วัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบ PCB ความเร็วสูง: การปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณและประสิทธิภาพ

การออกแบบ PCB ความเร็วสูงที่นิยามโดยความถี่สัญญาณที่เกิน 1GHz หรืออัตราการส่งข้อมูลที่เกิน 10Gbps ต้องการวัสดุพิเศษเพื่อรักษาความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ ลดการสูญเสียให้น้อยที่สุดและรับประกันการทํางานที่น่าเชื่อถือไม่เหมือนกับ PCB แบบปกติ, ซึ่งให้ความสําคัญกับค่าใช้จ่ายและฟังก์ชันพื้นฐาน, การออกแบบความเร็วสูง (ใช้ในเครือข่าย 5G, เครื่องเร่ง AI และระบบสื่อสารอากาศ)ลดความอ่อนแอการเลือกสับสราท, ทองแดง และวัสดุแบบดิจิตรที่เหมาะสมจะส่งผลกระทบตรงต่อความสามารถของ PCB ในการจัดการสัญญาณความถี่สูงโดยไม่ต้องทําลายคู่มือนี้สํารวจวัสดุที่ดีที่สุดสําหรับการออกแบบ PCB ความเร็วสูง, คุณสมบัติหลักของพวกเขา, และวิธีการที่จะสอดคล้องกับความต้องการการใช้งานเฉพาะเจาะจงสําหรับผลงานที่ดีที่สุด

คุณสมบัติของวัสดุที่สําคัญสําหรับ PCB ความเร็วสูง
สัญญาณความเร็วสูงมีพฤติกรรมที่แตกต่างจากสัญญาณความถี่ต่ํา: มันออกรังสีพลังงาน, มีผลต่อผิวหนัง,วัสดุ PCB ต้องโดดเด่นใน 4 ด้านสําคัญ:

1คอนสแตนตรอัดไฟฟ้า (Dk)
คันดันไฟฟ้า (Dk) วัดความสามารถของวัสดุในการเก็บพลังงานไฟฟ้า สําหรับการออกแบบความเร็วสูง
a.ความมั่นคง: Dk ต้องคงที่ตลอดความถี่ (1GHz ถึง 100GHz) และอุณหภูมิ (-40°C ถึง 125°C) เพื่อรักษาการควบคุมอุปสรรค ความแตกต่าง > ± 0.2 อาจทําให้สัญญาณสะท้อน
ค่าที่ต่ํา: Dk (3.0?? 4.5) ที่ต่ํากว่าจะลดความช้าของสัญญาณ เนื่องจากความเร็วของการกระจายตัวมีสัดส่วนกลับกับสแควร์รูทของ Dk
ตัวอย่าง: วัสดุที่มี Dk = 3.0 ทําให้สัญญาณเดินทางเร็ว 1.2 เท่าของวัสดุที่มี Dk = 45.

2ค่า dissipation (Df)
ค่า dissipation (Df) จํานวนการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนในวัสดุ dielectric สําหรับสัญญาณความเร็วสูง:
a.Df ต่ํา: สําคัญในการลดความอ่อนแอ (การสูญเสียสัญญาณ) เป็นอย่างน้อย ณ 28GHz, Df ของ 0.002 ส่งผลให้มีการสูญเสียน้อยกว่า 50% กว่า Df ของ 0.004 มากกว่า 10 นิ้วของรอย.
b. ความมั่นคงของความถี่: Df ไม่ควรเพิ่มขึ้นอย่างสําคัญกับความถี่ (เช่น จาก 1GHz เป็น 60GHz)

3. การนําไฟร้อน
PCB ความเร็วสูงผลิตความร้อนมากขึ้นเนื่องจากองค์ประกอบที่ทํางาน (เช่น เครื่องรับสัญญาณ 5G, FPGA) และความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าสูง วัสดุที่มีความสามารถในการนําไฟฟ้าสูงกว่า (≥0.3 W/m·K) ขจัดความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นป้องกันจุดร้อนที่ทําให้การทํางานของสัญญาณเสื่อมลง

