CC BY
1791230
www.finestreet.ru
технологии I материалы
Александр КОСОЛАПОВ
Материалы фирм Taconic и №Кес для 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-устрой-ства достаточно применения стеклотектоли-та марки БИ-4, имеющего коэффициент диэлектрической проницаемости (ЭК) 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 БИ-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 Тасошс и №кес, изготовленные на основе тефлона (РТББ). 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), с 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 (ЭК). 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.
0 № яг" а .
Ъ ©
Рис. 1. Искажение сигнала
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 ЫеКес
Спектр ламинатов для производства односторонних и двухсторонних печатных плат СВЧ достаточно широк.
Однако для изготовления СВЧ-плат предпочтителен ламинат с ЭК (коэффициент диэлектрической проницаемости) меньше 3 и по возможности с наименьшим тангенсом диэлектрических потерь (таблица 1). Таким требованиям отвечают ламинаты ЫУ9000, ЫХ9000, N№000.
Ламинат ЫУ9000 — тефлон с армированием небольшим количеством стеклоткани.
Ламинат ЫХ9000 — тефлон с армированием большим, чем у ЫУ9000, количеством стеклоткани для механической прочности.
Ламинат N№000 — тефлон, армированный стеклотканью с добавлением керамики для улучшения температурной стабильности.
Для сравнения представлена задержка сигнала в стеклотектолите БИ-4 с ламинатом N4000 и в ОТ9000 (рис. 2).
Понятно, если будет применяться ламинат ОТ9000 в качестве материала для СВЧ-печат-ной платы, этот параметр будет иметь наименьшую величину и будет стабилен для всего диапазона частот.
В случае если печатная плата содержит 4, б 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 TLE и TLC специально разработаны для применения в многослойных платах от б слоев (таблица 2), так как имеют наименьший коэффициент температурного расширения (50-70 ppm/^ для диапазона температур 25-250 °С). Марки ламината TLY и TLX подходят для 1, 2, 4, б-слой-ных 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.
Таблица 1. СВЧ-ламинаты фирмы NELTEC
Название СВЧ Структура Температура Tg DSC Диэлектрическая проницаемость на разных частотах Тангенс диэлектрических потерь
ламината ( с) 1 ГГц 2,5 ГГц 10 ГГц 2,5 ГГц 10 ГГц
N4000-12 High Speed, Low Loss Lead-Free Epoxy 190 3,7 3,7 3,6 0,008 0,008
N4000-13 High Speed, Low Loss Epoxy 210 3,8 3,7 3,6 0,007 0,008
N4000-13 SI High Speed, Low Loss Epoxy 210 3,5 3,2 3,2 - 0,006
N4380-13 RF Microwave Performance, Modified Epoxy 210 - - 3,8 - 0,007
N5000 BT Epoxy 185 3,8 3,6 3,6 0,014 0,014
N5000-30 & 32 Chip Packaging BT Epoxy 205 4,1 - - 0,009 -
N7000-1 non-MDA Polymide 260 3,9 3,9 3,8 0,015 0,016
N7000-2 HT/-3 non-MDA Toughened Polymide 260 3,8 3,5 3,5 0,015 0,015
N7000-2 VO UL 94 V-0 Toughened Polymide 250 4 3,8 3,8 0,011 0,01
N8000 Cyanate Ester 250 3,7 3,6 3,5 N/A 0,011
N9000-13 RF PTFE Blended Laminate 220 N/A N/A 3,00-3,50 N/A 0,004-0,0055
NH9000 Woven, Glass/Ceramic Loaded PTFE N/A N/A N/A 2,94-3,50 N/A 0,0022-0,0030
NX9000 Woven, Glass-Reinforced PTFE N/A N/A N/A 2,40-3,20 N/A 0,0016-0,0024
NY9000 Woven, Glass-Reinforced PTFE N/A N/A N/A 2,08-2,33 N/A 0,0006-0,0011
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 РИ-4), а структуру «стекловолокно + тефлон», то исчезает так называемая проблема «ухода сверла».
