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PCB資訊

PCB資訊 - RF射頻電路板制造技術與DK的關聯

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PCB資訊 - RF射頻電路板制造技術與DK的關聯

RF射頻電路板制造技術與DK的關聯
2020-11-11
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在更高的頻率下從任何PCB獲得一致且可預測的相位並不是一項瑣碎或常規的工作。 高頻高速PCB的訊號相位在很大程度上取決於其傳輸線的結構及其電路材料的介電常數(Dk)。 在Dk最低的任何物體(例如Dk為1.0的空氣)中,電磁波傳播最快。 隨著Dk的新增,波的傳播變慢,對傳播訊號的相位響應產生相應的影響。 當傳播介質的Dk發生變化時,會發生波形相位失真,因為在傳播介質中,波形可能會分別加速或减速,而Dk會分別變低或變高。


RF射頻材料的Dk通常是各向異性的,在長度,寬度和厚度的三個維度(3D)(x,y和z)中具有不同的Dk值。 對於某些類型的電路設計,不僅必須考慮Dk的差异,還必須考慮電路製造方法中已經包括Dk對相位的影響。 隨著PCB的頻率提高,尤其是在微波和毫米波頻率下,如第五代(5G)蜂窩無線通訊網絡基礎設施設備和電子輔助汽車中的高級駕駛員輔助系統(ADAS)中使用的,相位穩定性和可預測性將變得越來越重要。


是什麼導致RF射頻電路材料的Dk發生變化?

在某些情况下,PCB上Dk的差异是由於材料效應(例如銅表面粗糙度的變化)引起的。 在某些情况下,Dk變化是由PCB製造方法引起的。 某些PCB Dk的變化是由於惡劣的環境(例如較高的工作溫度)引起的。 通過瞭解PCB的Dk如何因材料特性,製造方法,環境甚至是Dk測試方法而變化,可以更好地理解和預測轉化為PCB相變的Dk變化,並且有希望實現最小化。


各向異性是重要的電路材料内容,Dk的變化特性非常類似於3D數學張量。 三個軸上不同的Dk值會導致三個方向上的電通量和電場強度不同。 取決於用於電路的傳輸線的類型,具有耦合架構的電路的相位可以通過材料各向異性來改變,電路的效能取決於其在電路材料上的取向。 通常,電路材料的各向異性隨厚度和頻率而變化,並且Dk值較低的材料的各向異性較小。 材料增强也可以發揮作用:帶有玻璃纖維增强的電路材料通常比沒有增强玻璃的電路材料更具各向異性。 當相位至關重要並且PCB Dk是電路設計建模的一部分時,兩種材料之間Dk值的比較應始終針對同一軸。

RF射頻電路板

RF射頻電路板

深入設計Dk

電路的有效Dk是基於EM波如何通過某些類型的傳輸線電路傳播的值。 根據傳輸線的不同,一些EM波將通過形成傳輸線的導電金屬的組合傳播,一些通過PCB的介電材料,而另一些通過PCB周圍的空氣傳播。 空氣的Dk值(1.00)低於任何電路材料,囙此有效Dk是在傳輸線導體中傳播,在電介質材料中以及部分在基板周圍空氣中的EM波的組合Dk值。 設計Dk試圖提供有效Dk的更為實用的版本,並結合了不同傳輸線科技,製造方法,導體甚至用於量測Dk的測試方法的影響。 設計Dk是在以電路形式進行測試時從材料中選取的Dk,並且是在電路設計和模擬中使用的適當Dk值。 設計Dk不是電路的有效Dk,但是設計Dk使用有效Dk量測來確定材料的Dk,如電路效能所示。


給定RF射頻電路材料上電路不同部分的變化會導致設計Dk的變化。 例如,形成電路導體的銅的厚度變化意味著每種不同厚度的設計Dk都不同,並意味著由這些導體形成的電路的相位響應會發生變化。 銅導體表面的粗糙程度也會影響設計Dk和相位響應,較光滑的銅(例如軋製銅)對設計Dk或相位響應的影響要小於粗糙銅。


PCB介電材料的厚度將决定導體銅表面粗糙度對設計Dk和電路相位響應的影響。 較厚的基板材料往往會最小化銅導體表面粗糙度的影響,即使對於表面較粗糙的銅導體,其設計Dk值也更接近基板材料的本征Dk。 例如,ROGERS公司的6.6mils厚的RO4350B ™ 電路材料在8至40 GHz的平均設計Dk值為3.96。 對於厚度為30mils的相同材料,在相同頻率範圍內,Dk設計值降至平均值3.68。 在兩倍於厚度(60mils)的情况下,設計Dk為3.66,這是玻璃纖維增强層壓板的固有Dk。


從這個例子中,較厚的電路基板可以提供較低的Dk設計值以及相關的優勢。 但是,在由較厚的基板材料製成的電路上,尤其是在訊號波長較小的毫米波頻率下,在較高的頻率上實現一致的幅度和相位往往會更加困難。 較高頻率的電路更適合於用較薄的電路材料,其中材料的介電部分對設計Dk和電路效能的影響較小。 較薄的PCB基板主要受導體效應的影響,以實現訊號損耗和相位效能。 在毫米波頻率下,就電路材料的設計Dk而言,它們也比較厚的基板對導體特性(例如銅表面粗糙度)更敏感。


選擇RF射頻電路

在射頻/微波和毫米波頻率下,電路設計人員依賴於幾種不同的傳輸線科技,例如微帶,帶狀線和接地共面波導(GCPW)電路,每個人都要求不同的製造方法以及相關優勢的挑戰。 例如,GCPW電路耦合行為的差异將影響電路的設計Dk。 緊密耦合的GCPW電路,具有緊密間隔的傳輸線,通過更有效地利用共面耦合區域之間的空氣進行EM傳播,將損耗降到最低。 通過使用較粗的銅導體,耦合導體的側壁更高,並且耦合區域中的更多空氣用於EM傳播。 這有助於最小化電路損耗,但強調最小化銅導體厚度變化的重要性。


對於給定的電路和電路材料,許多因素都會影響Dk的設計。 工作溫度將根據電路材料的Dk溫度係數(TCDk)改變設計Dk和效能,較低的值表示對溫度的依賴性較小。 高相對濕度(RH)可以提高RF射頻電路材料的設計Dk,特別是對於高吸濕性的材料。 RF射頻電路材料的特性以及電路製造過程和操作環境中的因素都在確定電路材料的設計Dk中發揮作用。 通過瞭解這些影響,可以將其影響降到最低。