4อุณหภูมิการเปลี่ยนกระจก (Tg)
อุณหภูมิการเปลี่ยนกระจก (Tg) คืออุณหภูมิที่วัสดุเปลี่ยนจากแข็งเป็นอ่อน สําหรับการออกแบบความเร็วสูง:
a.Tg สูง: สําคัญในการรักษาความมั่นคงของมิติระหว่างการผสมผสาน (260 °C +) และการทํางานในสภาพภูมิอากาศสูง (เช่น ระบบภายใต้หมวกรถยนต์) Tg ≥170 °C แนะนํา

วัสดุพื้นฐานที่ดีที่สุดสําหรับ PCB ความเร็วสูง
วัสดุพื้นฐานเป็นแกนของ PCB โดยรวมฐานแบบดิจิเล็คตริกกับเส้นใยเสริมแรง วัสดุต่อไปนี้เป็นมาตรฐานของอุตสาหกรรมสําหรับการใช้งานความเร็วสูง:

1. ไฮโดรคาร์บอนเซรามิค (HCC) แลมไนท์
Laminates HCC (เช่น Rogers RO4000 ซีรีส์) ผสมผสานธาตุไฮโดรคาร์บอนกับสารเติมเซรามิค, ให้ความสมดุลที่ดีของ Dk ต่ํา, Df ต่ํา, และประสิทธิภาพในเรื่องค่าใช้จ่าย.
a. คุณสมบัติสําคัญ:
Dk: 3.38?? 3.8 (10GHz)
Df: 0.0027?? 0.0037 (10GHz)
Tg: 280 °C
ความสามารถในการนําความร้อน: 0.6 W/m·K

b.ข้อดี:
Dk ที่มั่นคงตลอดความถี่และอุณหภูมิ (±0.05)
สอดคล้องกับกระบวนการผลิต PCB แบบมาตรฐาน (การกัด, การเจาะ)
c. การประยุกต์ใช้: สถานีฐาน 5G (ใต้ 6GHz) ทางเข้า IoT และราดาร์รถยนต์ (24GHz)

2. พีทีเอฟี (เทฟลอน) แลมเนต
PTFE (polytetrafluoroethylene) laminates (ตัวอย่างเช่น Rogers RT/duroid 5880) เป็น fluoropolymer-based, ส่ง Dk และ Df ที่ต่ําที่สุดสําหรับการใช้งานความถี่สูงสุด
a. คุณสมบัติสําคัญ:
Dk: 2.2~2.35 (10GHz)
Df: 0.0009?? 0.0012 (10GHz)
Tg: ไม่มี (อัมฟอร์ฟ์ ทนทาน > 260 °C)
ความสามารถในการนําความร้อน: 0.25·0.4 W/m·K
b.ข้อดี:
เกือบเป็นสิ่งที่เหมาะสมสําหรับสัญญาณ mmWave (28100GHz) ด้วยการสูญเสียอย่างน้อย
ทนต่อสารเคมีได้ดีมาก
c.ขีดจํากัด
ค่าใช้จ่ายสูงกว่า (มากกว่า HCC 35 เท่า)
จําเป็นต้องมีการผลิตเฉพาะ (เพราะความติดแน่นต่ํา)
d. การประยุกต์ใช้: การสื่อสารผ่านดาวเทียม, แบบต้นแบบ 6G, และราดาร์ทหาร (77~100GHz)

3. FR-4 Laminates Tg สูง
แลมเนต FR-4 ที่มีความก้าวหน้า (เช่น Panasonic Megtron 6) ใช้ธาตุ epoxy ที่ปรับปรุงเพื่อปรับปรุงผลประกอบการความถี่สูงโดยยังคงมีผลกําไรจากราคา FR-4
a. คุณสมบัติสําคัญ:
Dk: 3.6~4.5 (10GHz)
Df: 0.0025?? 0.004 (10GHz)
Tg: 170~200°C
ความสามารถในการนําความร้อน: 0.3~0.4 W/m·K
b.ข้อดี:
ค่าใช้จ่ายต่ํากว่า HCC หรือ PTFE 50~70%
มีให้บริการทั่วไปและเข้ากันได้กับกระบวนการ PCB มาตรฐานทั้งหมด
c.ขีดจํากัด
Df สูงกว่า HCC/PTFE จํากัดการใช้มากกว่า 28GHz
d. การใช้งาน: 10Gbps Ethernet อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค (สมาร์ทโฟน 5G) และรูเตอร์อุตสาหกรรม

