Перед введением
Этой статьёй я продолжаю цикл (надеюсь, что получится несколько) статей про особенности проектирования и изготовления СВЧ-плат. Эта статья очень простая, так что, скорее всего, большинство читателей-СВЧшников не найдёт в ней ничего нового. Однако, я надеюсь, что статья будет полезна начинающим разработчикам.
Введение
Не секрет, что почти вся электроника сейчас делается на печатных платах. Их можно разделить на две большие группы: платы, где диэлектрик выступает только в роли основы для рисунка (топологии) дорожек, и платы, для которых важна диэлектрическая проницаемость диэлектрика. СВЧ-платы относятся ко второму типу.
Самый известный тип подложки (диэлектрика) - стеклотекстолит FR4. Этот материал имеет множество достоинств - он дешёвый, доступный, имеет широкий ряд толщин и имеет среднюю диэл. проницаемость. Однако, эпсилон обычного стеклотекстолита "гуляет" в пределах 4-5 единиц. Вследствие этого он не подходит* для изготовления изделий на частотах выше 1 ГГц, где такое изменение диэл. проницаемости уже сильно повлияет на характеристики.
Как я уже писала в статье про опыт заказа СВЧ плат в России, существуют специальные СВЧовые подложки. Самый крупный и известный производитель - Rogers. На примере Роджерса и будет моя статья.Целью этой статьи не является реклама фирмы Rogers или её приложения. Уверяю, они не знают о моём существовании.
*
я являюсь разработчиком кастомных СВЧ устройств. Я знаю про коммерческие системы, работающие на более высоких частотах, сделанные на основе FR4. Прошу не углубляться в эти споры. Они бессмысленны. Это даже не вопрос мнения, это вопрос применения. Вы же не будете доказывать парикмахеру, что кухонные ножницы отлично стригут?
Шаг 1 Подбор по параметрам
Итак, если открыть сайт Роджерса, глаза могут разбежаться. На что же нужно смотреть при выборе материала?
Параметры СВЧ подложки:
-эпсилон
-тангенс угла диэлектрических потерь
-толщина
-коэф. теплопроводности
-коэф. теплового расширения
-шероховатость меди
-толщина меди
-размеры листа
Прежде всего материалы характеризуются диэлектрической постоянной и тангенсом угла диэлектрических потерь. Чем больше тангенс, тем больше потерь.Среди обилия материалов стоит выбрать с наименьшими потерями, ведь часто потери на всё устройство заданы в ТЗ. Следующим этапом отбора следует выбрать материал, исходя из эпсилон и толщины, подходящих к вашему дизайну и месту (площади), отведённому под вашу плату. Я пытаюсь сказать, что если у вас будут слишком широкие дорожки, может возникнуть проблема с их изгибом. А если длина волны в материале будет слишком большая, могут не поместиться все нужные четвертьволновые отрезки. Кроме того, следует помнить о потерях на излучение, при прочих равных с более широких полосков потерь будет больше.
(Чем больше эпсилон, тем короче будут четвертьволновые отрезки; чем тоньше материал, тем уже будет полосок)
Небольшая вставка для новичков: !при моделировании смотрите на design diel.constant!
Кроме того, может быть важен параметр теплопроводности, особенно при проектировании мощных устройств и невозможности их установки на металлическое основание (про расчёт отвода тепла от микросхем читайте в моей статье)
Также иногда следует обращать внимание на коэф. теплового расширения. Он важен, если вы хотите плату с СВЧ-топологией припрессовать к основанию из стеклотекстолита. Так делают, если все дорожки питания и управления не уместить на основной плате, либо если СВЧ-диэлектрик очень тонкий (менее 0,6мм он уже может сломаться), и необходимо усилить конструкцию. В таком случае коэф. теплового расширения должен быть таким же, как у стеклотекстолита, иначе плата выгнется.
Шероховатость меди обычно определяется методом нанесения фольги (катанная, электроосаждённая..). Стандартное значение толщины медной фольги - 18мкм, что соответствует 1/2oz (унции). Но есть также значения 9мкм (1/4oz), 35мкм (1oz), 70мкм (2oz), 105мкм (3oz). Для большинства применений подходит стандартная толщина фольги. Если необходимо разработать очень мощное устройство, понадобиться материал с более толстой фольгой. Однако не стоит использовать материал с толстой фольгой без надобности, ведь чем толще фольга, тем сильнее сказывается технологический подтрав при изготовлении. Кроме того, на более толстую фольгу распространяется другой класс точности (зазоры и минимальная ширина дорожки) при изготовлении.
