антени за допомогою ламінатів Rogers TMM

1. Що таке ламінат Rogers TMM

Ламінати Rogers TMM – це керамічні, вуглеводневі та термореактивні полімерні композити, призначені для застосування в смужкових та мікросмужкових лініях, що вимагають високої надійності покриття наскрізних отворів. На відміну від матеріалів Rogers на основі PTFE (RO3000, RT/duroid), які потребують плазмової обробки та ламінування при температурі 380–400 °C, TMM затвердіває при стандартних температурах пресування FR4 (175–185 °C) і може оброблятися на звичайних... Виготовлення друкованих плат обладнання без модифікацій.

Керамічний наповнювач має три переваги порівняно зі стандартним FR4. По-перше, надзвичайно низький тепловий коефіцієнт діелектричної проникності (TCDk), зазвичай менше 30 ppm/°C для всієї лінійки матеріалів — Dk залишається стабільним у всьому діапазоні робочих температур, підтримуючи стабільність центральних частот фільтра та резонансів антени. По-друге, ізотропні коефіцієнти теплового розширення, тісно пов'язані з міддю, що забезпечує високонадійні наскрізні отвори з покриттям та низьку усадку від травлення. По-третє, теплопровідність приблизно вдвічі більша, ніж у традиційних ламінатів з PTFE/кераміки (0.70–0.76 Вт/м·K), що сприяє відведенню тепла від схем підсилювача потужності.

Оскільки TMM є термореактивним, він не розм'якшується при нагріванні. З'єднання дротів можна виконувати без ризику відривання контактних майданчиків або деформації підкладки — суттєва перевага порівняно з PTFE для гібридних мікрохвильових інтегральних схем (МІС).

2. Таблиця властивостей Rogers серії TMM (TMM3–TMM13i) — перевірені значення з паспорта даних

Усі значення нижче взяті з офіційного технічного опису Rogers TMM. «Процесний Dk» вимірюється на частоті 10 ГГц згідно з методом IPC-TM-650 2.5.5.5 (смужковий резонатор, вісь z). «Розрахунковий Dk» – це широкосмугове значення, виміряне в діапазоні 8–40 ГГц методом диференціальної фазової довжини — використовуйте Design Dk у вашому електромагнітному моделюванні (HFSS, ADS, CST).

* Коефіцієнт теплопровідності TMM10i (TCDk) розраховано згідно з технічним описом Rogers. Теплопровідність TMM13i не опублікована. Водопоглинання залежить від товщини підкладки — див. значення залежно від товщини в технічному описі Rogers (ASTM D570). Стандартна товщина: 0.015″–0.500″ (15–500 міл). Стандартні розміри панелей: 18 × 12″ та 18 × 24″. Мідне покриття: ½ унції, 1 унція, 2 унції, електролитне осадження; доступне покриття з важкого металу.

Ключові закономірності даних: Df залишається низьким (0.0019–0.0023) для всіх варіантів незалежно від Dk — розробники можуть вибирати високий Dk для мініатюризації без значних втрат. КТР xy та КТР z близькі в кожному варіанті (на відміну від FR4, де z-КТР у 3–5 разів вищий за xy), що є основою для надійних гальванічних наскрізних отворів.

Процес Dk проти дизайну Dk: Ці два значення відрізняються, оскільки вони вимірюються різними методами в різних діапазонах частот. Наприклад, TMM4 має технологічний Dk = 4.50, але проектний Dk = 4.70. Використовуйте технологічний Dk лише для контролю якості виробництва. Зверніть увагу, що проектний Dk TMM13i (12.20) нижчий за його технологічний Dk (12.85) — завжди перевіряйте, яке значення очікує ваш інструмент моделювання.

3. TMM3 та TMM4: Низький Dk для фільтрів, осциляторів та калібрувальних підкладок

TMM3 (Dk = 3.27 процес / 3.45 конструкція). TMM3 знаходиться найближче до RO4350B діелектричної проникності. Його TCDk +37 ppm/°K означає, що діелектрична проникність незначно зростає з температурою — передбачуваний, добре охарактеризований дрейф, який можна компенсувати в конструкції. У діапазоні температур від -55 до +125 °C, що використовуються військовими, загальний зсув Dk становить приблизно 0.7%, що підтримує стабільність центральних частот фільтра без налаштування після виробництва. TMM3 використовується у фільтрах супутникових транспондерів, підкладках генераторів з керованою напругою (VCO) та випробувальних пристроях, де Dk має бути відомий з високою точністю та відтворюваним у всіх виробничих партіях.

TMM4 (Dk = 4.50 процес / 4.70 конструкція). TMM4 має найменшу величину TCDk у всій родині TMM: +15 ppm/°K. В діапазоні температур від -55 до +125 °C загальний дрейф Dk становить приблизно 0.27 % — це найстабільніший температурний варіант у портфоліо Rogers. Його конструкційний Dk, що становить 4.70, близький до FR4 (4.2–4.5), тому конструкції, прототипи яких створені на основі FR4, можуть бути переведені на TMM4 без зміни розмірів схеми. TMM4 є стандартним вибором для гребінчастих та міжштифтових фільтрів у системи зв’язку та військові радіостанції, де точність частоти повинна бути стабільною від −55 до +125 °C.

4. TMM6 та TMM10: високий Dk для GPS-антен та решіток базових станцій

Більший Dk зменшує довжину хвилі, пропорційно зменшуючи резонансні структури. Патч-антена на TMM6 (Dk = 6.00) приблизно на 35% менша за виміром, ніж така ж антена на TMM3 (Dk = 3.27). На TMM10 (Dk = 9.20) зменшення розміру сягає приблизно 50%.

