Když se pustíme do projektu, který je mimo naši komfortní zónu, všichni jsme si tím někdy prošli. Pro mě ten den nastal, když mě šéf požádal, abych navrhl vysokorychlostní tabuli. I když jsem si myslel, že jsem zkušený návrhář obvodů, věděl jsem, že vysokorychlostní návrh desek plošných spojů má mnoho omezení, se kterými se při návrhu běžného obvodu obvykle nesetkáte. Nejprve jsem strávil čas tím, že jsem schéma přizpůsobil vysokorychlostnímu návrhu. Ale jakmile to bylo hotové, plně jsem se soustředil na to, zda můj vysokorychlostní PCB prototyp by měl používat FR-4 nebo specializovanější materiál. Než se podíváme na to, co jsem se dozvěděl, je důležité vědět, že v tomto článku “vysokorychlostní” znamená cokoli nad 50 MHz. Jedná se o body materiálu, kterým byste měli věnovat pozornost při práci v tomto frekvenčním rozsahu.
Vysokorychlostní konstrukce má přísnější pravidla pro integritu signálu než jiné konstrukce. Přestože je třeba být velmi opatrný při směrování vysokorychlostních signálů, abyste tato pravidla splnili, je důležité si uvědomit, že samotný materiál desky je součástí celé rovnice integrity signálu. Z tohoto důvodu potřebují materiály desek používané při vysokorychlostním návrhu vlastnosti, jako je přísně kontrolovaná dielektrická konstanta, která pomáhá kontrolovat impedanci. Pokud se impedance napříč konstrukcí může měnit, vysokorychlostní signály začnou při pohybu po stopách odrážet energii zpět a signál se zkreslí. Stejně tak je zapotřebí nízký činitel rozptylu, který pomáhá zachovat integritu signálu. A konečně, tepelná stabilita je další důležitou vlastností, protože pomáhá zajistit, aby se dielektrický výkon nezhoršil.
FR-4: Výhody a nevýhody
Od doby, kdy se zabývám navrhováním desek s plošnými spoji, je FR-4 vždy standardním materiálem pro výrobu desek plošných spojů. V době, kdy jsem byl ještě mladším konstruktérem, jsme dokonce všem deskám říkali “FR-4” bez ohledu na to, zda z něj byly skutečně vyrobeny. FR-4 je nehořlavý epoxidový laminát typu 4 vyztužený skleněnými vlákny. Je to velmi cenově výhodný materiál. Je také velmi dobrým elektrickým izolantem a je velmi pevný v suchých i vlhkých podmínkách. Má také dobré výrobní vlastnosti, což z něj činí velmi dobrý materiál pro stavbu desek plošných spojů.
Nevýhodou materiálu FR-4 je, že má limity, pokud je výkon, napětí nebo teplo příliš vysoké. Pokud se překročí jeho pracovní limity, dielektrický výkon FR-4 klesne. To znamená, že se zhorší izolační schopnost materiálu a ten začne vést elektrický proud. Dalším problémem materiálu FR-4 je udržení stabilní impedance při vysokorychlostním návrhu. Je to proto, že dielektrická konstanta materiálu FR-4 se může měnit po celé délce a šířce desky. Se zvyšující se rychlostí návrhu se také ztráty signálu, které mohou být přijatelné u jiných než vysokorychlostních návrhů, mohou na deskách FR-4 stát příliš vysokými.
Specializované materiály pro vysokorychlostní desky vs. FR-4
Speciální vysokorychlostní deskové materiály, jako jsou uhlovodíkové termosety a PTFE lamináty, může poskytnout lepší a spolehlivější výkon než FR-4 v konstrukcích s vyššími frekvencemi. Na kompromisy se podíváme později, ale nejprve se podívejme na některé výhody, které tyto materiály pro vysokorychlostní desky mohou nabídnout:
- Menší ztráta signálu. S rostoucí frekvencí přenosového vedení se ztráty signálu stávají větším problémem. Materiály pro vysokorychlostní konstrukční desky mají mnohem nižší činitel rozptylu než FR-4 a některé materiály, například lamináty z téměř čistého PTFE, jsou řádově lepší. Tyto nižší rozptylové faktory jsou důležitou součástí snižování ztrát signálu.
- Přísnější kontrola impedance. Tradiční materiály pro desky plošných spojů, jako je FR-4, nedokážou kontrolovat dielektrickou konstantu (Dk) tak dobře jako vysokorychlostní deskové materiály. Dk materiálu FR-4 se může lišit o +/- 10% nebo více, zatímco materiály jako PTFE udržují toleranci Dk na +/- 2% nebo lepší.
- Lepší tepelná správa. Některé materiály pro vysokorychlostní konstrukční desky, například termosetové uhlovodíkové lamináty, mají mnohem lepší tepelnou vodivost než FR-4. Pokud se váš návrh zabývá otázkami tepelné správy, stojí za to se na tyto materiály desek podívat.
- Nižší absorpce vlhkosti. Voda má dielektrické vlastnosti a i malé množství vlhkosti absorbované do desky plošných spojů s vysokofrekvenčními obvody může změnit elektrický výkon těchto obvodů. Zatímco FR-4 má míru absorpce vlhkosti blízkou 50%, některé PTFE materiály mají míru absorpce vlhkosti pouhých 2%, takže je třeba tento problém zvážit.
- Lepší rozměrová stabilita. U hustých vysokorychlostních konstrukcí s přísnými tolerancemi je potřeba rozměrové stability ještě důležitější. Ačkoli je materiál FR-4 známý svou rozměrovou stabilitou, nenabízí další výhody, které poskytují vysokorychlostní materiály. V tomto případě mohou být lepší volbou termosetové uhlovodíkové lamináty.
