Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью для электронных устройств

Применение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью в печатных платах позволяет уменьшить размеры электронных схем и повысить качество соединений ценой некоторых компромиссов при проектировании СВЧ-устройств. Статья является переводом.

Материалы для изготовления плат, используемых в СВЧ-системах, стали заметно лучше за несколько последних десятилетий. В результате этой эволюции разработчики получили возможность выбирать материалы для СВЧ-плат с очень разными диэлектрическими проницаемостями (Dk). До некоторого времени материалы с высокой диэлектрической проницаемостью использовались только в нишевых приложениях. В настоящее время эти материалы применяются не только в крупносерийных приложениях с усилителями мощности, но и привлекают внимание разработчиков антенных систем. Следует заметить, что у этих материалов имеется много преимуществ, которые часто недооцениваются.

Какое значение диэлектрической проницаемости считается высоким? Для электронных устройств, работающих в СВЧ-диапазоне, значение Dk материалов вдоль оси z (вдоль толщины) при 10 ГГц находится в диапазоне 2-10. Как правило, к материалам с высоким значением Dk относятся те, у которых этот показатель превышает 6.

Большинство разработчиков понимает, что переход на платы из материалов с большими значениями диэлектрической проницаемости позволяет уменьшить размеры электронного устройства при заданной частоте. Эти размеры уменьшаются с ростом Dk материалов, благодаря которым устройства работают на меньших длинах волн с меньшими фазовыми скоростями. При этом плотность энергии электрического поля увеличивается.

Материалы с большими значениями Dk обеспечивают такие преимущества СВЧ-устройств как сравнительно малые размеры, лучшее качество соединений, ослабление гармоник высокого порядка, меньшие потери на излучение, малый импеданс достаточно больших схем и использование замедляющих структур. Разумеется, у этих материалов имеются и недостатки, к которым относятся дисперсия и ограниченные значения высокого импеданса.

Возможность уменьшить размеры электронных устройств, работающих на определенной частоте, с помощью материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, привлекает разработчиков широкого ряда приложений. Размеры многих пассивных СВЧ-компонентов и конструкций проектируются с учетом длины рабочей частоты и выбираются равными четверти или половине длины волны. Например, в антенных системах используются СВЧ-платы или массивы прямоугольных микрополосковых антенн (ПМА). Длина излучающих элементов ПМА составляет половину длины волны, соответствующей рабочей частоте. Для изучения того, как выбор материала с разной диэлектрической проницаемостью влияет на характеристики системы, были созданы компьютерные модели для излучающих элементов ПМА, работающих на центральной частоте 2,5 ГГц. В моделировании электромагнитной обстановки с помощью программного обеспечения Sonnet Professional версии 13.54 от компании Sonnet Software использовались материалы толщиной 0,762 мм с Dk = 3,0; 6,5 и 10,8.

Моделирование показало, что размеры элементов прямоугольных микрополосковых антенн уменьшают- ся с ростом диэлектрической проницаемости. Кроме того, при этом сужается 50-Ом питающая линия. В таблице представлены данные по размерам устройств, работающих на определенной частоте и имеющих заданное волновое сопротивление. Например, видно, что размеры печатной платы, изготовленной с использованием материала с высоким значением Dk (10,8), стали меньше.Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью для электронных устройств

В некоторых случаях снижению издержек способствует применение гибридных многослойных плат. В тех случаях, когда лишь несколько слоев многослойной структуры обеспечивает высокое качество СВЧ-устройства, для формирования остальных слоев используются недорогие материалы, например FR-4. В состав гибридных многослойных конструкций также могут входить другие проводящие слои, позволяющие регулировать суммарный коэффициент температурного расширения (КТР) сборки, чтобы повысить надежность теплового режима.

Материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) обеспечивают прекрасные рабочие характеристики СВЧ-устройств, но обладают таким недостатком как высокий КТР. Применение этих материалов в комбинации с теми, у которых относительно небольшой КТР, улучшает совокупный коэффициент температурного расширения многослойной сборки, обеспечивая надежную эксплуатацию в заданном диапазоне температур.

Такое сочетание разных материалов в конструкции платы позволяет также уменьшить размеры прямоугольной микрополосковой антенны и сократить потери в питающих линиях. На рисунке 1 в схематическом виде представлено поперечное сечение гибридной многослойной печатной платы, используемой в излучающем элементе миниатюрной антенны с малыми вносимыми потерями в питающих линиях.

Этот пример демонстрирует использование стандартной микрополосковой линии из материала с малой диэлектрической проницаемостью в качестве линии передачи антенного элемента. Данный материал позволяет увеличить ширину линии питания при меньших вносимых потерях.

