Материалы компании Taconic для СВЧ и высокотемпературных печатных плат

Печатные платы для производства изделий радио­электроники, выполненные на основе таких традиционных материалов как гетинакс или стеклотекстолит, имеют весьма ограниченную возможность применения в СВЧ-диапазоне. Это объясняется физическими ограничениями, ужесточающимися с ростом рабочей частоты. Такие печатные платы могут использоваться только на частотах до единиц гигагерц. При дальнейшем росте частоты увеличение потерь приводит к искажению сигнала, появляются паразитные эффекты, вызванные активными и реактивными потерями. Актуальными рабочими частотами следует признать десятки гигагерц с переходом в диапазон 100 ГГц и выше.

Одной из важных тенденций развития современных микрополосковых СВЧ-устройств является обеспечение их функционала при меньших массогабаритных показателях, стабильных параметрах и характеристиках. Главным направлением этой тенденции является переход с традиционной двумерной компоновки элементов и конструкции однослойной печатной платы к трехмерной компоновке (многослойной печатной плате). Применение многослойной технологии позволяет повысить функциональную плотность СВЧ-устройств, обеспечив при этом меньшую стоимость, высокую надежность и хорошую воспроизводимость. Вместе с тем, многослойная структура предъявляет повышенные требования к таким свойствам диэлектрических базовых и межслойных материалов как теплопроводность и термомеханическая стабильность.

При проектировании СВЧ-устройств, в первую очередь, определяются требования к диэлектрической проницаемости и тангенсу угла потерь.

Основные параметры диэлектриков и требования

Диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение емкости конденсатора, диэлектриком которого является собственно материал, к емкости аналогичного воздушного конденсатора. Этот параметр, определяющий быстродействие, или задержку сигнала, в значительной мере зависит от внешних факторов — влажности, давления, температуры, частоты.

Тангенс угла потерь в диэлектриках определяется как отношение общих потерь в материале к произведению напряжения и тока в конденсаторе, диэлектриком которого является исследуемый материал. Потери в диэлектрике вызываются неоднородностями материала, включают в себя резонансные потери и потери на электропроводность и поляризацию диэлектрика.

Рис. 1. Зависимость диэлектрических потерь от частоты

Диэлектрические потери линейно возрастают с увеличением частоты, превышая затухание сигнала из-за потерь в металле на частотах выше 1 ГГц (рис. 1). Таким образом, для уменьшения диэлектрических потерь на частотах выше 1 ГГц выгодно использовать материалы с малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Сравнительная характеристика традиционно используемых материалов в СВЧ-диапазоне представлена в табл. 1.

Компания Taconic производит фольгированные СВЧ-заготовки для печатных плат из материалов на основе стеклоткани и полимера тетрафторэтилена (PTFE, или тефлон).

Тефлон был открыт в первой половине прошлого века благодаря спонтанной полимеризации газообразного тетрафторэтилена в белый порошок, похожий на парафин. Благодаря своим уникальным физико-химическим и конструктивным свойствам тефлон нашел широкое применение в ВЧ/СВЧ-технике и технологиях. Этот материал отличается очень высокой теплостойкостью, независимостью диэлектрической проницаемости от температуры и крайне низким уровнем диэлектрических потерь.

Стекловолокно и керамика, которая также входит в состав базовых материалов Taconic, улучшают механические свойства и увеличивают термостойкость. Материалы Taconic имеют уникально малую зависимость от влажности благодаря очень низкому уровню впитываемости влаги — менее 0,02%. Базовые материалы Taconic представлены в табл. 2.

Тефлоновые основания обладают важным преимуществом над другими СВЧ-материалами: малая диэлектрическая проницаемость подложки позволяет увеличить ширину микрополоскового проводника, уменьшив потери мощности принимаемого или передаваемого сигнала. Таким образом, технологически стало значительно проще изготавливать более широкие проводники.

На основе тефлона можно производить печатные платы с разным числом слоев толщиной 0,5–3,5 мм (стандартными являются значения толщины фольги 17,5; 35; 70 мкм), с ди­электрической проницаемостью 2,2–10,2 и малым значением тангенса угла потерь.

С ростом рабочей частоты начинает сказываться тип фольгирования. Разные по технологии и стоимости типы фольгирования дают конечный эффект, зачастую заметный даже визуально при соответствующем увеличении.

Высокотемпературные базовые материалы Taconic

Одним из основных применений фольгированных диэлектриков Taconic являются высокотемпературные применения. Армированный стеклотканью тефлон обладает стабильными механическими характеристиками в области постоянных рабочих температур свыше 200 °C. Высокотемпературные базовые материалы Taconic представлены в табл. 3.

Особенности исполнения многослойных печатных плат

Существуют две технологии изготовления многослойных печатных плат: гибридная и технология однородных слоев. В первом случае слои базовые фольгированные СВЧ-материалы чередуются с более дешевым материалом FR4 через композитные межслойные термопластичные материалы (препреги). Экономия в этом случае достигает 50% по сравнению со способом изготовления многослойных плат из однородных базовых СВЧ-материалов, но в ущерб частотным характеристикам устройства в целом.

Следует заметить, что тефлоны Taconic обладают стабильными частотными, температурными и механическими характеристиками во времени, что позволяет прогнозировать поведение материала при технологическом процессе и использовании.

Материалы практически не впитывают влагу, химически нейтральны и стойки к агрессивным средам, стабильно ведут себя при механической обработке (сверление, резка, фрезерование). Как высокотемпературные пластики печатные платы из тефлонов не боятся множественных перепаек и перегрева.

Малая смачиваемость тефлонов требует использования дополнительного этапа в техпроцессе, подготавливающего поверхность отверстий к металлизации. Необходимую информацию можно получить в подразделении «Технологические материалы и оборудование» компании «Радиант», которая является официальным партнером компании Taconic.