Płytki drukowane do układów w.cz.

Jakim ograniczeniom podlega FR-4?

Rys. 1. Prosta i tania 2-calowa płytka prototypowa dla układów w.cz. Doskonale służy do konstruowania filtrów, wzmacniaczy i innych układów w.cz.

To przede wszystkim stratność oraz zależność przenikalności elektrycznej ε, znanej też pod nazwą stałej dielektrycznej, od częstotliwości, a często i od partii materiału. Istotna jest też wytrzymałość termiczna na temperaturę lutowania, zwłaszcza w przypadku lutowania bezołowiowego, a także przewodność termiczna, gdyż nawet aktywne układy w.cz. małej mocy mogą wydzielać sporą moc, gdy są silnie polaryzowane dla osiągnięcia wysokiej liniowości.

Często właściwości materiałów FR-4 nie są specyfikowane z punktu widzenia zastosowań w.cz., a ich stała dielektryczna nie jest znana. Czy oznacza to, że FR-4 i podobne materiały szklanoepoksydowe do tych zastosowań się nie nadają? Jakie więc wybierać?

Podstawowe kryteria wyboru to:

• koszty produkcji,
• powtarzalność impedancji w projektowanych układach,
• tolerancja strat sygnału,
• temperatura pracy (odporność i stabilność temperaturowa),
• zdolność odprowadzania ciepła,
• odporność na lutowanie (zwłaszcza bezołowiowe).

Duży wpływ na impedancję falową linii paskowych, zwykle 50 Ω lub 75 Ω, mają grubość dielektryka i jego przenikalność elektryczna. W przypadku FR-4 trzeba się też liczyć ze zwiększoną stratnością i nieznajomością wartości ε. Zestawienie parametrów różnych wyrobów bardzo ułatwia wybór optymalnego materiału dla danego zakresu częstotliwości i dla danej aplikacji.

Pozwala to uniknąć niepotrzebnego podnoszenia kosztów "na wszelki wypadek". Wśród produkowanych urządzeń można wyróżnić dwie grupy: wielkoseryjne, o dużej wrażliwości na koszty: telefony komórkowe, odbiorniki GPS, układy zdalnego sterowania w.cz., transceivery WLAN, Bluetooth, ZigBee i inne niskoseryjne, wysokiej klasy jak na przykład urządzenia pomiarowe.

W grupie urządzeń wysokoseryjnych nietypowe materiały spotyka się rzadko, dla częstotliwości nieprzekraczających 6 GHz przeważa zwykły FR-4. Dla wyższych częstotliwości jakość płytek drukowanych musi być już wyższa. W grupie urządzeń wysokiej klasy jakość i parametry stają się decydujące, a układy bardziej złożone. Tu można się spotkać z nazwą "epoksydowo-szklane", są też jeszcze bardziej egzotyczne materiały dla w.cz. Stosowane są głównie ze względu na powtarzalność parametrów i małą stratność.

Jakość FR-4 w praktyce

Rys. 2. Zależność strat materiałowych od częstotliwości w zwykłych laminatach FR-4 i w wysokiej jakości RO4350B firmy Rogers

Rysunek 1 przedstawia małą płytkę prototypową do układów w.cz., wykonaną z FR-4. Ten sam obwód wykonano też na innych laminatach, w tym RO4350B, co pozwala na porównywanie wpływu parametrów laminatu na działanie prototypowych obwodów. Porównanie tłumienności wtrąceniowej w dB/cal, wprowadzonej przez 2 cale współpłaszczyznowego falowodu na płytkach z tych dwóch materiałów, w zakresie od 130 MHz do 7000 MHz, jest pokazane na rysunku 2.