При проектировании печатных плат СВЧ важно минимизировать количество переход-
Таблица 2. СВЧ-ламинаты фирмы TACONIC
Название СВЧ- ламината Структура Диэлектрическая проницаемость Тангенс диэлектрических потерь Обьемное сопротивление МоМ/см Поверхностное сопротивление МоМ Усилие на изгиб lbs/in2 Коэффицент поглощения % Коэффициент термопроводимости W/m/K Коэффицент температурного расширения ppm/°C Усилие на отрыв медной фольги lbs/in Тест
Вдоль Поперек X Y Z
TLY-5A PTFE Woven Glass 2,17(a) 0,0009(a) 107 107 >12,000 >10,000 <0,02 0,22 20 20 280 12,0 94-VO
TLY-5 PTFE Woven Glass 2,20(a) 0,0009(a) 107 107 >12,000 >10,000 <0,02 0,22 20 20 280 12,0 94-VO
TLY PTFE Woven Glass 2,33(a) 0,0012(a) 107 107 >12,000 >10,000 <0,02 0,22 20 20 280 12,0 94-VO
HT 1,5 Bonding Film 2,35 0,0025 0,005
TLX-0 PTFE Woven Glass 2,45(a) 0,0019(a) 107 107 >23,000 >19,000 <0,02 0,14 9 12 140 12,0 94-VO
TLX-9 PTFE Woven Glass 2,50(a) 0,0019(a) 107 107 >23,000 >19,000 <0,002 0,14 9 12 140 12,0 94-VO
TLX-8 PTFE Woven Glass 2,55(a) 0,0019(a) 107 107 >23,000 >19,000 <0,02 0,14 9 12 140 12,0 94-VO
TLX-7 PTFE Woven Glass 2,60(a) 0,0019(a) 107 107 >23,000 >19,000 <0,0 0,14 9 12 140 12,0 94-VO
TLX-6 PTFE Woven Glass 2,65(a) 0,0019(a) 107 107 >23,000 >19,000 <0,02 0,14 9 12 140 12,0 94-VO
TLC-27 PTFE Woven Glass 2,75(a) 0,0030(a) 107 107 >40,000 >35,000 <0,02 0,24 9 12 70 12,0 94-VO
TLE-95 PTFE Woven Glass 2,95(a) 0,0019(a) 107 107 >35,000 >30,000 <0,2 0,2 9 12 70 12,0
TLC-30 PTFE Woven Glass 3,00(a) 0,0030(a) 107 107 >40,000 >35,000 <0,02 0,24 9 12 70 12,0 94-VO
RF-30 PTFE Ceramic Woven Glass 3,00(ь) 0,0014(ь) 1,26x10s 1,46x108 >13,000 >9,000 <0,02 0,2 11 21 125 >10,0 94-VO
TSM-30 PTFE Ceramic Woven Glass 3,00(c) 0,0015(c) 2,5x108 5,6x 107 >6,900 >6,000 0,03 0,27 23 28 78 8 94-VO
TLC-32 PTFE Woven Glass 3,20(a) 0,0030(a) 107 107 >40,000 >35,000 <0,02 0,24 9 12 70 12,0 94-VO
TacPreg TP-32 Prepreg 3,19(c) 0,0046(c) 0,10
Tac-Lam TL-32-0040 PTFE Ceramic BT Woven Glass 3,19(c) 0,0046(c) 7,1 x1014 107 19 16 0,10 0,29 20 14 120 7,0 94-VO
TacLam TL-32 PTFE Ceramic BT Woven Glass 3,20(c) 0,0030(c) 8,2x107 1,5x106 20 22,100 0,16 0,27 8 12 61 6,0 94-VO
TacLam TL-34 PTFE Ceramic BT Woven Glass 3,38(c) 0,0031(c) 8,2x107 1,5x106 20 22,100 0,16 0,27 8 12 61 6,0 94-VO
TacLam TL-35 PTFE Ceramic BT Woven Glass 3,50(c) 0,0030(c) 8,2x107 1,5x106 20 22,100 0,16 0,27 8 12 61 6,0 94-VO
RF-35 PTFE Ceramic Woven Glass 3,50(ь) 0,0018(ь) 1,26x 109 1,46x108 >22,000 >18,000 0,02 0,24 19 24 64 >10,0 94-VO
RF-35A PTFE Ceramic Woven Glass 3,50(ь) 0,0025(ь) 1,77x108 2,3x107 >7,600 >12,300 0,04 0,35 8 10 29 12 94-VO
RF-35P PTFE Ceramic Woven Glass 3,50(ь) 0,0025(ь) 5x108 3,5x107 >28,000 >16,000 0,03 0,27 15 15 110 >10,0 94-VO
RF-60 PTFE Ceramic Woven Glass 6,15(d) 0,0028(a) 2,1x108 1,1 x 108 >25,000 >22,000 <0,02 0,43 11 13 75 >8,0 94-VO
CER-10 (0,0620) PTFE Ceramic Woven Glass 10,00(d) 0,0035(a) 2,1x108 1,1 x 108 >16,500 >15,500 0,02 0,63 13 15 46 >5,0 94-VO
R L L R
„ = =С „
Рис. 3. Эквивалентная схема без переходного отверстия
Рис. 4. Эквивалентная схема с переходным отверстием
ных 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 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:
1. Гибридная технология. Слои изготовлены из СВЧ-ламината и стеклотекстолита FR-4 с разделением «препрегом» (рис. 5).