4ละเมินพอลิมเมอร์คริสตัลเหลว (LCP)
LCP Laminates (ตัวอย่างเช่น Rogers LCP) เป็นวัสดุ thermoplastic ที่มีความมั่นคงในมิติและความสามารถในการทํางานในความถี่สูง
a. คุณสมบัติสําคัญ:
Dk: 3.0 ∼3.2 (10GHz)
Df: 0.002?? 0.003 (10GHz)
Tg: 300°C+
ความสามารถในการนําความร้อน: 0.3 W/m·K
b.ข้อดี:
โปรไฟล์ละอ่อนมาก (50-100μm) สําหรับ PCB ความเร็วสูงที่ยืดหยุ่น
การดูดซึมความชื้นที่ต่ํา (< 0.02%), สําคัญสําหรับความน่าเชื่อถือ
c. แอพลิเคชั่น: แอนเทนน่า 5G ที่ยืดหยุ่น, อุปกรณ์ที่ใส่ได้, และ PCB ที่เชื่อมต่อกันความหนาแน่นสูง (HDI)

โฟล ย์ ทองแดง: สารประกอบ สําคัญ สําหรับสัญญาณความเร็วสูง
โฟลยทองแดงมักถูกมองข้าม แต่ความหยาบและความหนาของผิวของมันมีผลต่อการทํางานของสัญญาณความเร็วสูง
1. ทองแดงที่ได้รับการรักษากลับ (RT)
ทองแดง RT มีพื้นผิวที่ตรงกับไฟฟ้า dielectric และพื้นผิวที่ตรงกับส่วนประกอบที่หยาบชื้น, ทําให้สมดุลความแน่นและผลการแสดงสัญญาณ
a. คุณสมบัติสําคัญ:
ความหยาบคายของพื้นผิว (Rz): 1.5-3μm
ความหนา: 1270μm (0.53 oz)
b.ข้อดี:
ลดการสูญเสียสัญญาณที่ความถี่สูง (ผลกระทบผิวหนังถูกลดให้น้อยที่สุดบนพื้นผิวเรียบ)
การติดต่อที่แข็งแกร่งกับพื้นฐาน
c. ดีที่สุดสําหรับ: สัญญาณ 1 28GHz ใน 5G และราดาร์รถยนต์

2. ทองแดงที่มีโปรไฟล์ต่ํามาก (VLP)
ทองแดง VLP มีพื้นผิวเรียบมาก (Rz <1.0μm) สําหรับการใช้งานความถี่สูงสุด
a. คุณสมบัติสําคัญ:
ความหยาบของพื้นผิว (Rz): 0.3 ‰ 0.8 μm
ความหนา: 1235μm (0.51.5 oz)
b.ข้อดี:
ลดการสูญเสียการใส่ที่ > 28GHz โดยลดการสูญเสียผลผิวหนัง
c.ขีดจํากัด
ความติดแน่นต่ํากว่า (ต้องการสารผูกเชื้อเฉพาะ)
d.Best For: mmWave (28100GHz) ในระบบดาวเทียมและระบบ 6G

3. ทองแดงผสม
ทองแดงที่ผสมผสานผ่านการรักษาด้วยความร้อนเพื่อปรับปรุงความยืดหยุ่น ทําให้มันเหมาะสมสําหรับ PCB ความเร็วสูงที่ยืดหยุ่น
a. คุณสมบัติสําคัญ:
ความแข็งแรงต่อการดึง: 200~250 MPa (เทียบกับ 300~350 MPa สําหรับทองแดงมาตรฐาน)
อายุการใช้งานแบบยืดหยุ่น: > 100,000 รอบ (โค้ง 180 องศา)
b.Best สําหรับ: PCB LCP ที่ยืดหยุ่นในเครื่องใส่และแอนเทนน่าโค้ง

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: วัสดุความเร็วสูงตามการใช้งาน