Разумеется, всегда приходится идти на некоторые компромиссы. Изготовление платы с гибридной структурой обходится в некоторых случаях дороже, чем однородной платы. Например, изготовление платы, где слой с высокой диэлектрической проницаемостью состоит из ПТФЭ с керамическим наполнителем, а остальную часть многослойной конструкции образуют углеводородные СВЧ-материалы с малыми Dk и небольшими вносимыми потерями, может увеличить производственные издержки. Эти материалы совместимы друг с другом, но чтобы обеспечить надежное функционирование сквозных металлизированных отверстий, они обрабатываются с учетом применения данной комбинации материалов. Расходы на эту обработку невелики, а необходимые характеристики достигаются за счет использования в этом случае материала с однородной структурой.

К материалам от компании Rogers Corp. для электронных устройств относятся, например, ламинат RO4350B и препреги RO4450F, которые предназначены для построения микрополо-сковых линий питания, тогда как ламинат RO4360G2 используется в качестве материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Поскольку у всех этих материалов одинаковый нижний слой, они хорошо совместимы и требуют одинаковых методов обработки, а их применение, как правило, не сопряжено с дополнительными производственными расходами. У RO4360G2 диэлектрическая проницаемость равна 6,4; у ламината RO4350B и препрега RO4450F значения Dk составляют 3,66 и 3,52, соответственно.

Для дальнейшего сокращения площади элементов антенны можно использовать материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью, например RO3210, у которого Dk = 10,8 или ПТФЭ с керамическим наполнителем. В отличие от материалов серии RO4ххх, применение ПТфЭ с керамическим наполнителем требует другого процесса обработки сквозных металлизированных отверстий.

Материалы с высокой Dk используются и в других приложениях. Например, в усилителях мощности традиционно применяются материалы с Dk = 3-4. Этому выбору в немалой степени способствует малый уровень вносимых потерь. Несколько лет назад СВЧ усилители мощности изготавливались с использованием ПТФЭ с керамическим наполнителем, у которого Dk = 6,5. Сокращение размеров усилителей мощности стало основной причиной использования этих материалов. В результате также были снижены вносимые потери.

Несмотря на то, что ширина проводников уменьшается при использовании материалов с Dk = 6,5, в некоторых случаях это способствует увеличению потерь. Для их снижения в качестве нижнего слоя применяется керамический наполнитель. Например, при толщине слоя подложки в 0,635 мм ширина проводников сигнала остается относительно большой даже при 50-Ом импедансе. Благодаря тому, что потери в таком толстом ламинате не превышают потерь на проводимость в более тонком проводнике, у этого усилителя достаточно хорошая характеристика вносимых потерь даже при меньших размерах элементов за счет использования материала с высокой диэлектрической проницаемостью.

Еще одним преимуществом использования ПТФЭ с керамическим наполнителем в усилителях мощности является высокая теплопроводность этого материала. Теплопроводность ламинатов печатных плат, как правило, находится в диапазоне 0,2-0,3 Вт/(м-К), хотя у некоторых материалов с высокой Dk теплопроводность превышает 0,5 Вт/(м-К) что считается хорошим показателем. У ПТФЭ с керамическим наполнителем и Dk = 6,5, которые применялись в усилителях мощности, теплопроводность составляла 0,72 Вт/(м-К), что в сочетании с правильно сконструированным радиатором позволяло ламинатам эффективно отводить тепло от активных устройств схемы.

Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью для электронных устройств

Чтобы лучше понять теплопроводящие свойства СВЧ-материалов, используемых в печатных платах, было проведено исследование нескольких ламинатов с резисторами на платах, установленными методом поверхностного монтажа. Распределение тепла при прохождении постоянного тока через резисторы наблюдалось с помощью ИК-изображений (см. рис. 2). Во всех случаях использовалась одинаковая структура с теплоотводом — микрополосковая линия толщиной 0,508 мм на медном покрытии толщиной 1 унция/кв. фут. Различие заключалось лишь в материалах подложек. У этих материалов были существенно разные теплопроводности, а потребляемая мощность устройств — одинаковой во всех трех случаях.

В трех рассматриваемых случаях температуры резисторов превышали температуру окружающего воздуха 24°С. У платы с подложкой из стекловолокна с покрытием из ПТФЭ (PTFE WG) (см. рис. 2 слева), теплопроводность которого составляет 0,30 Вт/(м-К), оказалась самая высокая температура по сравнению с подложками из ламината RO3006 (среднее изображение) с теплопроводностью 0,72 Вт/(м-К) и материала RO4360G2 (справа) с теплопроводностью 0,80 Вт/(м-К). В частности, в [1] рассматривается несколько ламинатов, применяемых для решения задачи по отводу тепла.

От применения материалов с высокой диэлектрической проницаемостью выигрывают и СВЧ-фильтры — их размеры уменьшаются, а рабочие характеристики становятся намного лучше. В частности, в [2] показано, как полосовые фильтры, изготовленные из материалов с высокой Dk, увеличивают качество соединений и обеспечивают лучшие рабочие характеристики.

