Τι κάνει το TFA294 μια εναλλακτική λύση αεροδιαστημικής ποιότητας στα ξένα πολυστρωματικά υλικά υψηλής συχνότητας

Τι συμβαίνει όταν αφαιρείτε τη μάσκα συγκόλλησης, αφαιρείτε τη μεταξοτυπία και ακόμη και αφαιρείτε το πανί από ίνες γυαλιού από το υπόστρωμα; Παίρνετε μια πλακέτα που είναι κατασκευασμένη για ένα μόνο πράγμα: καθαρή, προβλέψιμη, απόδοση υψηλής συχνότητας.

Σήμερα κοιτάζω ένα άκαμπτο PCB δύο στρωμάτων που βασίζεται σε TFA294 – ένα σύνθετο PTFE-κεραμικό από τη σειρά TFA. Αυτό δεν είναι το τυπικό σας laminate RF. Δεν περιέχει ύφασμα από ίνες γυαλιού, ελαχιστοποιεί την ανισοτροπία και παρέχει συντελεστή διάχυσης μόλις 0,0010 στα 10 GHz. Επιτρέψτε μου να σας καθοδηγήσω στο σχέδιο.

Επισκόπηση PCB: Απλή δομή, σοβαρή πρόθεση

Η πλακέτα έχει διαστάσεις 97,53 mm επί 100,28 mm. Το τελικό πάχος είναι 1,1 mm, με 1 oz χαλκού και στα δύο εξωτερικά στρώματα (περίπου 35 μm). Το ελάχιστο πλάτος ίχνους είναι 4 mils με απόσταση 6 mils και το μικρότερο μέγεθος οπής είναι 0,35mm. Δεν υπάρχουν τυφλές διόδους. Το πάχος της επιμετάλλωσης είναι 20μm και κάθε σανίδα υποβάλλεται σε 100% ηλεκτρική δοκιμή πριν από την αποστολή.

Το φινίρισμα της επιφάνειας είναι Immersion Gold – μια σταθερή, αξιόπιστη επιλογή για εργασίες RF.

Όπως πολλά σχέδια που έχω καλύψει πρόσφατα, αυτή η σανίδα δεν έχει μάσκα συγκόλλησης και μεταξοτυπία και στις δύο πλευρές. Αυτό γίνεται ένα οικείο θέμα για τις πλακέτες RF υψηλής απόδοσης: αφαιρέστε τις μεταβλητές, αφαιρέστε την αβεβαιότητα.

TFA294: Ένα διαφορετικό είδος PTFE Laminate

Τώρα επιτρέψτε μου να επικεντρωθώ στο υλικό, επειδή το TFA294 είναι πραγματικά διαφορετικό από τα περισσότερα πολυστρωματικά υλικά της αγοράς με βάση το PTFE.

Η σειρά TFA χρησιμοποιεί ένα διηλεκτρικό στρώμα που αποτελείται από ρητίνη PTFE και κεραμικά. Αλλά εδώ είναι η βασική διαφορά: δεν περιέχει ύφασμα από ίνες γυαλιού. Τα παραδοσιακά ελάσματα PTFE όπως το RT/duroid είναι ενισχυμένα με υφαντό υαλοβάμβακα. Αυτή η ενίσχυση γυαλιού κάνει δύο πράγματα – προσθέτει μηχανική αντοχή, αλλά εισάγει επίσης μικροσκοπικές ανομοιογένειες. Όταν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται μέσω των ινών γυαλιού, διασκορπίζονται και παραμορφώνονται. Το αποτέλεσμα είναι μικρό, αλλά σε υψηλότερες συχνότητες και σε ευαίσθητες εφαρμογές, έχει σημασία.

Το TFA εξαλείφει πλήρως τις ίνες γυαλιού. Αντίθετα, χρησιμοποιεί μια νέα διαδικασία για τη δημιουργία φύλλων προεμποτισμού με ομοιόμορφα διασκορπισμένα νανοκεραμικά. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό με ελάχιστη ανισοτροπία Χ/Υ/Ζ. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες είναι ίδιες προς κάθε κατεύθυνση. Χωρίς εφέ ύφανσης από υαλοβάμβακα. Χωρίς απροσδόκητες παραλλαγές.

Ηλεκτρική Απόδοση: Χαμηλή Απώλεια, Σταθερή Dk

Για το TFA294, τα νούμερα είναι εντυπωσιακά.

