Nové nízkoztrátové materiály pro vysokorychlostní PCB

Rychlejší přenos dat, vyšší pracovní frekvence a stále menší rozměry elektronických zařízení kladou na desky plošných spojů nové požadavky. U klasických aplikací může být standardní FR-4 zcela dostačující. S rostoucí rychlostí signálu se však stále více dostává do popředí otázka ztrát při přenosu signálu a přicházejí na řadu nízkoztrátové materiály.

Právě zde získávají význam nízkoztrátové (low-loss) a ultra-nízkoztrátové (ultra-low-loss) materiály, které jsou určeny pro vysokorychlostní digitální, vysokofrekvenční a RF aplikace.

Nejde přitom pouze o volbu „lepšího laminátu“. Výsledný útlum signálu závisí na kombinaci vlastností materiálu, geometrie vedení, frekvence a také vlastností měděné fólie. IPC upozorňuje, že při vyšších frekvencích začíná mít významnou roli právě dielektrická ztráta a že drsnost měděné fólie může výsledný útlum dále zvyšovat.

Proč běžný FR-4 nemusí při vysokých rychlostech stačit?

FR-4 zůstává jedním z nejrozšířenějších materiálů pro výrobu PCB. Je cenově dostupný, dobře zpracovatelný a pro širokou škálu elektroniky nabízí velmi dobrý poměr vlastností a ceny.

S rostoucí frekvencí se ale začínají výrazněji projevovat elektrické vlastnosti dielektrika. Důležitými parametry jsou především:

• Dk – dielectric constant, tedy relativní permitivita materiálu,
• Df – dissipation factor, tedy ztrátový činitel,
• stabilita těchto parametrů v závislosti na frekvenci a teplotě,
• vlastnosti měděné fólie a její drsnost,
• konstrukce a geometrie vedení.

Zjednodušeně lze říci, že čím vyšší jsou požadavky na rychlost a frekvenci, tím důležitější je kontrolovat, kolik energie se během přenosu signálu ztratí.

IPC ve svém materiálu k vysokorychlostním PCB uvádí, že celkový útlum je kombinací ztrát způsobených samotným materiálem a ztrát souvisejících s vodičem, jeho geometrií a drsností měděné fólie. Při vyšších frekvencích se přitom stále více prosazuje vliv dielektrických ztrát.

Dk a Df: dva parametry, které rozhodují

Při výběru se setkáme se zkratkami Dk a Df charakteristickými pro nízkoztrátové materiály a vysokorychlostní PCB.

Dk charakterizuje dielektrickou konstantu materiálu. Ovlivňuje například rychlost šíření signálu a impedanci vedení. U vysokorychlostních konstrukcí je důležitá nejen samotná hodnota Dk, ale také její stabilita v závislosti na frekvenci, teplotě a konkrétní konstrukci desky.

Df neboli dissipation factor souvisí s dielektrickými ztrátami. Obecně platí, že nižší Df znamená menší ztráty v dielektriku.

Proto se nízkoztrátové materiály setkávají s velmi nízkými hodnotami Df. Například Rogers u materiálu RO4003C uvádí Df 0,0027 při 10 GHz, zatímco u RO3003 uvádí hodnotu 0,0013 při 10 GHz.

Nové nízkoztrátové materiály posouvají hranice

Vývoj materiálů pro vysokorychlostní PCB směřuje k tomu, aby bylo možné kombinovat nízké elektrické ztráty s dobrou tepelnou stabilitou, mechanickou spolehlivostí a zároveň přijatelnou výrobní náročností.

Jedním z příkladů jsou materiály společnosti Rogers Corporation. Řada RO4000 je určena pro vysokofrekvenční aplikace a zahrnuje například materiály RO4003C a RO4350B. RO4003C má podle výrobce Dk 3,38 ± 0,05 a Df 0,0027 při 10 GHz. Výhodou je také zpracování podobné standardním epoxy/glass materiálům, což může usnadnit výrobu vícevrstvých desek.

Rogers nabízí také RO3000, jehož jednotlivé materiály jsou určeny pro aplikace s velmi nízkými ztrátami. Například RO3003 má Dk 3,00 ± 0,04 a Df 0,0013 při 10 GHz.

Zajímavý je také vývoj samotných měděných fólií. Rogers u řady RO4000 LoPro využívá technologii, která umožňuje snížit ztráty ve vodiči a tím zlepšit insertion loss a integritu signálu. Výrobce uvádí, že tato řešení jsou určena i pro konstrukce pracující nad 40 GHz.

Nízkoztrátové materiály

Vývoj pro nízkoztrátové materiály probíhá u více výrobců. Například Isola nabízí materiály I-Tera MT40 a Tachyon 100G.

I-Tera MT40 je určena pro vysokorychlostní digitální a RF/mikrovlnné aplikace. Výrobce uvádí Dk 3,45 a Df 0,0031, přičemž materiál je navržen tak, aby byl kompatibilní s běžnými výrobními procesy FR-4.