การ พิจารณา การ ออกแบบ สําหรับ การ เลือก วัสดุ
การ เลือก วัสดุ ที่ เหมาะ สม ต้อง มี ความ สมดุล ใน การ ทํา งาน, ค่า และ ความ สามารถ ในการ ผลิต. จง ทํา ตาม คํา ชี้ นํา เหล่า นี้:
1ความถี่และอัตราการส่งข้อมูล
a.<10GHz (ตัวอย่างเช่น 5G sub-6GHz): FR-4 หรือ HCC laminates Tg สูงให้ผลงานที่เพียงพอในราคาที่ต่ํากว่า
b.10~28GHz (เช่น 5G ช่วงกลาง): HCC laminates (RO4000) ให้ความสมดุลที่ดีที่สุดของความสูญเสียและค่าใช้จ่าย
c.> 28GHz (ตัวอย่างเช่น mmWave): ต้องการ PTFE หรือ LCP laminates เพื่อลดความอ่อนแอให้น้อยที่สุด

2ความต้องการทางอุณหภูมิ
a.องค์ประกอบประสิทธิภาพสูง (เช่น เครื่องเสริมพลังงาน 5G) ต้องการวัสดุที่มีความสามารถในการนําไฟร้อน > 0.5 W/m·K (เช่น HCC ด้วยสารเติมเซรามิก)
b.สภาพแวดล้อมรถยนต์หรืออุตสาหกรรม (อุณหภูมิบริเวณ > 85 °C) ต้องการ Tg ≥ 180 °C (ตัวอย่างเช่น Megtron 8, RO4830)

3. การจํากัดค่าใช้จ่าย
a.อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค (เช่น สมาร์ทโฟน) ให้ความสําคัญต่อราคา: ใช้ FR-4 Tg สูงสําหรับ 5G ต่ํา 6GHz
b.การใช้งานด้านอากาศและทหารให้ความสําคัญกับผลประกอบการ: PTFE มีเหตุผล แม้ค่าใช้จ่ายจะสูงขึ้น

4. การผลิตที่เข้ากันได้
a.PTFE และ LCP ต้องการกระบวนการเฉพาะเจาะจง (ตัวอย่างเช่น การรักษาด้วยพลาสมาเพื่อการผูกพัน) เพิ่มความซับซ้อนในการผลิต
b. FR-4 Tg และ HCC ทํางานกับการผลิต PCB แบบมาตรฐาน ลดเวลาและค่าใช้จ่าย

การศึกษากรณี: ผลงานของวัสดุในการออกแบบในโลกจริง

กรณีที่ 1: สถานีฐาน 5G (3.5GHz)
ผู้ผลิตโทรคมนาคมต้องการ PCB ที่มีประหยัดสําหรับสถานีฐาน 5G 3.5GHz ด้วยความสูญเสีย < 0.5dB / นิ้ว
การเลือกวัสดุ: Rogers RO4350B (HCC laminate) กับทองแดง RT (1 oz)
ผล:
การสูญเสียการใส่: 0.4dB / นิ้วที่ 3.5GHz
ราคาต่ํากว่า PTFE 30%
ผลิต > 95% กับการผลิตแบบมาตรฐาน

กรณีที่ 2: ราดาร์รถยนต์ (77GHz)
จําหน่ายรถยนต์ต้องการ PCB สําหรับราดาร์ 77GHz ที่มีความสูญเสีย < 1.0dB / นิ้วและ Tg ≥ 170 °C
ตัวเลือกวัสดุ: โรเจอร์ส RO4830 (HCC Laminate) กับ VLP ทองแดง (0.5 oz)
ผล:
การสูญเสียการใส่: 0.8dB / นิ้วที่ 77GHz
ทนทาน 1000 วงจรทางความร้อน (-40 °C ถึง 125 °C) โดยไม่ขาดแผ่น

กรณีที่ 3: การสื่อสารผ่านดาวเทียม (Ka-Band, 28GHz)
ผู้รับเหมาด้านการป้องกันต้องการ PCB สําหรับการเชื่อมต่อดาวเทียม 28GHz ด้วยการสูญเสียอย่างน้อยและความทนทานต่อรังสี
ตัวเลือกวัสดุ: RT/duroid 5880 (PTFE laminate) กับทองแดง VLP (0.5 oz)
ผล:
การสูญเสียการใส่: 0.3dB / นิ้วที่ 28GHz
รอดจากการทดสอบรังสี (100Krad) ตอบสนอง MIL-STD-883H

