Что делает TFA294 альтернативой для аэрокосмической промышленности иностранным высокочастотным ламинатам

Что произойдет, если удалить паяльную маску, шелкографию и даже стеклоткань с подложки? Вы получаете плату, созданную только для одной цели: чистая, предсказуемая работа на высоких частотах.

Сегодня я рассматриваю двухслойную жесткую печатную плату на основе TFA294 — композита из ПТФЭ и керамики из серии TFA. Это не стандартный RF-ламинат. Он не содержит стеклоткани, минимизирует анизотропию и обеспечивает коэффициент рассеяния всего 0,0010 на частоте 10 ГГц. Позвольте мне рассказать вам о дизайне.

Обзор печатной платы: простая структура, серьезные намерения

Размеры платы 97,53 на 100,28 мм. Готовая толщина составляет 1,1 мм, с 1 унцией меди на обоих внешних слоях (приблизительно 35 мкм). Минимальная ширина дорожки составляет 4 мила с расстоянием между ними 6 милов, а наименьший размер просверленного отверстия составляет 0,35 мм. Слепых переходов нет. Толщина покрытия составляет 20 мкм, и каждая плата перед отправкой проходит 100% электрические испытания.

Отделка поверхности — Immersion Gold — прочный и надежный выбор для радиочастотных работ.

Как и в некоторых других конструкциях, которые я недавно рассмотрел, на этой плате нет ни паяльной маски, ни шелкографии с обеих сторон. Это становится знакомой темой для высокопроизводительных радиочастотных плат: убрать переменные, устранить неопределенность.

TFA294: другой вид ламината из ПТФЭ

Теперь позвольте мне сосредоточиться на материале, поскольку TFA294 действительно отличается от большинства ламинатов на основе ПТФЭ, представленных на рынке.

В серии TFA используется диэлектрический слой, состоящий из ПТФЭ-смолы и керамики. Но вот ключевое отличие: он не содержит ткани из стекловолокна. Традиционные ламинаты из ПТФЭ, такие как RT/duroid, армированы тканым стекловолокном. Армирование стекла делает две вещи: оно увеличивает механическую прочность, но также вносит микроскопические неоднородности. Когда электромагнитные волны распространяются по стеклянным волокнам, они рассеиваются и искажаются. Эффект невелик, но на более высоких частотах и ​​в чувствительных приложениях он имеет значение.

TFA полностью исключает использование стекловолокна. Вместо этого компания использует новый процесс создания листов препрега с равномерно распределенной нанокерамикой. В результате получается материал с минимальной анизотропией X/Y/Z. Электрические свойства одинаковы во всех направлениях. Нет эффекта переплетения стекловолокна. Никаких неожиданных вариаций.

Электрические характеристики: низкие потери, стабильный Dk

Для TFA294 цифры впечатляют.

На частоте 10 ГГц диэлектрическая проницаемость (Dk) равна 2,94. На частоте 20 ГГц коэффициент рассеяния (Df) составляет всего 0,0010 – это исключительно низкий показатель. Даже на частоте 40 ГГц Df остается низким — 0,0012. Этот материал не будет поглощать ваш сигнал даже на частотах миллиметровых волн.

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (TCDK) составляет -5 ppm/°C в диапазоне от -55°C до 150°C. Это великолепно. Для сравнения, многие стандартные радиочастотные материалы имеют значения TCDK в диапазоне от -20 до -50 ppm/°C. TCDK, равный -5 ppm/°C, означает, что диэлектрическая проницаемость практически не меняется с температурой. Ваша антенна не будет существенно смещаться между холодным утром и жарким днем.

Термические и механические свойства

Тепловые и механические показатели одинаково стабильны.

Коэффициенты теплового расширения составляют 18 ppm/°C по осям X и Y и 32 ppm/°C по оси Z. Значения X/Y очень хорошо соответствуют меди – концентрация меди составляет примерно 17 частей на миллион/°C. Такое точное соответствие снижает нагрузку на металлизированные сквозные отверстия и площадки для поверхностного монтажа во время термоциклирования.