TMM6 (Dk = 6.00 процес / 6.30 конструкція). TMM6 є найпоширенішим варіантом TMM. Патч-антени GPS L1 (1.575 ГГц) на TMM6 досягають розміру приблизно 25 × 25 мм — достатньо компактних для автомобільних дахових модулів та портативних приймачів. TCDk −11 ppm/°K (єдиний негативний і малий TCDk у сімействі) робить його найкращим вибором, коли потрібна як мініатюризація, так і температурна стабільність. TMM6 також є стандартним матеріалом для антенних панелей сектора базових станцій стільникового зв'язку, де зменшення розміру на 35% на елемент дозволяє розмістити більше випромінювачів у фіксованій площі панелі для 5G масивні MIMO-масиви.

TMM10 (Dk = 9.20 процес / 9.80 конструкція). TMM10 ще більше просуває мініатюризацію — зменшує розмір на 50% порівняно з TMM3. Застосування включають конструкції діелектричних резонаторних антен (DRA) та компактні масиви для Wi-Fi та 5G. TMM10 та TMM10i можуть замінити алюмокерамічні підкладки, залишаючись при цьому придатними для обробки на стандартному обладнанні для друкованих плат — Роджерс спеціально зазначає цю можливість у технічному описі TMM. Компроміс: КТР xy збільшується до 21 ppm/°K, і матеріал стає більш крихким при більшому завантаженні кераміки.

5. TMM10i та TMM13i: ламінати Роджерса з найвищим Dk для мініатюрних антен

Суфікс «i» позначає ізотропні варіанти КТР. TMM10i (Dk = 9.80) та TMM13i (Dk = 12.85) мають близький коефіцієнт теплового розширення за всіма трьома осями: обидва вимірюють 19/19/20 ppm/°K (x/y/z) — найбільш стабільне теплове розширення серед усіх ламінатів Rogers.

TMM10i (Dk = 9.80 технологічний процес / 9.90 конструкційний). TMM10i є кращим за TMM10 для програм з високою надійністю. Його питома вага (2.77) ідентична TMM10, але більш ізотропний КТР (19/20 проти 21/20 у TMM10) зменшує різницю напружень між міддю через циліндри та навколишнім діелектриком під час термоциклування. Застосування включають елементи фазованих антенних решіток для авіаційно-космічний радар, діелектричні резонаторні фільтри для супутників зв'язку та мережі дільників потужності, де надійність PTH понад 1,000 теплових циклів не підлягає обговоренню.

TMM13i (Dk = 12.85 технологічний процес / 12.20 конструкційний). TMM13i забезпечує найагресивнішу мініатюризацію в портфоліо Rogers — елементи антени приблизно на 60% менші за виміром, ніж у TMM3. Це нішевий матеріал для надкомпактних антен GNSS, мініатюрних керамічних патч-матриць та діелектричних резонаторних генераторів (DRO). Компроміси: найвища щільність (3.00 г/см³), TCDk −70 ppm/°K (найбільший температурний дрейф у сімействі TMM), нижча міцність міді на відшарування (4.0 фунта/дюйм проти 5.7 для TMM3) та теплопровідність, що не опублікована Rogers. Коли потрібен максимальний Dk з термореактивною оброблюваністю, TMM13i є єдиним варіантом ламінату, окрім спеціальних керамічних підкладок.

6. Як виготовляти друковані плати TMM: свердління, гальванічні покриття та ламінування

Термореактивна матриця TMM означає, що вона обробляється на стандартному обладнанні FR4 — це велика перевага над PTFE. Керамічний наповнювач вносить певні корективи, а крихкість збільшується з Dk.

Для TMM10, TMM10i та TMM13i рекомендується лазерне свердління мікровідкриттів — крихкий матеріал може утворювати мікротріщини навколо невеликих механічно просвердлених отворів. Мінімальна ширина доріжки має становити 4 міл для TMM3/TMM4/TMM6 та 5 міл для TMM10/TMM10i/TMM13i. Включити купони на тест імпедансу на кожній панелі.

Highleap виробляє друковані плати TMM усіх шести варіантів. TMM3, TMM6 та TMM10i мають стандартну товщину (25 та 50 міл). TMM4, TMM10 та TMM13i доступні на замовлення з терміном поставки матеріалів від 2 до 4 тижнів. Підтримуються багатошарові конструкції TMM до 8 шарів та гібридні стеки TMM/FR4. Повний процес виготовлення, що охоплює всі сімейства матеріалів Rogers, див. Керівництво з процесу виготовлення друкованих плат Rogers.

7. Rogers TMM проти RO4000 проти RO3000: Посібник з вибору матеріалу

Найбільш очевидним варіантом використання TMM є ситуація, коли для конструкції потрібен Dk вище 6.0 у поєднанні зі стандартною оброблюваністю друкованих плат — жодна інша серія Rogers не пропонує цього в термореактивному форматі. Другим сильним варіантом використання є температурно-стабільна фазова продуктивність: TCDk TMM4 +15 ppm/°K є найнижчою величиною в портфоліо Rogers, що робить його стандартом для вузькосмугових... супутниковий зв'язок фільтри та мережі живлення точних радіолокаційних станцій, де критично важлива стабільність частоти в діапазоні від -55 до +125 °C.

TMM не є правильним вибором, коли потрібні абсолютно мінімальні вставні втрати (використовуйте RT/duroid 5880), при роботі переважно вище 40 ГГц (PTFE перевершує TMM на мм-хвилях) або коли вартість є основним фактором для загального радіочастотного діапазону нижче 10 ГГц (RO4350B дешевший і має більше доступних товарів).

Запит цінової пропозиції на друковану плату TMM від Highleap → Надішліть файли Gerber та вимоги до стека. Інженерна консультація щодо компромісів TMM, RO4000 та RO3000 включена безкоштовно.