Proprietà dei materiali PCB e loro impatto sulle prestazioni delle schede ad alta frequenza

Jun 10, 2023

Alcuni dei parametri del materiale più importanti che influenzano l'attenuazione della linea sono:

Una buona comprensione di queste proprietà e dei meccanismi di perdita nelle linee di trasmissione può aiutarci a scegliere il materiale PCB giusto per la nostra applicazione. La selezione dei materiali è il primo passo nel processo di progettazione del PCB. Oggi, i progettisti di schede digitali ad alta velocità e di prodotti RF possono scegliere tra decine di materiali PCB a Dk controllato e a basse perdite. Molti fornitori di laminati hanno sviluppato sistemi di resina proprietari.

Per una linea di trasmissione a basse perdite, la perdita dielettrica in dB per pollice è data dalla seguente equazione:

\[\alpha_d \text{(dB per pollice)} = 2,32 f \ tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

dove f è la frequenza in GHz. Come si può vedere, la perdita dielettrica è determinata direttamente dalla costante dielettrica e dalla tangente di perdita del materiale. Pertanto, possiamo utilizzare un materiale con tan(δ) e εr inferiori per limitare ⍺d il più possibile. Tre materiali consigliati per ricetrasmettitori Gbps molto elevati sono Nelco 4000-13EPSI, Rogers 4350B e Panasonic Megtron 6. La Figura 1 seguente confronta la tangente di perdita di questi materiali con alcuni altri materiali comuni.

Per comprendere meglio come l'utilizzo di un materiale a basso Dk ci consenta di ridurre lo spessore del pannello, consideriamo la stripline mostrata nella Figura 2.

L'approssimazione più popolare per l'impedenza caratteristica di una stripline, raccomandata dall'IPC, è:

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0.8w+t} \big )\]

Dove:

Per una Z0 fissa e una larghezza della traccia w, se utilizziamo un materiale con εr maggiore, allora dobbiamo aumentare la spaziatura tra i piani. In altre parole, un εr maggiore può aumentare lo spessore complessivo della tavola. In una scheda ad alta densità con molti strati di segnale, ciò può aumentare significativamente lo spessore della scheda. Una scheda più spessa significa che il tuo progetto necessita di via con proporzioni maggiori. Le proporzioni di una via sono la sua lunghezza divisa per il suo diametro.

Ad esempio, se si dispone di una scheda con uno spessore di 0,2 pollici e un diametro della foratura passante di 0,02 pollici, le proporzioni saranno 10:1. Qual è la difficoltà di avere proporzioni grandi? Ricordiamo che per fornire la connettività elettrica, l'interno della via deve essere ricoperto di rame utilizzando una soluzione di placcatura. La Figura 3 mostra la sezione trasversale di un foro placcato con proporzioni di 15:1.

La maggior parte dei produttori di PCB è in grado di creare via con proporzioni comprese tra 6:1 e 8:1. Con rapporti d'aspetto più elevati, la placcatura diventa sempre più difficile perché le porzioni interne del cilindro passante possono avere un rivestimento di rame più sottile. Ciò può anche rendere il centro del canale più soggetto a fessurazioni sotto stress termici. Pertanto, con proporzioni maggiori, potrebbe essere necessario utilizzare tecniche di produzione PCB più costose e avere problemi di affidabilità con la scheda finale. La scelta di un materiale con Dk inferiore può in qualche modo alleviare questi problemi.

La costante dielettrica di un materiale PCB è una funzione della frequenza. La Figura 4 seguente mostra la dipendenza dalla frequenza della costante dielettrica di alcuni comuni laminati PCB.

Quali sono le conseguenze delle variazioni di Dk? La costante dielettrica influenza due parametri importanti: l'impedenza caratteristica e la velocità dell'onda. La velocità di propagazione di un segnale attraverso una linea di trasmissione è data da:

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

dove c è la velocità della luce nel vuoto.

A causa delle variazioni Dk, i diversi componenti di frequenza del segnale possono sperimentare velocità del segnale leggermente diverse, portando alla dispersione del segnale. Inoltre quando Dk diminuisce con la frequenza, l'impedenza caratteristica della linea aumenta (Equazione 2). Ciò di conseguenza degrada le riflessioni del segnale a frequenze più alte. Pertanto, è desiderabile utilizzare materiali che abbiano un Dk più piatto rispetto alla risposta in frequenza nell'intervallo di frequenze di interesse.

La Figura 4 mostra che la risposta Dk rispetto alla frequenza della famiglia di materiali FR4 presenta una variazione relativamente maggiore. Ecco perché si consiglia di evitare questo tipo di materiale nelle applicazioni ad alta velocità/alta frequenza (un altro motivo è l'elevata perdita dielettrica della famiglia FR4 di laminati PCB). Si noti che, sfortunatamente, la maggior parte dei produttori specifica i valori Dk solo per poche frequenze specifiche.