Теплопроводность составляет 0,59 Вт/м·К. Это примерно вдвое больше, чем у стандартного FR-4, что помогает снизить рассеиваемую мощность в усилителях или питающих сетях.

Поглощение влаги составляет всего 0,03 процента – крайне низкое значение. Материалы из ПТФЭ по своей природе гидрофобны, и керамическая загрузка этого не меняет. Эта плата будет поддерживать стабильную работу даже во влажной среде.

Класс воспламеняемости составляет UL 94-V0, что соответствует стандартным требованиям безопасности для большинства аэрокосмических и оборонных применений.

Почему стекловолокно не имеет значения

Я хочу уделить немного времени конструкции без стекла, потому что это действительно важно.

Традиционные ламинаты из ПТФЭ/керамики в качестве армирования используют ткань из стекловолокна. Стеклянные волокна имеют другую диэлектрическую проницаемость, чем смесь ПТФЭ-керамика. Когда электромагнитная волна распространяется по доске, она сталкивается с этими волокнами и рассеивается. Эффект называется «эффектом переплетения волокон» или «эффектом стеклянного переплетения». На более низких частотах оно незначительно. На микроволновых частотах и ​​выше это может вызвать изменения фазы по всей антенной решетке – катастрофа для антенн с фазированной решеткой.

Полностью удаляя стекловолокно, TFA294 устраняет эту проблему. Диэлектрическая проницаемость одинакова по всей плате. Каждая патч-антенна в фазированной решетке воспринимает одну и ту же электрическую среду. Фазовая согласованность улучшается. Формирование луча становится более точным.

Сочетание сверхнизких потерь, стабильного Dk в зависимости от температуры, КТР, согласованного с медью, и конструкции без стекла делает этот материал подходящим для применений, где отказ невозможен: космическое оборудование, бортовые радары, спутниковая связь и навигационные системы.

Типичные применения

• Аэрокосмическое оборудование, космические системы, электроника салона и самолеты
• СВЧ-схемы, антенны и фазочувствительные антенны
• РЛС раннего предупреждения и бортовые радиолокационные системы
• Антенны с фазированной решеткой и сети формирования диаграммы направленности
• Оборудование спутниковой связи и навигации
• Усилители мощности

Несколько практических заметок

Прежде чем запустить эту конструкцию в производство, следует помнить о нескольких вещах.

Во-первых, как и все материалы на основе ПТФЭ, TFA294 требует специальной подготовки отверстий. Поверхность ПТФЭ химически инертна. Стандартные процессы очистки FR-4 не работают. Ваш производитель должен использовать плазменную обработку или обработку нафталином натрия перед меднением. Подтвердите эту возможность заранее.

Во-вторых, конструкция без маски означает, что медь полностью открыта. Иммерсионное золото обеспечивает защиту, но с платой следует обращаться осторожно. Чистые перчатки, герметичное хранение и тщательная сборка необходимы.

В-третьих, материал не содержит стеклоткани. Это преимущество для электрических характеристик, но это означает, что плата может быть немного менее жесткой, чем альтернативы, армированные стекловолокном, при той же толщине. При толщине 1,1 мм это вряд ли станет проблемой, но на это стоит обратить внимание при работе с очень большими панелями или в суровых условиях обращения.

Заключительные мысли

Эта двухслойная плата TFA294 представляет собой образец целенаправленного дизайна. Снимите маску. Снимите шелкографию. Удалите стекловолокно. Оставьте только то, что имеет значение: низкие потери, стабильный Dk, согласованный CTE и чистое распространение сигнала.

Является ли TFA294 прямой заменой традиционных материалов, таких как Rogers RT/duroid? Это зависит от ваших конкретных требований. Но для аэрокосмической, радиолокационной и спутниковой промышленности, где эффект переплетения стекла является серьезной проблемой, а температурная стабильность имеет решающее значение, этот материал заслуживает серьезного внимания.

Работали ли вы раньше с безстеклянными композитами ПТФЭ-керамика? Насколько они сравнимы с традиционными ламинатами, армированными тканью, в вашем применении?