Нетипичное использование СВЧ-материалов

Isola-RF-Microwave

Материалы для СВЧ печатных плат весьма разнообразны, каждый обладает собственным набором характеристик, имеет свои преимущества и недостатки. Их поставляют многие известные производители, более других на нашем рынке представлены: Rogers, Taconic, Isola. Часто эти марки разрабатываются под специальные цели. Но иногда происходит все наоборот и случается так, что СВЧ-материалы используют в обычных, низкочастотных устройствах, где совсем не требуются их специальные свойства: минимальный тангенс угла потерь, термомеханическая стабильность, низкая диэлектрическая проницаемость и т.д.

Возьмем обычные платы для контроля и мониторинга температуры и влажности. Они работают, как правило, на низких частотах, около 300 МГц и требуют жёстко контролируемого импеданса. Конструкторы могут использовать для таких устройств материал FR-4 — очень привлекательный по причине низкой цены. Но получается так, что печатные платы, изготовленные с таким материалом, демонстрируют значительные колебания величины импеданса при работе устройства в условиях изменения температуры-влажности. Как было установлено, эти изменения в импедансе происходят из-за повышенного влагопоглощения FR-4. Когда FR-4 абсорбирует воду, диэлектрическая постоянная меняется, меняется вслед за ней и импеданс. В противоположность этому СВЧ-материалы изначально имеют низкий коэффициент влагопоглощения, независимо от того, где они используются — в высокочастотном коммуникационном оборудовании или в обычных схемах. В этом конкретном случае, использование СВЧ-материала может изначально быть более правильным решением.

В другом примере выбор материала был обусловлен конструкцией платы больше, чем областью ее будущего применения. Так произошло с многослойными печатными платами, при производстве и монтаже которых используются бессвинцовые технологии сборки, чтобы соответствовать экологическим требованиям RoHS. Казалось бы, выбор материала FR-4 выглядел предпочтительным, хотя бы из-за невысокой цены. Однако, производитель столкнулся со значительными проблемами на этапе ламинирования отдельных слоев платы. В итоге был сделан выбор в пользу более дорогого СВЧ-материала, который легко переносит бессвинцовую пайку, изначально характеризуется более высокой температурой стеклования (Tg), температурой разложения (Td) и низким коэффициентом теплового расширения (КТР).

Еще пример: как известно, при производстве спутникового оборудования широко используют СВЧ-материалы. Это обусловлено не только работой с высокочастотными сигналами, но и жесткими условиями эксплуатации такого оборудования. Хотя в то же время не вся спутниковая аппаратура работает в СВЧ диапазоне. Например, в состав оборудования может входить роботизированная рука-манипулятор, для управления которой используются модули, собранные на гибких или гибко-жестких печатных платах. Причем, эти платы должны иметь жёстко контролируемый импеданс при изменении температуры в широком диапазоне.

Как известно, обычные базовые материалы широкого применения со стандартными физическими свойствами имеют значительные сдвиги величины импеданса при колебании температуры. Это происходит из-за изменения относительной диэлектрической проницаемости материала при нагреве, так называемый температурный коэффициент диэлектрической постоянной (TcDk). Высокое значение этого параметра означает и существенные изменения диэлектрической постоянной (и импеданса) с температурой. Самые распространенные базовые материалы имеют величину TcDk в пределах от 300 до 400 ppm/C, и этого диапазона не достаточно, если требуется иметь контролируемую величину импеданса в условиях меняющейся температуры окружающей среды. В противоположность стандартным материалам, некоторые СВЧ-материалы демонстрируют значение TcDk в пределах от 30 ppm/C и ниже, что означает совсем небольшое температурное изменение Dk.

Получается, что несмотря на то, что рука-манипулятор не требует в своей конструкции использование специальных базовых материалов, разработчикам приходится применять как раз СВЧ-материалы, имеющие низкие значения TcDk. Для этого служат специальные ламинаты (PTFE), армированные нетканым стекловолокном, показывающие хорошую производительность и надёжность в конструкциях с гибкими и гибко-жесткими платами.

Другой пример использования высокочастотных материалов — мощные устройства, где требуется постоянный отвод тепла от элементов печатной платы. Тестирование показало, что обычные материалы, подобные FR-4, недостаточно хорошо отводят тепло, для этих целей используют специальные печатные платы на толстом металлическом основании. Ключевое свойство материала в этом случае — теплопроводность (Tc) . Базовый материал с более высокой теплопроводностью будет эффективнее переносить тепло в радиатор и, следовательно, более эффективно поддерживать температурный фон.
FR-4 имеет в среднем теплопроводность в пределах от 0.20 до 0.25 Вт/mK, а керамические высокочастотные ламинаты от 0.5 до 0.7 Вт/mK, то есть, в два раза выше, чем теплопроводность FR-4. Использование СВЧ-материала в этом случае гарантирует улучшение эффективности теплоотведения и, следовательно, надежности и производительности изделия.

Все эти примеры демонстрируют, что креативный выбор материала дает значительные преимущества даже в тех устройствах, где изначально использование подобных материалов не предусматривалось. То есть, СВЧ-материалы прекрасно работают во многих обычных низкочастотных приложениях.

Компания СЕПкоРус предлагает широкий выбор СВЧ материалов для печатных плат. Всегда в наличии:

Rogers: RO4003C и RO4350B
Taconic: TLX-9, RF-30A, RF-35, RF-60A
F4BMX (доступная замена Rogers и ФАФ-4Д)

Полезные статьи: