Анализ влияния финишных покрытий на характеристики высокоскоростных устройств

Введение

Настоящая статья посвящена исследованию влияния различных ФП печатных плат (ПП) на характеристики СВЧ-структур на базе ПП, таких как микрополосковые фильтры, аттенюаторы, эквалайзеры и другие устройства. В качестве объекта исследований выбран микрополосковый ППФ, спроектированный для диапазона частот 1,5–2 ГГц [1].

ППФ реализован на двухслойной печатной плате на базе подложки RO4003C (фирмы Rogers Corp.), с толщиной 1,5 мм. Принимая во внимание высокие требования к параметрам фильтра, было решено провести исследование, целью которого является определение влияния ФП на характеристики изделия, тем более что накопленный авторами опыт применения различных типов покрытий показал, что тип ФП действительно оказывает существенное влияние на СВЧ-параметры изделий.

Общие теоретические сведения о применяемых ФП

Фирмы — производители ПП предлагают в основном четыре различных варианта ФП:

• иммерсионное золото;
• серебро;
• покрытие маской;
• ПОС‑63.

Согласно исследованиям, проведенным фирмой Rogers Corporation, для большинства видов ФП (рис. 1) потери, связанные с ФП, увеличиваются линейно в зависимости от частоты.

Рис. 1. Сравнение потерь для подложек с разными ФП:
1 — 0,508 мм медь;
2 — 0,508 мм никель/золото;
3 — 0,203 мм никель/золото;
4 — 0,508 мм медь

Исключения составляют ФП, у которых используется иммерсионное золото, — там наблюдается экспоненциальная зависимость [2]. Так, на частоте 25 ГГц потери линии передачи с финишным покрытием никель/иммерсионное золото превысят потери на линии передачи без покрытия уже на 0,8 дБ. Согласно исследованиям Rogers Corporation, наименьшие потери в широком диапазоне (до 40 ГГц) вносит покрытие иммерсионным серебром (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение потерь для подложки 0,127 мм с разными ФП:
1 — органическое покрытие;
2 — «голая» медь;
3 — серебро,
4 — маска;
5 — олово;
6 — никель/золото,
7 — никель/золото/палладий

Необходимо также помнить, что медь и серебро, не покрытые маской или иным защитным покрытием, будут окисляться. И если для серебра это относительно длительный процесс, то медь способна окислиться за несколько часов. Негативные эффекты в обоих случаях различаются. Окисленное серебро не теряет своих радиочастотных свойств, однако монтаж такого изделия из-за пленки окисла будет невозможен. Параметры же окислившейся СВЧ-структуры на базе открытой меди будут деградировать непредвиденным образом.

Моделирование и изготовление ППФ

Моделирование и расчет ППФ выполнялись в ряде широко применяемых программных пакетов, предназначенных для моделирования электромагнитных (ЭМ) структур.

Базовым расчетным методом в таких программных пакетах обычно служит метод пространственной дискретизации, в котором пространство задачи разбивается на дискретные ячейки (сетку). При этом в решающем устройстве реализуется метод конечных разностей во временной области как частный случай метода конечного интегрирования. Очень важная особенность решения во временной области — пропорциональная зависимость требуемых вычислительных ресурсов от размеров структуры. В настоящее время на современном персональном компьютере с помощью метода конечных разностей во временной области можно выполнить расчет структур размером примерно до 15 длин волн.

Использованные программные пакеты позволяют применять различные алгоритмы расчета при моделировании, каждый из которых наиболее оптимально выполняет такие задачи, как, например, расчет S‑параметров фильтра или анализ переходных процессов в цепи. Также возможна поддержка 3D-визуализации результатов (рис. 3).

Рис. 3. Распределение E компоненты ЭМ-поля в резонаторах

При моделировании и в дальнейшем при изготовлении были использованы следующие материалы: подложка толщиной 1,524 мм из RO4003C; у модели ППФ финишное покрытие отсутствовало.

Реализованная топология ППФ представляется единственной позволяющей добиться требуемых от фильтра прямоугольности и потерь в ПП [3]. Следует отметить, что модели фильтров с применением других топологий, таких как Hairpin или гребенчатый фильтр, также позволяют достичь нужных параметров, однако технологические размеры при изготовлении таких микрополосковых структур для указанной подложки представляются авторам проблематичными (максимальная ширина проводника составляет 20–50 мкм).

Характер различий в коэффициенте передачи (КП) у изготовленных изделий (рис. 4) в целом соответствует теоретическим зависимостям, описанным в [3].

Рис. 4. ППФ с различным ФП (слева направо: маска, золото, серебро)

На рис. 5 видно, что использование финишного покрытия «иммерсионное золото» приводит к заметному искажению полосы пропускания. Объяснить это можно, по всей видимости, тем, что финишное покрытие нарушает оптимизированные в модели связи между резонаторами фильтра.

Рис. 5. Сравнение КП ППФ с различными ФП и КП модели

Заключение

В результате проведенных исследований удалось подтвердить ожидаемый характер зависимости КП СВЧ-устройств от типа финишного покрытия. При этом опыт показал, что при использовании наиболее часто применяемых в СВЧ-приборостроении материалов подложки, таких как в данном случае RO4003C, можно ожидать, что по ряду причин реальное ухудшение КП может быть больше, нежели то, что описано в [2]. Различие КП модели и изготовленного изделия может достигать уже 1 дБ на частотах 1–2 ГГц. Полученный опыт позволил учесть потери на ФП для множества других устройств, разработанных авторами.

В дальнейшем планируется выполнить аналогичные эксперименты для СВЧ-структур на базе печатных плат, которые используются в более высокочастотных схемах, вплоть до 40–50 ГГц.