Сегодня я хочу рассказать о несколько необычной печатной плате. Что делает его необычным, так это не большое количество слоев или сложные производственные процессы — как раз наоборот. Это двухслойная плата без паяльной маски и шелкографии, однако она специально разработана для высокочастотных антенн.
Основной материал – этоWL-CT440, высокочастотный ламинат отечественного производства от Wangling. Если вы ищете альтернативу материалам Rogers или ПТФЭ, эта статья может дать вам несколько новых идей.
Обзор конструкции: минималистский, но не простой
Начнем с основных параметров. Плата имеет размеры 89х63,5 мм и имеет двухслойную конструкцию. Толщина готовой платы составляет 0,8 мм, а на внешних слоях — 1 унция или 35 мкм готовой меди. Минимальная ширина дорожки составляет 4 мила, а минимальный интервал — 6 милов. Наименьший размер отверстия составляет 0,2 мм, глухие переходы отсутствуют. Перед отправкой каждая плата проходит 100% электрические испытания.
Теперь позвольте мне выделить статистику. Плата содержит в общей сложности 37 компонентов и 49 площадок, включая 27 площадок со сквозными отверстиями и 22 площадок для поверхностного монтажа, все они расположены в верхнем слое — в нижнем слое площадки SMT не размещаются. Имеется 31 переходное отверстие и всего 2 цепи. Это типичная высокочастотная или антенная топология: простая по структуре, но требовательная к производительности.
Почему нет паяльной маски и шелкографии?
Самая отличительная особенность этой платы — полное отсутствие паяльной маски и шелкографии — ничего на верхнем слое и ничего на нижнем слое.
Паяльная маска обычно используется для предотвращения образования мостиков припоя и защиты медной поверхности. Но в высокочастотных приложениях он действительно может стать источником помех. Диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь паяльной маски отличаются от таковых у основного ламината, что может изменить импеданс микрополосковых линий, особенно на частотах выше 10 ГГц. Удаление паяльной маски означает более чистый путь сигнала и лучшую согласованность.
Отсутствие шелкографии столь же очевидно. Без паяльной маски адгезия шелкографии в любом случае становится проблематичной. А на антенной плате шелкография не дает никаких преимуществ при сборке, поэтому отказаться от нее - простое решение.
Это классический случай приоритета функциональности над формой — плате не обязательно выглядеть красиво, если электрические характеристики соответствуют требованиям.
Почему стоит выбрать WL-CT440?
WL-CT440 — это ламинат из органического полимера, керамики, стекловолокна, покрытый тканью и плакированный медью. Он принадлежит к семейству термореактивных смол. Диэлектрический слой состоит из углеводородной смолы, керамики и стеклоткани.
При частоте 10 ГГц и температуре 23°C он обеспечивает диэлектрическую проницаемость (Dk) 4,1 и коэффициент рассеяния (Df) 0,004. Что означают эти цифры? Низкие потери и умеренная диэлектрическая проницаемость — очень хорошо подходят для микроволновых и антенных применений.
Но наиболее привлекательной особенностью WL-CT440 являются не только его электрические характеристики. Это полная совместимость с производственными процессами FR-4. Любой, кто работал с материалами из ПТФЭ, знает, что ПТФЭ требует специальной подготовки отверстий, такой как плазменное травление или обработка нафталином натрия. Без них адгезия плакированной меди внутри отверстия будет недостаточной. WL-CT440, с другой стороны, можно обрабатывать, используя обычный рабочий процесс любого стандартного завода по производству печатных плат — сверление, очистку, химическое осаждение меди, перенос рисунка — и все это в одном бесшовном процессе. Это настоящее преимущество для мелкосерийного прототипирования и контроля затрат.
Термическая и механическая надежность
WL-CT440 имеет температуру стеклования (Tg), превышающую 280°C, что намного выше, чем у стандартного FR-4. Высокая Tg означает, что материал не будет легко размягчаться или деформироваться в условиях высокотемпературной эксплуатации.
