Kun otamme vastaan projektin, joka on mukavuusalueemme ulkopuolella, olemme kaikki olleet joskus siinä tilanteessa. Minulle se päivä koitti, kun pomoni pyysi minua suunnittelemaan nopean taulun. Vaikka luulin olevani kokenut piirisuunnittelija, tiesin, että suurnopeuspiirilevysuunnittelussa oli monia rajoja, joita ei yleensä kohdata tavallista piiriä suunniteltaessa. Aluksi käytin aikaa siihen, että sain kaaviota mukautettua suurnopeussuunnitteluun. Mutta kun se oli tehty, keskityin täysin siihen, oliko laitteeni nopea PCB prototyypin tulisi käyttää FR-4 tai erikoistuneemmasta materiaalista. Ennen kuin katsomme, mitä opin, on tärkeää tietää, että tässä artikkelissa “suurnopeus” tarkoittaa kaikkea yli 50 MHz:n taajuutta. Nämä ovat materiaalikohdat, joihin sinun on kiinnitettävä huomiota työskennellessäsi tällä taajuusalueella.
Suurnopeussuunnittelussa on tiukemmat säännöt signaalin eheyden suhteen kuin muissa suunnittelussa. Vaikka nopeiden signaalien reitityksessä on oltava erittäin varovainen näiden sääntöjen noudattamiseksi, on tärkeää ymmärtää, että levymateriaali itsessään on osa koko signaalin eheyden yhtälöä. Tämän vuoksi suurnopeussuunnittelussa käytettävien levymateriaalien on oltava ominaisuuksiltaan sellaisia, että niiden dielektrisyysvakio on tiukasti kontrolloitu, jotta impedanssia voidaan hallita. Jos impedanssin annetaan muuttua koko suunnittelussa, nopeat signaalit alkavat heijastaa energiaa takaisin, kun ne liikkuvat jälkien läpi, ja signaali vääristyy. Samoin signaalin eheyden säilyttämiseksi tarvitaan alhainen häviökerroin. Lämpöstabiilisuus on toinen tärkeä ominaisuus, koska se auttaa varmistamaan, ettei dielektrinen suorituskyky heikkene.
FR-4: Edut ja haitat
Siitä lähtien, kun olen suunnitellut piirilevyjä, FR-4 on aina ollut piirilevytuotannon vakiomateriaali. Kun olin vielä nuorempi suunnittelija, kutsuimme jopa kaikkia levyjä “FR-4:ksi” riippumatta siitä, oliko ne todellisuudessa valmistettu siitä vai ei. FR-4 on palonkestävä, lasikuituvahvisteinen epoksilaminaatti, tyyppi 4. Se on erittäin kustannustehokas materiaali. Se on myös erittäin hyvä sähköeriste ja erittäin vahva sekä kuivissa että kosteissa olosuhteissa. Sillä on myös hyvä valmistusominaisuus, mikä tekee siitä erittäin hyvän materiaalin piirilevyjen rakentamiseen.
FR-4:n haittapuolena on, että sillä on rajansa, kun teho, jännite tai lämpö nousevat liian korkeiksi. Jos sen käyttörajat ylittyvät, FR-4:n dielektrinen suorituskyky heikkenee. Tämä tarkoittaa, että materiaalin eristyskyky heikkenee ja se alkaa johtaa sähköä. Toinen FR-4:n ongelma on vakaan impedanssin säilyttäminen nopeassa suunnittelussa. Tämä johtuu siitä, että FR-4:n dielektrisyysvakio voi muuttua levyn pituuden ja leveyden mukaan. Lisäksi suunnittelunopeuden kasvaessa signaalihäviöt, jotka voivat olla hyväksyttäviä muissa kuin suurnopeusmalleissa, voivat FR-4-levyissä kasvaa liian suuriksi.
Erikoistuneet suurnopeuslevymateriaalit vs. FR-4
Erityiset suurnopeuskartonkien materiaalit, kuten lämpökovettuneet hiilivety- ja PTFE-laminaatit, voi antaa paremman ja luotettavamman suorituskyvyn kuin FR-4 korkeammilla taajuuksilla toimivissa malleissa. Tarkastelemme kompromisseja myöhemmin, mutta tarkastellaan ensin joitakin etuja, joita nämä suurnopeuslevymateriaalit voivat tarjota:
- Vähemmän signaalihäviöitä. Siirtolinjan taajuuden kasvaessa signaalin häviämisestä tulee suurempi ongelma. Suurnopeussuunnittelulevymateriaaleilla on paljon alhaisempi häviökerroin kuin FR-4:llä, ja jotkin materiaalit, kuten lähes puhtaat PTFE-laminaatit, ovat kertaluokkaa parempia. Nämä pienemmät häviökertoimet ovat tärkeä osa signaalihäviöiden vähentämistä.
- Tiukempi impedanssin säätö. Perinteiset piirilevymateriaalit, kuten FR-4, eivät pysty hallitsemaan dielektrisyysvakiota (Dk) yhtä hyvin kuin nopeat levymateriaalit. FR-4:n Dk voi vaihdella +/- 10% tai enemmän, kun taas PTFE:n kaltaiset materiaalit pitävät Dk-toleranssin +/- 2%:ssä tai paremmin.
- Parempi lämmönhallinta. Joillakin suurnopeussuunnittelulevymateriaaleilla, kuten kestomuovisilla hiilivetylaminaateilla, on paljon parempi lämmönjohtavuus kuin FR-4:llä. Jos suunnittelussasi on lämmönhallintaan liittyviä huolenaiheita, näitä levymateriaaleja kannattaa tarkastella.
- Pienempi kosteuden imeytyminen. Vedellä on dielektrisiä ominaisuuksia, ja jopa pieni määrä kosteutta, joka imeytyy piirilevyyn, jossa on korkeataajuuspiirejä, voi muuttaa näiden piirien sähköistä suorituskykyä. Vaikka FR-4:n kosteuden imeytymisaste on lähes 50%, joidenkin PTFE-materiaalien kosteuden imeytymisaste on jopa 2%, joten tämä asia on otettava huomioon.
- Parempi mittapysyvyys. Kun kyseessä on tiheä, nopea rakenne, jossa on tiukat toleranssit, mittatarkkuuden tarve on entistäkin tärkeämpi. Vaikka FR-4 on tunnettu mittatarkkuudestaan, se ei tarjoa muita etuja, joita suurnopeusmateriaalit tarjoavat. Tässä tapauksessa kestomuoviset hiilivetylaminaatit voivat olla parempi valinta.
