Как выбрать подложку для СВЧ плат?

Олеся (@leka_engineer), инженер-разработчик СВЧ устройств, в своей статье раскрывает все тонкости, которые необходимо учитывать при выборе диэлектрика для СВЧ плат.

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.

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;

• коэффициент теплопроводности;

• коэффициент 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!

Рис.1 Скриншот даташита на 3000 серию Роджерс

Кроме того, может быть важен параметр теплопроводности, особенно при проектировании мощных устройств и невозможности их установки на металлическое основание.

Также иногда следует обращать внимание на коэффициент 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 коэффициент 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 т.д.). 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).

Рис.2 Окно приложения ROG mobile

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.

Оригинал статьи читайте на Хабре.

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru