Khi chúng ta nhận một dự án nằm ngoài vùng an toàn của mình, ai trong chúng ta cũng đã từng trải qua điều đó ít nhất một lần. Đối với tôi, ngày đó đến khi sếp yêu cầu tôi thiết kế một bảng mạch tốc độ cao. Mặc dù tôi tự nhận mình là một nhà thiết kế mạch có kinh nghiệm, tôi biết rằng thiết kế PCB tốc độ cao có nhiều hạn chế mà bạn thường không gặp phải khi thiết kế một mạch thông thường. Ban đầu, tôi dành thời gian để điều chỉnh sơ đồ mạch cho phù hợp với thiết kế tốc độ cao. Nhưng sau khi hoàn thành việc đó, tôi tập trung hoàn toàn vào việc liệu thiết kế của mình có Bảng mạch in tốc độ cao bản mẫu nên sử dụng FR-4 hoặc một loại vật liệu chuyên dụng hơn. Trước khi đi vào những điều tôi đã học được, cần lưu ý rằng trong bài viết này, thuật ngữ “tốc độ cao” dùng để chỉ bất kỳ tần số nào trên 50 MHz. Đây là những điểm quan trọng về vật liệu mà bạn cần lưu ý khi làm việc trong dải tần số này.
Thiết kế tốc độ cao có các quy tắc nghiêm ngặt hơn về tính toàn vẹn tín hiệu so với các thiết kế khác. Mặc dù bạn phải hết sức cẩn thận khi định tuyến các tín hiệu tốc độ cao để tuân thủ các quy tắc này, nhưng điều quan trọng là phải hiểu rằng chính vật liệu bảng mạch cũng là một phần của phương trình tính toàn vẹn tín hiệu tổng thể. Do đó, vật liệu bảng mạch được sử dụng trong thiết kế tốc độ cao cần có các tính chất như hằng số điện môi được kiểm soát chặt chẽ để giúp kiểm soát trở kháng. Nếu trở kháng được phép thay đổi trong thiết kế, tín hiệu tốc độ cao sẽ bắt đầu phản xạ năng lượng trở lại khi di chuyển qua các đường dẫn, và tín hiệu sẽ bị biến dạng. Tương tự như vậy, hệ số tiêu tán thấp là cần thiết để giúp duy trì tính toàn vẹn tín hiệu. Cuối cùng, độ ổn định nhiệt là một tính chất quan trọng khác, vì nó giúp đảm bảo hiệu suất điện môi không bị suy giảm.
FR-4: Ưu điểm và nhược điểm
Từ khi tôi bắt đầu thiết kế bảng mạch in, FR-4 luôn là vật liệu tiêu chuẩn trong sản xuất PCB. Hồi tôi còn là một nhà thiết kế mới vào nghề, chúng tôi thậm chí còn gọi tất cả các bảng mạch là “FR-4”, bất kể chúng có thực sự được làm từ vật liệu này hay không. FR-4 là loại laminate epoxy gia cố sợi thủy tinh chống cháy loại 4. Đây là vật liệu rất tiết kiệm chi phí. Nó cũng là chất cách điện rất tốt và rất bền trong cả điều kiện khô và ẩm ướt. Nó cũng có hiệu suất chế tạo tốt, khiến nó trở thành vật liệu rất tốt để chế tạo PCB.
Nhược điểm của FR-4 là vật liệu này có giới hạn khi công suất, điện áp hoặc nhiệt độ tăng quá cao. Nếu bị đẩy vượt quá giới hạn hoạt động, hiệu suất điện môi của FR-4 sẽ giảm sút. Điều này có nghĩa là khả năng cách điện của vật liệu sẽ suy giảm, và nó sẽ bắt đầu dẫn điện. Một vấn đề khác với FR-4 là việc duy trì trở kháng ổn định trong thiết kế tốc độ cao. Điều này là do hằng số điện môi của FR-4 có thể thay đổi theo chiều dài và chiều rộng của bảng mạch. Ngoài ra, khi tốc độ thiết kế tăng lên, tổn thất tín hiệu có thể chấp nhận được trong các thiết kế không tốc độ cao có thể trở nên quá cao trên các bảng mạch FR-4.
Vật liệu bảng mạch chuyên dụng tốc độ cao so với FR-4
Các loại vật liệu đặc biệt dùng cho bảng mạch tốc độ cao, chẳng hạn như hydrocacbon nhiệt rắn và Tấm ghép PTFE, có thể mang lại hiệu suất tốt hơn và đáng tin cậy hơn so với FR-4 trong các thiết kế hoạt động ở tần số cao hơn. Chúng ta sẽ phân tích các điểm mạnh và hạn chế sau, nhưng trước tiên hãy cùng xem xét một số lợi ích mà các vật liệu bảng mạch tốc độ cao này có thể mang lại:
- Mất tín hiệu ít hơn. Khi tần số đường truyền tăng lên, hiện tượng suy hao tín hiệu trở thành một vấn đề nghiêm trọng hơn. Các vật liệu dùng trong thiết kế bảng mạch tốc độ cao có hệ số tiêu tán thấp hơn nhiều so với FR-4, và một số vật liệu, chẳng hạn như các loại laminate PTFE gần như tinh khiết, có hiệu suất cao hơn gấp nhiều lần. Những hệ số tiêu tán thấp này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu suy hao tín hiệu.
- Kiểm soát trở kháng chặt chẽ hơn. Các vật liệu PCB truyền thống, chẳng hạn như FR-4, không thể kiểm soát hằng số điện môi (Dk) tốt bằng các vật liệu dùng cho bảng mạch tốc độ cao. Giá trị Dk của FR-4 có thể dao động trong khoảng +/- 10% hoặc hơn, trong khi các vật liệu như PTFE duy trì độ dung sai Dk ở mức +/- 2% hoặc tốt hơn.
- Quản lý nhiệt tốt hơn. Một số vật liệu làm bảng mạch tốc độ cao, chẳng hạn như tấm laminate hydrocacbon nhiệt rắn, có độ dẫn nhiệt tốt hơn nhiều so với FR-4. Nếu thiết kế của bạn có những vấn đề liên quan đến quản lý nhiệt, đây chính là những vật liệu làm bảng mạch đáng để xem xét.
- Khả năng hút ẩm thấp hơn. Nước có tính chất điện môi, và ngay cả một lượng nhỏ hơi ẩm thấm vào bảng mạch in (PCB) có mạch tần số cao cũng có thể làm thay đổi hiệu suất điện của các mạch đó. Trong khi FR-4 có tỷ lệ hấp thụ độ ẩm gần 50%, một số vật liệu PTFE có tỷ lệ này chỉ ở mức 2%, do đó vấn đề này cần được xem xét.
- Độ ổn định kích thước cao hơn. Đối với các thiết kế mạch in mật độ cao, tốc độ cao và có dung sai chặt chẽ, yêu cầu về độ ổn định kích thước trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Mặc dù FR-4 được biết đến với độ ổn định kích thước, nhưng vật liệu này lại không mang lại những lợi ích khác mà các vật liệu tốc độ cao cung cấp. Trong trường hợp này, các loại vật liệu composite hydrocacbon nhiệt rắn có thể là lựa chọn phù hợp hơn.