2. 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 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%.
Таблица 3. Серийно выпускаемые СВЧ ламинаты с диэлектрической проницаемостью до 2,5
Диэлектрическая проницаемость Постав- Название Структура Тангенс диэлектрических Коэффициент температурного расширения MIL-S-13949 IPC-L-125A
на частоте 10 ГГц потер1ь0нГаГчцастоте X Y Z
2,08±0,2 Neltec NY 9208 P, W 0,0006 25 35 260 * *
2,08±0,2 Neltec NY 9208 IM P, W 0,0006 25 35 260 * *
2,10 Polyflon CuFlon P 0,0005 227 227 227 * *
2,10 Rogers RT/duroid 5890 P 0,0005 227 227 227 * *
2,15 Taconic 605 P, W 0,0010 GY 125/05
2,17; 2,20±0,2 Arlon CuClad 217 LX P, W, CP 0,0009 29 28 246 GY 125/05
2,17; 2,20±0,2 Arlon DiClad 880 P, W 0,0009 25 34 252 GY 125/05
2,17; 2,20±0,2 Arlon Isoclad 917 P, R 0,0009 16 47 311 GP, GR 125/04
2,17±0,2 Neltec NY 9217 P, W 0,0008 25 35 260 GY 125/05
2,17±0,2 Neltec NY 9217 IM P, W 0,0008 25 35 260 GY 125/05
2,17±0,2 Rogers Ultralam 1217 P, W 0,0009 20 20 280 GY 125/05
2,17±0,2 Taconic TLY-5A P, W 0,0009 20 35 290 GY 125/05
2,20±0,2 Neltec NY 9220 P, W 0,0009 25 35 260 GY 125/05
2,20±0,2 Neltec NY 9220 IM P, W 0,0009 25 35 260 GY 125/05
2,20±0,2 Rogers RT/duroid 5880 P, R 0,0009 31 48 237 GP, GR 125/04
2,20±0,2 Taconic TLY-5 P, W 0,0009 25 35 290 GY 125/05
2,20±0,2 Taconic 605 P, W 0,0010 GY 125/05
2,32±0,05 Polyflon Polyguide 108 108 108 * *
2,33±0,2 Arlon CuClad 233 LX P, W, CP 0,0013 23 24 194 GY 125/05
2,33±0,2 Arlon DiClad 870 P, W 0,0010 17 29 217 GY 125/05
2,33±0,2 Arlon Isoclad 933 P, R 0,0013 31 35 203 GP, GR 125/04
2,33±0,2 Neltec NY 9233 P, W 0,0011 25 35 260 GY 125/05
2,33±0,2 Neltec NY 9233 IM P, W 0,0011 25 35 260 GY 125/05
2,33±0,2 Rogers RT/duroid 5870 P, R 0,0012 22 28 173 GP, GR 125/04
2,35 Taconic TLY-3 P, W 0,0013 25 35 290 GY 125/05
2,40-2,60±0,5 Taconic 605 P, W 0,0010 GY 125/05
2,40-2,60±0,5 Arlon CuClad 250 GT P, W, CP 18 19 177 GT 125/01
2,40-2,60±0,4 Arlon CuClad 250 GX P, W, CP 0,0020 18 19 177 GX 125/02
2,40-2,60±0,5 Arlon DiCLad 522 P, W 14 21 173 GT 125/01
2,40-2,60±0,4 Arlon Diclad 527 P, W 0,0022 18 19 182 GX 125/02
2,40; 2,50; 2,60 Rogers Ultralam 2000 P, W 0,0019 10 10 120 GX 125/02
2,43±0,4 Taconic 601;602 P, W 0,0020 GT, GX 125/02
2,43±0,4 Neltec NX 9243 P, W 0,0016 12 18 150 GX 125/02
2,43±0,4 Neltec N 9243 IM P, W 0,0016 12 18 150 GX 125/02
2,45±0,4 Neltec NX 9245 P, W 0,0016 12 18 150 GX 125/02
2,45±0,5 Neltec NX 9245 IM P, W 0,0016 12 18 150 GX 125/02
2,45±0,5 Taconic TLT-0 P, W 0,0017 9 12 140 GT 125/01
2,45±0,4 Taconic TLX-0 P, W 0,0017 9 12 140 GX 125/02
2,48±0,4 Neltec NX 9248 P, W 0,0017 12 18 150 GX 125/02
2,48±0,4 Neltec NX 9248 IM P, W 0,0017 12 18 150 GX 125/02
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 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.
_ = ► 0,020м 3,0 DK PTFE Core ^ r
Медная фольга ► ► a Термопластичная пленка
= 0,020" 3,0 DK PTFE Core * Соединение
Рис. б. Четырехслойная печатная платя однородной PTFE-структуры