วัสดุใหม่สําหรับ PCB ความเร็วสูงรุ่นต่อไป
การวิจัยกําลังขยายขอบเขตของวัสดุที่ใช้ความเร็วสูง
a. Laminates ที่เสริมแกรเฟน: ผสมไฟฟ้าที่มีแกรเฟน (Dk = 2.5, Df = 0.001) สําหรับการใช้งาน 100+ GHz, กับความสามารถในการนําไฟฟ้า > 1.0 W/m·K
b.Bio-Based High-Tg FR-4: ธ อร์อีโป๊กซี่จากพืชที่มี Dk = 38, Df = 0003, ตอบสนองกฎหมายด้านความยั่งยืน (EU Green Deal)
c. Substrates เมตาเมทารีอัล: วัสดุที่ออกแบบด้วย Dk (2.0?? 4.0) ที่สามารถปรับปรับได้สําหรับการปรับปรุงความอัดอัดในระบบ 6G.

FAQ
ถาม: FR-4 Tg สูงสามารถใช้ได้สําหรับการใช้งานที่ 28GHz ไหม?
A: ใช่ แต่มีข้อจํากัด FR-4 ที่มีความก้าวหน้าที่มี Tg สูง (เช่น Megtron 7) ทํางานสําหรับ 28GHz ด้วยการสูญเสีย ~ 1.2dB / นิ้ว เหมาะสําหรับรอยสั้น (< 6 นิ้ว) สําหรับรอยยาว HCC หรือ PTFE ดีกว่า

คําถาม: ความหนาของทองแดงมีผลต่อการทํางานความเร็วสูงอย่างไร?
ตอบ: ทองแดงหนากว่า (1 3 oz) ปรับปรุงการจัดการกับกระแสไฟฟ้า แต่เพิ่มการสูญเสียที่ > 10 GHz เนื่องจากผลกระทบผิวหนัง. ใช้ทองแดง VLP 0.5 1 oz สําหรับการออกแบบความถี่สูง

Q: วัสดุยืดหยุ่นเหมาะสําหรับสัญญาณความเร็วสูงหรือไม่
ตอบ: ใช่, LCP laminates กับ VLP ทองแดงรองรับสัญญาณ 60GHz ในปัจจัยรูปแบบยืดหยุ่น (ตัวอย่างเช่นแอนเทนน่าโค้งใน wearables)

คําถาม: ระยะเวลาในการนํามาใช้สําหรับวัสดุความเร็วสูง
A: FR-4 และ HCC Laminates Tg สูง: 2 ช่วงสัปดาห์. PTFE และ LCP: 4 ช่วงสัปดาห์

สรุป
การเลือกวัสดุที่ดีที่สุดสําหรับการออกแบบ PCB ความเร็วสูง ต้องการความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับความถี่ของสัญญาณ ความต้องการทางความร้อน ค่าใช้จ่าย และข้อจํากัดการผลิตFR-4 Tg สูงยังคงเป็นม้าทํางานสําหรับค่าใช้จ่ายที่รู้สึก, ต่ํากว่า-28GHz การใช้งาน, ในขณะที่ HCC laminates ประสานงานประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายสําหรับ 1 60GHz. PTFE และ LCP ควบคุมความถี่สูงสุด (28 100GHz) และออกแบบยืดหยุ่น, ตามลําดับ.
โดยการปรับสภาพของวัสดุให้ตรงกับความต้องการของแอปพลิเคชั่น ไม่ว่าจะเป็นการลดความสูญเสียในสถานีฐาน 5G หรือรับประกันความทนทานในราดาร์รถยนต์ความน่าเชื่อถือเมื่อเทคโนโลยี 6G และ mmWave พัฒนาขึ้น นวัตกรรมในวัสดุจะยังคงขับเคลื่อนรุ่นใหม่ของอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง
ข้อสําคัญ: วัสดุที่เหมาะสมจะเปลี่ยนผลงาน PCB ความเร็วสูง ให้ความสําคัญต่อความมั่นคง Dk/Df สําหรับความถี่และค่าใช้จ่ายสําหรับการปรับขนาด เพื่อรับรองความสําเร็จในการออกแบบความเร็วสูงของคุณ.