Доступные размеры листа 12” X 18” (305 X 457mm) и 24” X 18” (610 X 457mm), редко ещё бывают 24” X 36” (610 X 915 mm) и 48” X 36” (1.224 m X 915 mm).
Для оценки параметров разных СВЧ подложек я обычно пользуюсь бесплатным приложением ROG mobile. В нём есть список материалов, оно посчитает за вас ширину 50-омного полоска, а ещё покажет погонные потери и даже нагрев, если задать частоту и мощность.
При запуске показывается главный экран. Нужно выбрать третью вкладку "MWI calculators". На скриншоте ниже я показала пример с расчётом для материала 3006. В списке материалов нужно выбрать материал (справа от него цифры - параметры: эпсилон, тангенс угла потерь, и тд). Снизу переключиться на метрическую систему. Synthesis тип расчёта рассчитает для вас ширину 50-омного полоска, Analytical - посчитает волновое сопротивление полоска заданной ширины (в поле Conductor width). Необходимо выбрать толщину материала в поле Thickness; удобно, что доступные толщины занесены в программу. Параметр шероховатости можно оценить в поле Copper Roughness (там не надо ничего писать, он сам меняется при изменении материала).
Шаг 2 Оценка доступности
Когда вы подобрали несколько подходящих материалов, нужно оценить есть ли возможность их купить. Если вы планируете сделать заказ на материале производителя, нужно просмотреть список доступных материалов. Обычно он недлинный. Если вы готовы потратить больше времени и купить материал отдельно, следует посмотреть список материалов в наличии у дистрибьюторов. Ведь доставка и растаможка может затянуться на месяцы. Ещё иногда немаловажным фактором является цена (так что оцените, правда ли вам настолько нужен минимальный тангенс, чтобы потратить около 100 тысяч рублей на лист диэлектрика?)
Тут обычно нужно вернуться на шаг №1.
Шаг 3 Итоговое сравнение и выбор
Я обычно составляю таблицу; в столбик подходящие материалы, а в качестве самых важных параметров выписываю:
цена
четверть волны в мм на рабочей частоте
ширина 50-омной микрополосковой линии
погонные потери
Спасибо за внимание! Приглашаю почитать мои прошлые статьи и подписаться на мой Инстаграм.
Комментарии (43)
chapt
28.09.2021 12:02+2Несколько вопросов по Rogers подложкам:
Если посмотреть Datasheet на 4003С, то увидим разное значение Er от частоты. При расчете фильтров, фазовращателей, делителей мощности учитываются ли дисперсионные свойства данного материала?
-
Rogers 3000 в старом Datasheet, был такой параметр water absorption и его значение было <0.1. Применял данный материал один раз, материал сильно набирал влагу, в зависимости от влажности воздуха сильно изменялись параметры. При большой влажности воздуха, на микрополосковом отрезке примерно в 30мм, вносились дополнительные потери порядка 0.5 дБ.
В новом описании данного параметра уже нет, но есть Moisture Absorption, причем его значение в 1.5 раза меньше, чем у RO4003C, материал действительно изменили или производитель стал лукавить?
third112
28.09.2021 21:29ИМХО 0.5 дБ это круто, не фатально м.б., но не приятно. Странный материал. Я химик, но не понимаю, как стеклотекстолит набирает влагу.
Leka_engineer Автор
28.09.2021 21:45+2строго говоря, обсуждать потери без указания частоты - неграмотно.
Вот пример графика потерь для платы 30мм с 2 разъёмами (они тоже вносят потери, в том числе потери на рассогласование).
Как видно, на границе диапазона рабочих частот (я оценивала по приемлемому для моих задач уровню КСВ) в 15 ГГц потери составляют 0,65 дБ, так что ещё 0,5дБ потерь - это прям существенно.
third112
28.09.2021 22:01Возможно я не знаю новейших технологий, но привык думать, что плату травят в водном растворе: долгий вариант — раствор хлорного железа, быстрый — соляная кислота и перекись водорода. Если стеклотекстолит столь гидрофильный, то после травления он наберет много воды, и нет особого смысла хранить его в сухом помещении.
Leka_engineer Автор
28.09.2021 22:24+1там был разговор про роджерс 3000 серии, не стеклотекстолит.
а совет насчет хранения - это про то, как хранить листы до изготовления из них плат.
third112
28.09.2021 22:38-2Простите, не понял: платы травят в водных растворах?
Роджерс 3000 серии не стеклотекстолит, а что? Не вата, надеюсь ;) Почему выбран столь гидрофильный пластик? Большинство пластиков воду не набирают, от слова "совсем".
soceng
28.09.2021 23:49+1Травят в водных растворах, насколько мне известно.