Ještě dál jde Tachyon 100G, která je určena pro velmi vysokorychlostní digitální aplikace. Isola uvádí Dk 3,02 a Df 0,0021 a materiál je navržen pro aplikace s datovými rychlostmi 100 Gb/s a vyššími. Součástí konstrukce je také velmi hladká měděná fólie, která pomáhá omezovat ztráty ve vodiči.

Dalším příkladem jsou materiály řady MEGTRON od společnosti Panasonic Industry. Výrobce je označuje jako materiály pro vícevrstvé desky s velmi nízkými přenosovými ztrátami a vysokou tepelnou odolností. MEGTRON 6 a MEGTRON 7 jsou určeny mimo jiné pro infrastrukturu ICT a vysokorychlostní přenos dat.

Hladší měď může znamenat menší ztráty

Při návrhu vysokorychlostního PCB je snadné soustředit se pouze na vlastnosti laminátu. To ale může být chyba.

S rostoucí frekvencí se totiž výrazněji projevuje skin effect. Vysokofrekvenční proud se soustřeďuje více k povrchu vodiče, takže jeho skutečná dráha je ovlivněna také povrchovou strukturou mědi.

IPC ve svém technickém materiálu porovnává desky se standardní a hladší měděnou fólií. Při testu na 5 GHz vykazovala konstrukce s hrubší fólií vyšší ztrátu než konstrukce s hladší fólií.

Proto se u moderních high-speed materiálů stále častěji setkáváme s označeními jako VLP, HVLP nebo ultra-smooth copper.

Výběr pro nízkoztrátové materiály tak dnes není pouze otázkou: „Jaký laminát použijeme?“

Důležitější otázkou je: „Jak bude fungovat celý systém – dielektrikum, měď, geometrie vedení a konkrétní frekvence?“

Co přinášejí nízkoztrátové materiály výrobci PCB?

Použití low-loss materiálů může být důležité například u:

• vysokorychlostních datových spojů,
• serverů a datových center,
• telekomunikační techniky,
• 5G a budoucích 6G systémů,
• vysokofrekvenčních a mikrovlnných aplikací,
• radarových systémů,
• automobilové elektroniky,
• vysokorychlostních backplane a daughtercard konstrukcí.

U těchto aplikací už nemusí být hlavním problémem pouze samotná schopnost PCB signál vést. Výzvou je zachovat jeho kvalitu, časování a integritu při stále vyšších frekvencích a datových rychlostech.

Právě proto výrobci materiálů kombinují nízké Df s kontrolovaným Dk, nízkou drsností měděné fólie, tepelnou stabilitou a vhodnými mechanickými vlastnostmi.

Low-loss neznamená automaticky nejlepší volbu

Je však důležité zdůraznit, že nízkoztrátový materiál není automaticky správnou volbou pro každou desku.

Nízkoztrátové materiály mohou být dražší a jejich zpracování může vyžadovat přesnější kontrolu výrobního procesu. Důležitá je také dostupnost konkrétního materiálu, jeho tloušťkových variant, prepregů, měděných fólií a kompatibilita s konstrukcí celé desky. Výběr proto musí vycházet z konkrétní aplikace.

Pokud například návrh pracuje s relativně nízkými frekvencemi a krátkými spoji, může být standardní materiál ekonomicky i technicky zcela dostačující. Naopak u vysokorychlostních spojů, kde jsou důležité útlum signálu, impedance, časový rozptyl (jitter) nebo přesné časování signálu, mohou být vlastnosti materiálu zásadní.

Budoucnost patří kombinaci materiálu a přesného návrhu

Vývoj vysokorychlostních PCB tedy nesměřuje pouze k hledání materiálu s co nejnižším Df.

Stále důležitější bude optimalizace celého systému. Nízkoztrátové materiály musí spolupracovat s vhodnou konstrukcí vrstev, přesně definovanou impedancí, geometrií vedení, typem měděné fólie a výrobními možnostmi konkrétního PCB výrobce.

Nové nízkoztrátové materiály tak představují jednu z cest, jak reagovat na rostoucí požadavky datových center, telekomunikací, automobilové elektroniky i dalších oblastí, kde se přenosové rychlosti posouvají stále výše.

Pro výrobce PCB zároveň vzniká nový úkol: umět tyto materiály nejen vyrobit, ale správně je zpracovat a udržet jejich elektrické parametry v celém výrobním procesu.

A právě zde se bude v příštích letech rozhodovat o tom, jak rychlé a spolehlivé mohou být nové generace elektronických zařízení.

Zdroje pro nízkoztrátové materiály:

IPC. Base Material Consideration for High Speed Printed Circuit Boards. IPC.

Rogers Corporation. RO4000 Series Laminates. Rogers Corporation.

Rogers Corporation. RO3000 Series Laminates. Rogers Corporation.

Isola Group. Tachyon 100G Laminate and Prepreg. Isola Group.

Isola Group. I-Tera MT40 Laminate and Prepreg. Isola Group.

Panasonic Industry. Circuit Board Materials – MEGTRON Series. Panasonic Industry.