В СВЧ-цепях часто используется ряд пассивных компонентов, к которым относятся фильтры, разъемы, схемы настройки импеданса и линии передачи для реализации разных схемных функций. В качестве примера использования одного из этих компонентов можно привести фильтры, составленные из полосковых линий, с полуволновыми резонаторами, которые часто применяются в микрополосковых цепях. Размеры этих фильтров уменьшаются при использовании материалов с высокой Dk, благодаря которой увеличивается плотность энергии электрического поля и улучшается связь между резонаторами.

Для количественной оценки того, как применение материалов с высокой диэлектрической проницаемостью сказывается на таких фильтрах, были созданы два полосовых фильтра из полосковых линий: у первого Dk = 3, у второго — 10,8. Толщина материалов этих фильтров составила 0,635 мм. фильтры были реализованы на медном покрытии с толщиной слоя 0,5 унций/кв. фут. Расчетная центральная частота: 2,5 ГГц; полоса пропускания: 150 МГц с использованием передаточной функции Чебышева; неравномерность затухания: 0,1 дБ. Для моделирования электромагнитной обстановки использовалось программное обеспечение Sonnet Software V13.54.

На рисунке 3 представлены топологии двух этих фильтров. Видно, что благодаря применению материала с более высокой диэлектрической проницаемостью площадь платы сократилась на 37% по сравнению с площадью того же устройства на основе материала с меньшей Dk. Эти неоптимизированные фильтры были слегка модифицированы, чтобы обеспечить примерно те же обратные потери (более 15 дБ) в диапазоне полосы пропускания. Центральные частоты и ширины полос пропускания двух фильтров отличались лишь на несколько процентов друг от друга, поэтому оптимизация данных параметров не потребовалась. На рисунке 4 представлены АЧХ двух полосовых фильтров, полученные с помощью ПО Sonet.

Главное различие между этими двумя фильтрами — лучшая характеристика полосы заграждения у фильтра с высокой диэлектрической проницаемостью по сравнению с фильтром с Dk = 3. У двух этих фильтров немного разнятся вносимые потери в полосе пропускания, хотя отчасти это обусловлено разными тангенсами угла потерь (dissipation factor, Df) двух материалов: у материала с Dk = 3 тангенс угла потерь составляет 0,0016, тогда как у материала с Dk = 10,8 Df превышает 0,0027. Вносимые потери были очень малыми (0,61 дБ) у фильтра с Dk = 3, тогда как у второго фильтра этот показатель составил 1,05 дБ. Характеристики обоих фильтров не моделировались с учетом реализуемых на практике конфигураций медных покрытий, поэтому в действительности вносимые потери могут оказаться выше.

Размеры СВЧ-цепей, параметры которых рассчитываются в соответствии с определенной длиной волны, можно уменьшить с помощью замедляющих линий, т.к. при замедлении длина волны уменьшается. Поскольку сокращение фазовой скорости напрямую связано с уменьшением длины волны, это обстоятельство используется для уменьшения размеров СВЧ-устройств, например фильтров.

Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью для электронных устройств

На рисунке 5 представлены две микрополосковые линии передачи сигналов на подложке толщиной 0,762 мм с Dk = 3. Одна из них представляет собой стандартную линию передачи, в другой применяется лестничная структура, которая замедляет фазовую скорость сигнала за счет раздельно локализованной электромагнитной энергии.

На рисунке 6 сравнивается групповое время задержки двух фильтров в диапазоне полосы пропускания (см. рис. 3-4). Видно, что задержка больше у микрополосковой линии с лестничной структурой по сравнению со стандартной линией. Моделирование показало, что время задержки остается практически постоянным при изменении частоты сигналов, распространяющихся по двум этим линиям. Таким образом, использование лестничной структуры позволяет уменьшить размер фильтра, если приемлемыми окажутся соответствующие компромиссы.

Если бы фильтры на рисунке 3 были изготовлены с использованием лестничной структуры, их размеры стали еще меньше. Поскольку моделирование электромагнитной обстановки таких проводников требует большого объема вычислительных ресурсов, выполняется общий расчет, позволяющий установить, как изменить фазовую скорость/длину волны, чтобы уменьшить размер фильтра.

Примеры симуляции, представленные в этой статье, демонстрируют лишь одну из многих возможностей применения материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, а именно, в СВЧ-приложениях. Благодаря этим материалам уменьшаются размеры компонентов. При этом всегда при выборе конкретного материала приходится идти на компромиссы, к числу которых, например, относится увеличение вносимых потерь или ослабление сигнала за счет большего числа цепей. Так или иначе, во всех случаях применения материалов с высокой Dk разработчику следует консультироваться с поставщиком этих материалов.

TRIAL NEWS