Существуют сушильные машины для печатных плат. А так же спец. склады для хранения с соблюдением требованием по влажности.
По поводу тех. процесса производства самой платы — точно не скажу — как что и когда там просушивают. Но вот для уже изготовленных плат перед автоматическим монтажом компонентов в печи — платы предварительно сушат, пренебрежение этим процессом (как и процессом хранения) может грозить большим процентом брака в итоге. Если платы, набравшие влагу, — пихают в горячую печку — они могут расслоиться, вспучиться и т.п. Поэтому правильное хранение плат и соблюдение тех процессов важно. Для ламинатов, вероятно, аналогичная ситуация — при собирании полного стека платы, его нагревании, прессовании — тоже, скорее всего, возможны «неприятные моменты» при наличии излишней влаги в материале.
Rogers 3000 — линейка из разных ламитатов. Используется PTFE и/или стекловолокно (возможно, что-то ещё).Почему выбран столь гидрофильный пластик?
Простите, но сколь «столь»? Как можно видеть из мировой производственной практики, каждый материал (FR4, Rogersы и пр.) прекрасно подходит для множества применений, для которых он и используется инженерами. Т.е. «такая» его гидрофильность допустима в массе случаев. Там, где она не допустима, его не применяют.Большинство пластиков воду не набирают, от слова «совсем».
Не уверен, что из большинства этих пластиков можно сделать печатную плату (в т.ч. многослойную) по стандартным тех. процессам изготовления плат. А если и можно, то не факт, что такие платы подойдут для тех процесса пайки компонентов на них.third112
29.09.2021 11:03Спасибо за подробный ответ. По Вашим словам получается, что во многих устройствах приходится мириться с возможной потерей в 0,5дБ. Для меня это неожиданно. Тефлон (PTFE) серьезный материал, но он деформируется, "течет" — не представляю, как на его основе делать многослойные печатные платы. Но возможно здесь есть свои технологические хитрости.
soceng
29.09.2021 13:07+4Насчёт 0.5 дБ не берусь судить — сам не проводил подобных испытаний, и не знаю условий проведения эксперимента, о котором шла речь выше — не знаю аппаратной погрешности измерительного оборудования и т.д., т.е. не могу быть уверенным, что изменение влажности в окружающем воздухе было единственным изменяемым параметром в системе. Если интересуют точности ~ десятых долей дБ — могут быть нюансы. Если же такое изменение имеет место быть — то да, значит с ним придется мириться и учитывать при необходимости. Тут вроде ничего особенного нет. Более того, в СВЧ, в радио системах практически всегда характеристики зависят от внешних факторов — например коэффициент усиления в тракте может варьироваться не только на единицы, но даже десятки дБ во всём раб. диапазоне температур. От погодных условий сильно меняются условия распространения радиоволн в пространстве и т.п. Всё это учитывается, калибруется и работает в итоге в соответствии с расчётом, моделированием системы. Если ещё и влияние влажности на плату — ну ок, нужно учесть, если это влияет на производительность. Однако, если предполагается эксплуатация устройств в агрессивных средах или просто на улице — обычно их всё же защищают, изолируют от внешней среды, «голые» платы под дождь никто обычно не выставляет, по крайней мере, я с таким не сталкивался.
С тефлоном — там да, есть сложности (относительно материалов вроде FR4). Например, на PTFE хуже держится медная фольга. При том, что для СВЧ важна низкая шероховатость фольги именно на стороне прилегания к диэлектрику — ситуация усложняется ещё больше. В случае многослойных плат тоже есть ограничения — не все СВЧ материалы для них применимы, есть особенности с применением лазерных переходных отверстий и пр. Тем не менее производители как-то умудряются решать и такие задачи, ищутся разные компромиссы, индустрия не дремлет, как говорится). Деталей и тонкостей, к сожалению не знаю, не силен в материаловедении и технологиях производства таких ламинатов.third112
29.09.2021 14:27Спасибо. Столько неожиданных деталей кроется за вроде простой задачей выбора подложки. Интересно.
Leka_engineer Автор
29.09.2021 16:45+2Коллега правильно пишет-если предполагаются жёсткие условия эксплуатации часто корпуса с платами внутри делают герметичными.
cismoll
30.09.2021 10:34Лак спасает, но надо учитывать (и чем выше частота, тем более детально), что лаки обладают своими эпсиолнами (не встречал пока ни разу лак с эпсилон, равным единице или хотя бы около того) и тангенсами угла потерь.
third112
30.09.2021 17:33Я думал, что раствор полистирола имеет хорошие характеристики, но, видимо, я ошибался.
