عندما نتولى مشروعًا خارج منطقة راحتنا، فقد مررنا جميعًا بذلك في وقت أو آخر. بالنسبة لي، جاء ذلك اليوم عندما طلب مني مديري تصميم لوحة عالية السرعة. على الرغم من أنني كنت أعتقد أنني مصمم دوائر كهربائية متمرس، إلا أنني كنت أعلم أن تصميم لوحة PCB عالية السرعة له حدود كثيرة لا تواجهها عادةً عند تصميم دائرة كهربائية عادية. في البداية، قضيت بعض الوقت في جعل المخطط مناسبًا للتصميم عالي السرعة. ولكن بمجرد الانتهاء من ذلك، ركزت بشكل كامل على ما إذا كانت ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة يجب أن يستخدم النموذج الأولي FR-4 أو مادة أكثر تخصصًا. قبل أن نلقي نظرة على ما تعلمته، من المهم أن تعرف أنه في هذه المقالة، تعني كلمة “عالي السرعة” أي شيء أعلى من 50 ميجاهرتز. هذه هي النقاط المادية التي يجب الانتباه إليها عند العمل في هذا النطاق الترددي.
يحتوي التصميم عالي السرعة على قواعد أكثر صرامة لسلامة الإشارات من التصميمات الأخرى. على الرغم من أنه يجب أن تكون حريصًا جدًا في توجيه الإشارات عالية السرعة لتلبية هذه القواعد، فمن المهم أن تفهم أن مادة اللوحة نفسها جزء من معادلة سلامة الإشارة الكاملة. لهذا السبب، تحتاج مواد اللوحة المستخدمة في التصميم عالي السرعة إلى خصائص مثل ثابت عازل يتم التحكم فيه بإحكام للمساعدة في التحكم في المعاوقة. إذا سُمح للمعاوقة بالتغير عبر التصميم، ستبدأ الإشارات عالية السرعة في عكس الطاقة أثناء تحركها عبر المسارات، وستصبح الإشارة مشوهة. وبالطريقة نفسها، هناك حاجة إلى عامل تبديد منخفض للمساعدة في الحفاظ على سلامة الإشارة. وأخيراً، يعتبر الثبات الحراري خاصية مهمة أخرى، لأنه يساعد على التأكد من عدم تعطل الأداء العازل.
مزايا وعيوب FR-4: المزايا والعيوب
منذ أن كنت أقوم بتصميم لوحات الدوائر المطبوعة، كانت FR-4 دائمًا المادة القياسية لإنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور. عندما كنت لا أزال مصممًا مبتدئًا، كنا نطلق على جميع اللوحات اسم “FR-4”، بغض النظر عما إذا كانت مصنوعة منها بالفعل أم لا. إن FR-4 عبارة عن صفائح إيبوكسي مقواة بالألياف الزجاجية من النوع 4 المثبطة للهب. وهي مادة فعالة للغاية من حيث التكلفة. وهي أيضًا عازل كهربائي جيد جدًا وقوي جدًا في كل من الظروف الجافة والرطبة. كما أنها تتمتع بأداء تصنيع جيد، مما يجعلها مادة جيدة جدًا لبناء مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
الجانب السلبي ل FR-4 هو أن لها حدودًا عندما تصبح الطاقة أو الجهد أو الحرارة عالية جدًا. إذا تم دفعها إلى ما هو أبعد من حدود عملها، سينخفض الأداء العازل لمادة FR-4. وهذا يعني أن قدرة المادة على العزل ستصبح أسوأ، وستبدأ في توصيل الكهرباء. هناك مشكلة أخرى في FR-4 وهي الحفاظ على مقاومة ثابتة في التصميم عالي السرعة. وذلك لأن ثابت العزل الكهربائي ل FR-4 يمكن أن يتغير عبر طول اللوحة وعرضها. أيضًا، مع زيادة سرعة التصميم، يمكن أن يصبح فقدان الإشارة الذي قد يكون مقبولاً في التصميمات غير عالية السرعة مرتفعًا جدًا على ألواح FR-4.
مواد الألواح عالية السرعة المتخصصة مقابل FR-4
مواد الألواح الخاصة عالية السرعة، مثل الهيدروكربونات الحرارية و شرائح PTFE, يمكن أن تعطي أداءً أفضل وأكثر موثوقية من FR-4 في التصميمات ذات الترددات العالية. سنلقي نظرة على المفاضلات لاحقًا، ولكن دعونا أولاً نلقي نظرة على بعض الفوائد التي يمكن أن تقدمها هذه المواد عالية السرعة:
- فقدان أقل للإشارة. مع ارتفاع تردد خط الإرسال، يصبح فقدان الإشارة مشكلة أكبر. وتتميز مواد ألواح التصميم عالية السرعة بعامل تبديد أقل بكثير من FR-4، وبعض المواد، مثل شرائح PTFE شبه النقية أفضل من حيث الحجم. تعتبر عوامل التبديد المنخفضة هذه جزءًا مهمًا من تقليل فقدان الإشارة.
- تحكم أكثر إحكاماً في المعاوقة. لا يمكن لمواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية، مثل FR-4، التحكم في ثابت العزل الكهربائي (Dk) وكذلك مواد الألواح عالية السرعة. يمكن أن يختلف ثابت العزل الكهربائي ل FR-4 بمقدار +/- 10% أو أكثر، في حين أن مواد مثل PTFE تحافظ على تفاوت ثابت العزل الكهربائي عند +/- 2% أو أفضل.
- إدارة حرارية أفضل. تتمتع بعض مواد ألواح التصميم عالية السرعة، مثل شرائح الهيدروكربون الحرارية، بتوصيل حراري أفضل بكثير من FR-4. إذا كان تصميمك ينطوي على مخاوف تتعلق بالإدارة الحرارية، فهذه هي مواد اللوح التي تستحق النظر إليها.
- امتصاص أقل للرطوبة. للماء خواص عازلة، وحتى كمية صغيرة من الرطوبة الممتصة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع دوائر عالية التردد يمكن أن تغير الأداء الكهربائي لتلك الدوائر. في حين أن FR-4 لديها معدل امتصاص رطوبة قريب من 50%، فإن بعض مواد PTFE لديها معدل منخفض يصل إلى 2%، لذلك يجب أخذ هذه المشكلة بعين الاعتبار.
- ثبات أبعاد أفضل. بالنسبة للتصميمات عالية السرعة الكثيفة ذات التفاوتات الضيقة، تصبح الحاجة إلى ثبات الأبعاد أكثر أهمية. على الرغم من أن FR-4 معروف بثبات أبعاده، إلا أنه لا يوفر المزايا الأخرى التي توفرها المواد عالية السرعة. في هذه الحالة، قد تكون شرائح الهيدروكربون الحرارية هي الخيار الأفضل.