Straty w złączach nie zostały odjęte, ponieważ ich udział był bardzo mały, a tłumienność odbicia była mniejsza od 25 dB, więc ich wpływ na porównanie nie był znaczący. Przy konstruowaniu modułu 2,5 GHz Bluetooth na FR-4 ze ścieżkami w.cz. o około calowej długości sumarycznej straty sygnału rzędu 0,3 dB nie są istotne, gdy straty w układzie dopasowującym antenę są większe. Zastosowanie w tym układzie RO4350B pozwoliłoby zaoszczędzić jedynie 0,17 dB.

Wpływ parametrów fizycznych

Rys. 3. Zależność parametrów mikrolinii paskowej na płytce drukowanej od przenikalności elektrycznej i od grubości płytki. Długość linii jest podana dla 45° przesunięcia fazowego przy 6 GHz. Według Steve Hageman - AnalogHome.com

Wiadomo, że wartość ε w RF-4 różni się w zależności nie tylko od producenta, ale również od częstotliwości. A jak zależy ona od grubości płytki? Zależności te zestawiono w tabelach na rysunku 3, przedstawiających wpływ przenikalności elektrycznej ε i grubości płytki drukowanej na parametry wykonanej na niej mikrolinii paskowej.

Z przedstawionych danych doświadczalnych wynika, że ε rzeczywiście wpływa na impedancję linii, a zależność ta jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z ε. Spora różnica w ε wywołuje zmianę impedancji tylko o 2,7 Ω. Ale w praktyce tak duże różnice zdarzają się tylko sporadycznie. Zwraca jednak uwagę spory wpływ grubości płytki, większy niż wpływ przenikalności elektrycznej.

Jej 5-procentowe różnice wywołują zmiany impedancji o 3,5 Ω. Warto odnotować interesujący fakt, że o ile ε wpływa na przesunięcie fazowe w linii, to grubość takiego wpływu nie wykazuje. Znajomość tego faktu ma znaczenie przy projektowaniu filtrów lub układów dopasowujących z elementów o stałych rozłożonych na płytce. Przenikalność elektryczna ε płytek FR-4 zależy również od częstotliwości, spada z jej wzrostem. Pokazuje to rysunek 4.

Stopniowa poprawa jakości FR-4

Rys. 4. Zależność przenikalności elektrycznej ε zwykłego FR-4 od częstotliwości (średnia dla różnych produktów)

Do wytwarzania obwodów drukowanych oferowane są również płytki o wyższej jakości niż FR-4, chociaż wykonywane na podstawie podobnej technologii, z włókien szklanych w żywicy epoksydowej. Są one niewiele tylko droższe. Znoszą dobrze podwyższoną temperaturę lutowania bezołowiowego.

Ich przenikalność elektryczna jest bardziej powtarzalna, w granicach od 4,4 do 3,9, a zależność od częstotliwości nieduża. Przewodność cieplna tych materiałów jest podobna do FR-4. Na tę przewodność w płytkach wielowarstwowych wpływ ma oczywiście używanie warstw z obszernymi płaszczyznami uziemień.

Wysokiej jakości materiały na obwody drukowane

Laminaty RO4350B firmy Rogers, jak już pokazano na rysunku 2, wykazują mniejsze straty, co jest ważne zwłaszcza przy wyższych częstotliwościach, powyżej 6 GHz. Pracują one dobrze aż do 20 GHz i charakteryzują się stabilną, powtarzalną i mało zależną od częstotliwości przenikalnością elektryczną ε, o niższej wartości, około 3,6.

Materiały te zwykle nie zawierają włókien szklanych, tylko wypełniacz ceramiczny, który poprawia ich przewodność cieplną. Nadają się też do lutowania bezołowiowego. Jednak za te zalety trzeba zapłacić wyższą cenę.

Dla rozwiązań wielowarstwowych istnieją rozwiązania hybrydowe, z wysokiej jakości materiałem w warstwach zewnętrznych, które służą obwodom w.cz. i mikroliniom i tańszym materiałem epoksydowo- szklanym w warstwach wewnętrznych, przeznaczonych do obwodów zasilania i sterowania. Rozwiązania takie działają doskonale i są tańsze.

KKP