Στα 10 GHz, η διηλεκτρική σταθερά (Dk) είναι 2,94. Στα 20 GHz, ο συντελεστής διάχυσης (Df) είναι μόλις 0,0010 – δηλαδή εξαιρετικά χαμηλός. Ακόμη και στα 40 GHz, το Df παραμένει χαμηλό στα 0,0012. Αυτό το υλικό δεν θα τρώει το σήμα σας, ακόμη και σε συχνότητες κυμάτων χιλιοστών.

Ο συντελεστής θερμοκρασίας της διηλεκτρικής σταθεράς (TCDK) είναι -5 ppm/°C στην περιοχή από -55°C έως 150°C. Αυτό είναι εξαιρετικό. Για σύγκριση, πολλά τυπικά υλικά RF έχουν τιμές TCDK στην περιοχή από -20 έως -50 ppm/°C. TCDK -5 ppm/°C σημαίνει ότι η διηλεκτρική σταθερά μόλις και μετά βίας κινείται με τη θερμοκρασία. Η κεραία σας δεν θα μετακινηθεί σημαντικά μεταξύ ενός κρύου πρωινού και ενός ζεστού απογεύματος.

Θερμικές και Μηχανικές Ιδιότητες

Οι θερμικοί και οι μηχανικοί αριθμοί είναι εξίσου συμπαγείς.

Οι συντελεστές θερμικής διαστολής είναι 18 ppm/°C και στους δύο άξονες X και Y και 32 ppm/°C στον άξονα Z. Οι τιμές X/Y ταιριάζουν πολύ καλά με τον χαλκό – ο χαλκός βρίσκεται περίπου στα 17 ppm/°C. Αυτή η στενή αντιστοίχιση μειώνει την πίεση στις επιμεταλλωμένες διαμπερείς οπές και τα μαξιλαράκια επιφανειακής στήριξης κατά τη διάρκεια της θερμικής ανακύκλωσης.

Η θερμική αγωγιμότητα είναι 0,59 W/m·K. Αυτό είναι περίπου διπλάσιο από αυτό του τυπικού FR-4, βοηθώντας στη διαρροή ισχύος σε εφαρμογές ενισχυτών ή δικτύων τροφοδοσίας.

Η απορρόφηση υγρασίας είναι μόλις 0,03 τοις εκατό – εξαιρετικά χαμηλή. Τα υλικά PTFE είναι φυσικά υδρόφοβα και η κεραμική φόρτωση δεν το αλλάζει αυτό. Αυτή η πλακέτα θα διατηρήσει σταθερή απόδοση ακόμα και σε υγρά περιβάλλοντα.

Η βαθμολογία ευφλεκτότητας είναι UL 94-V0, πληρώντας τις τυπικές απαιτήσεις ασφάλειας για τις περισσότερες εφαρμογές αεροδιαστημικής και άμυνας.

Γιατί καμία ίνα γυαλιού δεν έχει σημασία

Θέλω να περάσω μια στιγμή στην κατασκευή χωρίς γυαλί γιατί είναι πραγματικά σημαντική.

Τα παραδοσιακά PTFE/κεραμικά ελάσματα χρησιμοποιούν ύφασμα από ίνες γυαλιού ως ενίσχυση. Οι ίνες γυαλιού έχουν διαφορετική διηλεκτρική σταθερά από το μίγμα PTFE-κεραμικού. Καθώς ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ταξιδεύει σε όλη την επιφάνεια, συναντά αυτές τις ίνες και διασκορπίζεται. Το αποτέλεσμα ονομάζεται «φαινόμενο ύφανσης ινών» ή «φαινόμενο ύφανσης γυαλιού». Σε χαμηλότερες συχνότητες, είναι αμελητέα. Σε συχνότητες μικροκυμάτων και πάνω, μπορεί να προκαλέσει διακυμάνσεις φάσης σε μια συστοιχία - μια καταστροφή για τις κεραίες συστοιχίας φάσης.

Αφαιρώντας πλήρως τις ίνες γυαλιού, το TFA294 εξαλείφει αυτό το πρόβλημα. Η διηλεκτρική σταθερά είναι ομοιόμορφη σε ολόκληρο τον πίνακα. Κάθε κεραία patch σε μια συστοιχία φάσεων βλέπει το ίδιο ηλεκτρικό περιβάλλον. Η συνοχή της φάσης βελτιώνεται. Η διαμόρφωση δέσμης γίνεται πιο ακριβής.