Leka_engineer Автор
28.09.2021 12:08+3ответ для @chapt
Вы про график ? насколько я вижу там изменения в пределах 0,05 ед. В паспорте материала тоже пишут +-0,05. При расчёте высокодобротных структур иногда следует оценить изменения характеристик в зависимости от разброса параметров (материалов или компонентов). Однако, стоит заметить, что погрешность расчёта обычно сильно выше.
-
насколько я знаю, Роджерс совершенствует свои материалы, я думаю, можно им верить. Думаю, moisture и water это одно и то же. Я как-то использовала 3000 серию, но с такими проблемами не сталкивалась.
В любом случае, почти все материалы "боятся" влаги, если вы покупаете несколько листов, стоит хранить их в сухом помещении.
cismoll
28.09.2021 12:09+1Пожалуй, самый проблемный момент при выборе подложки состоит в том, что тангенс угла потерь, диэлектрическая проницаемость и механические свойства материала часто (если не всегда) являются компромиссными параметрами: с ростом диэлектрической проницаемости и возможности миниатюризировать узел растёт и тангенс потерь; с другой стороны сравнительно оптимальное соотношение между этими двумя параметрами есть лишь у неармированных материалов на основе керамики и фторопласта-4, которые из-за их гибкости не удобно использовать в узлах, чувствительных к механическим деформациям и для изготовления больших печатных плат.
Leka_engineer Автор
28.09.2021 12:13+2в моей практике обычно это решается способом монтажа. У меня не было изделий, чтобы плата висела в воздухе, они всегда либо припаяны либо прикручены винтами к металлическому основанию. Если же изделие не имеет корпуса можно припрессовать стеклотекстолит (если тепловое расширение позволит) или припаять на металлическую пластину - я часто так делаю тестовые платы.
а так вы правы, не всегда получается выбрать что-то идеальное, именно поэтому я выписываю ширину полоска и прикидываю, а получиться ли мне его изогнуть на доступной мне площади. ( и для четвертьволновых отрезков то же самое)
cismoll
28.09.2021 14:14На заре своей практики я хотел сделать ФНЧ на тему одного из типов, описанных в этой статье: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S143484111100046X для 1200 МГц. Конструкция показалась привлекательной с т.з. электропрочности.
И вот я заложил какой-то из роджерсов 3000 серии, пришли платы, их закрепили винтами к основанию корпуса, но из-за того, что материал очень мягкий, всё пошло волнами, контакт с землёй, очень важный для таких резонаторов, был далёк от идеального, и характеристики скакали от любого нажатия, от любого механического воздействия на корпус.
Leka_engineer Автор
28.09.2021 14:34Подождите, земля у плат - нижняя металлизация самой платы. СВЧ плата выглядит так, что с одной стороны полоски, а сдругой сплошной экран.
cismoll
28.09.2021 14:37+1Ну вы статью посмотрели? Это т.н. defected ground structures (перевожу как структуры с нарушенной землёй).
У меня выглядело иначе, но суть та же.
Насколько я понял, зазоры между корпусом и нижней стороной платы (землёй) структурой воспринимался как ещё один "дефект", сиречь резонатор, так что поэтому ничего и не работало.
(к слову, авторы скромно умолчали, насколько расстояние от корпуса до дефектов влияет на характеристики)
Leka_engineer Автор
28.09.2021 15:39+1Поняла теперь. У меня возникло сомнение, что вы про такие структуры. Слышала про них. Я так поняла, что они не нашли реального применения.
Конечно хорошо бы в таком случае чтобы модель не зависла от расстояния до корпуса, вся логика предложенной структуры теряется. Иначе это что-то типа топологий с лицевой связью в симметричной воздушной линии..
Понимаю, а какой толщины взяли материал? От 0.5-0.7 уже нужно основание конечно. По крайней мере я короткие платы на материале 0.5 которые сама буду тестировать аккуратно оставляю без основания, а вот если отдать кому-то, всегда делаю пластинки
cismoll
28.09.2021 15:55+1Думаю, где-то на очень высоких частотах и в приложениях с суровой экономией пространства они ещё могут найти применение, а так... слишком много с ними сложностей: и корпус специальный, с полостью для резонаторов со стороны земли, и чувствительность к механическим воздействиям у них высокая.
Может быть выигрыш еще в электропрочности, но это требует отдельного исследования.
Толщина подложки была 1,27 мм, размеры платы 100х50 мм.
