وقتی پروژهای را میپذیریم که خارج از محدوده راحتیمان است، همه ما در مقطعی از زمان به آن تجربه داشتهایم. برای من، آن روز وقتی فرا رسید که رئیسام از من خواست یک برد با سرعت بالا طراحی کنم. با اینکه فکر میکردم طراح مدار با تجربه هستم، میدانستم طراحی PCB با سرعت بالا محدودیتهای زیادی دارد که معمولاً هنگام طراحی یک مدار معمولی با آنها مواجه نمیشوید. در ابتدا وقت گذاشتم تا شماتیک را برای طراحی با سرعت بالا مناسب کنم. اما وقتی این کار انجام شد، تمام تمرکزم را معطوف این کردم که آیا ... برد مدار چاپی با سرعت بالا پروتوتایپ باید استفاده کند افآر-۴ یا مادهای تخصصیتر. قبل از اینکه به آنچه آموختهام بپردازیم، مهم است بدانیم که در این مقاله “سرعت بالا” به هر چیزی بالاتر از ۵۰ مگاهرتز گفته میشود. اینها نکات مربوط به مواد هستند که هنگام کار در این بازه فرکانسی باید به آنها توجه کنید.
طراحی با سرعت بالا نسبت به سایر طراحیها، قوانین سختگیرانهتری برای یکپارچگی سیگنال دارد. اگرچه برای رعایت این قوانین باید در مسیریابی سیگنالهای پرسرعت بسیار محتاط باشید، اما مهم است که بدانید خودِ جنس برد نیز بخشی از معادله کامل یکپارچگی سیگنال است. به همین دلیل، مواد برد مورد استفاده در طراحیهای پرسرعت به ویژگیهایی مانند ثابت دیالکتریک با کنترل دقیق نیاز دارند تا به کنترل امپدانس کمک کنند. اگر به امپدانس اجازه داده شود که در سراسر طراحی تغییر کند، سیگنالهای با سرعت بالا هنگام حرکت در ردپاها شروع به بازتاب انرژی میکنند و سیگنال دچار اعوجاج خواهد شد. به همین ترتیب، یک ضریب تلفات پایین برای کمک به حفظ یکپارچگی سیگنال لازم است. در نهایت، پایداری حرارتی ویژگی مهم دیگری است، زیرا به اطمینان از اینکه عملکرد دیالکتریک از کار نمیافتد، کمک میکند.
FR-4: مزایا و معایب
از زمانی که من مشغول طراحی بردهای مدار چاپی بودهام، FR-4 همیشه مادهٔ استاندارد برای تولید PCB بوده است. وقتی هنوز طراح تازهکار بودم، حتی همهٔ بردها را “FR-4” صدا میزدیم، فرقی نمیکرد که واقعاً از آن ساخته شده باشند یا نه. FR-4 یک لامینیت اپوکسی تقویتشده با الیاف شیشهای نوع ۴ ضد حریق است. این ماده بسیار مقرونبهصرفه است. همچنین عایق الکتریکی بسیار خوبی است و در شرایط خشک و مرطوب بسیار مقاوم است. علاوه بر این، عملکرد ساخت خوبی دارد که آن را به مادهای بسیار مناسب برای ساخت PCBها تبدیل میکند.
نقطه ضعف FR-4 این است که در برابر توان، ولتاژ یا گرمای بیش از حد محدودیت دارد. اگر از محدوده کاری خود فراتر رود، عملکرد دیالکتریک FR-4 کاهش مییابد. این بدان معناست که قابلیت عایقکاری این ماده بدتر شده و شروع به رسانایی الکتریسیته میکند. یکی دیگر از مشکلات FR-4، حفظ امپدانس ثابت در طراحیهای پرسرعت است. این به آن دلیل است که ثابت دیالکتریک FR-4 میتواند در طول و عرض برد تغییر کند. همچنین، با افزایش سرعت طراحی، اتلاف سیگنال که ممکن است در طراحیهای غیرپرسرعت قابل قبول باشد، در بردهای FR-4 میتواند بسیار زیاد شود.
مواد تخصصی بردهای با سرعت بالا در مقابل FR-4
مواد ویژه بردهای با سرعت بالا، مانند هیدروکربن گرماسخت و لامینتهای PTFE, میتوانند در طراحیهایی با فرکانسهای بالاتر، عملکردی بهتر و قابلاعتمادتر از FR-4 ارائه دهند. بعداً به مصالحهها خواهیم پرداخت، اما ابتدا بیایید به برخی از مزایایی که این مواد بردهای با سرعت بالا میتوانند ارائه دهند، نگاهی بیندازیم:
- کاهش افت سیگنال. با افزایش فرکانس خط انتقال، اتلاف سیگنال به مشکلی بزرگتر تبدیل میشود. مواد برد طراحی با سرعت بالا ضریب اتلاف بسیار کمتری نسبت به FR-4 دارند و برخی مواد، مانند لمینتهای PTFE تقریباً خالص، تا یک مرتبه ده برابر بهتر عمل میکنند. این ضرایب اتلاف پایینتر بخش مهمی از کاهش اتلاف سیگنال هستند.
- کنترل تنگتر امپدانس. مواد سنتی برد مدار چاپی (PCB) مانند FR-4 نمیتوانند ضریب دیالکتریک (Dk) را به خوبی مواد بردهای پرسرعت کنترل کنند. ضریب دیالکتریک FR-4 میتواند تا ±۱۰٪ یا بیشتر تغییر کند، در حالی که موادی مانند PTFE تلرانس ضریب دیالکتریک را در حد ±۲٪ یا بهتر نگه میدارند.
- مدیریت حرارتی بهتر. برخی از مواد برد طراحی با سرعت بالا، مانند لمینتهای هیدروکربنی ترموست، رسانایی حرارتی بسیار بهتری نسبت به FR-4 دارند. اگر طراحی شما نیازمند مدیریت حرارتی باشد، اینها موادی هستند که ارزش بررسی دارند.
- کاهش جذب رطوبت. آب دارای خواص دیالکتریک است و حتی مقدار اندکی رطوبت جذبشده در یک برد مدار چاپی (PCB) با مدارهای فرکانس بالا میتواند عملکرد الکتریکی آن مدارها را تغییر دهد. در حالی که FR-4 نرخ جذب رطوبت نزدیک به ۵۰۱TP3T دارد، برخی مواد PTFE نرخ جذب رطوبت تا ۲۱TP3T دارند، بنابراین این موضوع باید مدنظر قرار گیرد.
- ثبات ابعادی بهتر. برای طراحیهای با چگالی بالا و سرعت زیاد که دارای تلرانسهای محدود هستند، نیاز به پایداری ابعادی اهمیت بیشتری پیدا میکند. اگرچه FR-4 بهخاطر پایداری ابعادیاش شناخته شده است، اما سایر مزایایی را که مواد با سرعت بالا ارائه میدهند، فراهم نمیکند. در این صورت، لمینتهای هیدروکربنی ترموست ممکن است انتخاب بهتری باشند.