Что касается коэффициента теплового расширения (КТР), то по оси X он составляет 14 частей на миллион/°C, а по оси Y — 18 частей на миллион/°C — оба показателя достаточно хорошо совпадают с медью, значение которой составляет примерно 17 частей на миллион/°C. КТР по оси Z составляет 35 ppm/°C. Для двухслойной платы без глухих переходов нагрузка на термическую надежность переходов изначально относительно невелика.
Теплопроводность оценивается в 0,66 Вт/м·К, что значительно выше, чем у FR-4, примерно 0,25 Вт/м·К. Это помогает с управлением мощностью. Влагопоглощение составляет 0,12 процента, что находится в пределах допустимого диапазона. Однако здесь следует быть осторожным: на этой плате нет паяльной маски. При использовании во влажной среде открытые медные поверхности могут подвергнуться риску коррозии. Это необходимо тщательно оценить для предполагаемого сценария применения.
Один параметр, заслуживающий особого внимания: TCDK
WL-CT440 имеет температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (TCDK) -21 ppm/°C. О чем нам говорит это число? При повышении температуры на каждый 1 градус диэлектрическая проницаемость уменьшается на 21 часть на миллион.
Для конструкции антенны TCDK является критическим параметром. Если Dk материала значительно меняется в зависимости от температуры, рабочая частота антенны будет дрейфовать — летние измерения будут отличаться от зимних измерений, а дневные характеристики могут отличаться от ночных. Значение TCDK WL-CT440 достаточно хорошее, обеспечивая стабильную работу антенны во всем температурном диапазоне.
Типичные применения
По словам производителя, WL-CT440 в основном используется в следующих областях:
Аэрокосмическое оборудование, кабинная электроника и авиационные системы. СВЧ-антенны и фазочувствительные антенны. РЛС раннего предупреждения и бортовые радиолокационные системы. Антенны с фазированной решеткой и диаграммообразующие сети. Оборудование спутниковой связи и навигации. Усилители мощности.
Производственный процесс и стандарты качества
Поставляемый формат графического изображения — Gerber RS-274-X, который может обрабатываться заводами по производству печатных плат по всему миру. Стандарт качества IPC-Class-2.
Поверхностная обработка – иммерсионное золото (ENIG). При отсутствии паяльной маски иммерсионное золото эффективно защищает медную поверхность от окисления, обеспечивая при этом хорошую паяемость.
Несколько моментов, которые следует иметь в виду
Данная конструкция платы имеет несколько аспектов, требующих особого внимания.
Во-первых, отсутствие паяльной маски означает, что медные поверхности полностью обнажены. Несмотря на защиту иммерсионным золотом, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать царапин и загрязнения во время сборки, тестирования и использования.
Во-вторых, здесь нет шелкографии. Размещение компонентов не может зависеть от контрольных меток, нанесенных шелкографией. Для ручной сборки вам придется полагаться на файлы координат подъемно-транспортного станка или сборочные приспособления.
В-третьих, с двумя слоями, 31 переходным отверстием и всего двумя цепями, эта топология предполагает некую форму антенной решетки или сети разделения мощности. Особое внимание следует уделять влиянию переходных отверстий на ВЧ-тракт, особенно на непрерывность обратного пути сигнала.
Заключительные мысли
Философия дизайна, лежащая в основе этой двухслойной платы WL-CT440, очень ясна: использовать материал, который можно обрабатывать традиционными технологиями производства, удалить второстепенные слои паяльной маски и шелкографии и распределить экономию средств на производительность и надежность.
Если вы разрабатываете антенны, радиолокационные интерфейсы или модули спутниковой связи и хотите избежать головной боли при обработке, связанной с материалами из ПТФЭ, WL-CT440 заслуживает серьезного рассмотрения. Конечно, проблемы защиты, возникающие при удалении паяльной маски, контроле однородности поверхности иммерсионного золота и калибровке расчетов импеданса — все это детали, которые необходимо обсудить с изготовителем печатной платы перед созданием прототипа.
Сталкивались ли вы с какими-либо проблемами при разработке подобных высокочастотных плат? Не стесняйтесь поделиться своим опытом.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!