Ο συνδυασμός εξαιρετικά χαμηλών απωλειών, σταθερής Dk σε όλη τη θερμοκρασία, αντιστοίχισης CTE με χαλκό και κατασκευή χωρίς γυαλί καθιστά αυτό το υλικό κατάλληλο για εφαρμογές όπου η αστοχία δεν αποτελεί επιλογή: διαστημικός εξοπλισμός, αερομεταφερόμενο ραντάρ, δορυφορικές επικοινωνίες και συστήματα πλοήγησης.

Τυπικές Εφαρμογές

• Αεροδιαστημικός εξοπλισμός, διαστημικά συστήματα, ηλεκτρονικά καμπίνας και αεροσκάφη
• Κυκλώματα μικροκυμάτων, κεραίες και κεραίες ευαίσθητες στη φάση
• Ραντάρ έγκαιρης προειδοποίησης και αερομεταφερόμενα συστήματα ραντάρ
• Κεραίες φάσεων και δίκτυα διαμόρφωσης δέσμης
• Εξοπλισμός δορυφορικών επικοινωνιών και πλοήγησης
• Ενισχυτές ισχύος

Μερικές Πρακτικές Σημειώσεις

Πριν ξεκινήσετε την παραγωγή αυτού του σχεδίου, υπάρχουν μερικά πράγματα που πρέπει να έχετε κατά νου.

Πρώτον, όπως όλα τα υλικά που βασίζονται σε PTFE, το TFA294 απαιτεί ειδική προετοιμασία οπών. Η επιφάνεια PTFE είναι χημικά αδρανής. Οι τυπικές διαδικασίες αφαλάτωσης FR-4 δεν θα λειτουργήσουν. Ο κατασκευαστής σας πρέπει να χρησιμοποιήσει επεξεργασία με ναφθαλίνη πλάσματος ή νατρίου πριν από την επιχάλκωση. Επιβεβαιώστε αυτή τη δυνατότητα εκ των προτέρων.

Δεύτερον, ο σχεδιασμός χωρίς μάσκα σημαίνει ότι ο χαλκός είναι πλήρως εκτεθειμένος. Ο χρυσός εμβάπτισης παρέχει προστασία, αλλά ο χειρισμός της σανίδας πρέπει να γίνεται με προσοχή. Τα καθαρά γάντια, η σφραγισμένη αποθήκευση και η προσεκτική συναρμολόγηση είναι απαραίτητα.

Τρίτον, το υλικό δεν περιέχει ύφασμα από ίνες γυαλιού. Αυτό είναι ένα πλεονέκτημα για την ηλεκτρική απόδοση, αλλά σημαίνει ότι η πλακέτα μπορεί να είναι ελαφρώς λιγότερο άκαμπτη από τις εναλλακτικές λύσεις ενισχυμένες με γυαλί στο ίδιο πάχος. Σε πάχος 1,1 mm, αυτό είναι απίθανο να είναι πρόβλημα, αλλά αξίζει να σημειωθεί για πολύ μεγάλα πάνελ ή σκληρές συνθήκες χειρισμού.

Τελικές Σκέψεις

Αυτή η πλακέτα TFA294 δύο επιπέδων είναι μια μελέτη σε σκόπιμη σχεδίαση. Αφαιρέστε τη μάσκα. Αφαιρέστε τη μεταξοτυπία. Αφαιρέστε τις ίνες γυαλιού. Διατηρήστε μόνο ό,τι έχει σημασία: χαμηλή απώλεια, σταθερό Dk, ταιριαστό CTE και καθαρή μετάδοση σήματος.

Είναι το TFA294 μια άμεση αντικατάσταση για καθιερωμένα υλικά όπως το Rogers RT/duroid; Αυτό εξαρτάται από τις συγκεκριμένες απαιτήσεις σας. Αλλά για εφαρμογές αεροδιαστημικής, ραντάρ και δορυφόρου όπου το φαινόμενο της ύφανσης του γυαλιού αποτελεί πραγματική ανησυχία και η σταθερότητα της θερμοκρασίας είναι κρίσιμη, αυτό το υλικό αξίζει σοβαρής προσοχής.

Έχετε δουλέψει με σύνθετα PTFE-κεραμικά χωρίς γυαλί στο παρελθόν; Πώς συγκρίθηκαν με τα παραδοσιακά ενισχυμένα με υφαντά ελάσματα στην εφαρμογή σας;