Leka_engineer Автор
28.09.2021 17:04+1в моих представлениях об экономии пространства, это как раз хуже подходит. да и для электропрочности сомнительно, ведь концентрация токов у границ вырезов на земле довольно высокая. я не ругаю вашу работу, просто мне кажется, эта идея с defected ground structure не очень жизнеспособна.
cismoll
28.09.2021 17:06эта идея с defected ground structure не очень жизнеспособна.
Ну в моём случае так и оказалось :)
nickolas059
28.09.2021 19:44+1Один я прочитал статью, комменты и не понял ничего??? :) Но в любом случае познавательно, спасибо!
Leka_engineer Автор
28.09.2021 19:57возможно вы просто не сталкивались с такими задачами (?)
спрашивайте
alinkagalichina
29.09.2021 10:27Полезная статья
Скажите, есть ли у вас опыт работы с другими брендами СВЧ текстолита, таких как Isola, Taconic, Arlon? Можете как-то прокомментировать на какую фирму ориентироваться в первую очердь (качественнее материалы и т.п.) Или всё же лучше отталкиваться от задачи и шерстить все каталоги.
Leka_engineer Автор
29.09.2021 10:34+1спасибо за поддержку!
да, конечно. Я упоминала другие бренды в моей прошлой статье про заказ плат. Из перечисленных только на Арлоне (кстати тоже куплен Роджерсом) ни разу не было проекта. По поводу качества - это топовые производители, они примерно на одном уровне. Выбор обычно делается по характеристикам и доступности.
Советую отталкиваться от наличия материала на складе.
alinkagalichina
29.09.2021 19:04+1Недавно наткнулась на существование отечественных подложек для СВЧ. http://weforpcb.ru/svch-materialy-rossiya.html
Не приходилось с такими сталкиваться?
sim2q
08.10.2021 06:37
Добрый день!
Немного запоздало после поста, но вспомнил об этом фото - не даёт покоя вопрос. Что же это в середине за волшебный артефакт?:)cismoll
09.10.2021 10:41Очень похоже на диэлектрический резонатор, скорее всего ферритовый. А сам по себе узел с большой долей вероятности направленный ответвитель, в котором связь между линиями осуществляется за счёт резонатора.
sim2q
09.10.2021 11:42+1Спасибо!
Когда видел вч феррит последний раз (smd дроссели не в счёт), это было очень давно и он был чем ниже проницаемости, тем более сизо-пепельного цвета. Но это всё равно были первые сотни мегагерц. А на фото - какой то реголит прям:)
third112
Не слабая цена. Я правильно понимаю, что мне продадут стандартный лист, когда хочу всего 2 кусочка 170 х 100 мм? А травить плату в другом месте? Т.е. получаю лист и отсылаю лист. А где гарантия, что мне вернут плату на том материале? Что не потеряют, не спутают?
Leka_engineer Автор
Это цена за лист А3.
Травить плату нужно у производителей плат - об этом моя статья . Если вам интересно про изготовление плат - у Резонита есть видео на ютубе. короткие и понятные видео, мне понравились.
Ну, гарантии нет. Я обычно отдаю кусок материала, на упаковке подписываю свой номер телефона и номер счёта. Актов приёма-передачи никто не даёт. Материал ни разу не теряли (тьфу тьфу тьфу). А если вдруг материал подменили - я увижу по характеристикам. Если есть сомнения можно провести анализ эпсилон.
third112
Спасибо. Еще интересный вопрос: для материнок CPU (десктоп) и GPU минимальный тангенс очень важен? или там очень маленькие дистанции?
Leka_engineer Автор
извините, не эксперт в этом.
third112
У меня подозреие, что нынешние производители сильно экономят. — Оказалось, что на тангенсе можно экономить. А в эпоху ЕС ЭВМ громадные разъемы позолотой сверкали при жалких мегагерцах. А сейчас видим уныло черную медь при гигагерцах. Скин-эффект еще не отменили? ;)
smoluks4096
Сигналы стали дифференциальными, lvds например. Для них сопротивление не так критично, больше согласование линии
third112
Спасибо, что есть такие технологии. Но вспоминаю Pentium-4 — там "ноги" были позолочены. Не применяли технологии типа lvds?
smoluks4096
Не помню насчёт шины процессора, но оперативка и pcie тогда заходили на северный мост, а не проц
KstnRF
Не все производители (фабрики, оказывающие услуги) так делают. Это дикость какая-то.
С Вас возьмут и с меня возьмут за целый лист, а наши девайсы сделают на одном листе - профит!