מכשירים אלקטורנים העובדים בתדר גבוה היום מתפתחים בקצב מסחרר ובמיוחד בתחום התקשורת האלחוטית. לכן, בפיתוח מוצרים חדשים, ניתן דגש לשימוש בחומרים המתאימים לעבודה בתדרים גבוהים, מעל 1GHz.
בבחירת חומרים לייצור מעגלים מודפסים המותאמים לעבודה בתדרים גבוהים יש חשיבות למספר מאפיינים:
- Dk Dielectric Constant – מקדם דיאלקטרי של השרף. פרמטר זה חייב להיות נמוך ויציב בטווח רחב של תדרים גבוהים. ערכי Dk גבוהים עלולים להאט את מהירות העברת האות
- Df Dissipation Factor – פרמטר האחראי על איכות האות. ערך Df צריך להיות נמוך. ככל שערך זה יהיה נמוך יותר כך האות יהיה יציב יותר וההפסדים מופחתים.
- ספיגת לחות – פרמטר נוסף החשוב מאוד בבחירה חומרים לתדרים הגבוהים. נתון זה חשוב כיוון שה Dk של מים הוא Dk;water=80.4, ערך גבוה מאוד עד כדי כך שספיגת כמויות קטנות ביותר של לחות יגרמו לעליה משמעותי ב Dk הכולל של החומר.
- CTE (Coefficient Thermal Expansion)- פרמטר התפשטות ממדית תרמית של החומר הדיאלקטרי. פרמטר זה חייב להיות קרוב ל- CTE של המתכת המוליכה, במקרה של מעגלים מודפסים זו נחושת. עבודה בתדרים גבוהים גורמת לחימום מוגבר של המעגל המודפס ולכן אם תהיה אי-התאמה משמעותית בין CTE של החומר דיאלקטרי ושל הנחושת, תיתכן הפרדה ( delamination ) במבנה בהפעלת מחזורי חימום/קירור.
- מאפיינים חשובים נוספים כגון:
- עמידות תרמית
- עמידות כימית
- חוזק הדבקה בין נחושת לחומר הדיאלקטרי
באופן מסורתי, מעגלים לתדרים גבוהים מתוכננים או מיוצרים עם חומרים על בסיס Polyfluortetraethylene (PTFE) הידוע יותר בשמו המסחרי Teflon®. למעשה, כיום, יש מגוון רחב מאוד של חומרים שונים המבוססים על שרף glass epoxy היכולים להתאים לייצור מעגלים מודפסים לתחומים שונים של עבודה בתדרים גבוהים.
אחת מהשיטות הנפוצות לשיפור ביצועים של חומרים לא מבוססי Teflon® (ולמעשה גם ב Teflon®) בתדר גבוה היא בחירה בסוג נחושת מתאים, הכוונה לפרופיל החספוס.
בעבודה בתדרים גבוהים אחת התופעות המשפיעות והחשובות ביותר לאיכות העברת האות הינה תופעה הקרויה Skin Effect, אפקט מעטפת. עם הגדלת התדר, השדה אלקטרומגנטי הנוצר כתוצאה מהולכת האלקטרונים במתכת המוליכה, משפיע על תנועת הזרם החשמלי במוליך ו”דוחף” אותו קרוב למעטפת החיצונית.
תופעת ה Skin Effect מעצימה את ההתנגדות (Impedance) וגורמת לאיבודי הולכה מוגברים ולהאטת מעבר של האות. עם הגדלת תדר קטן ה- Skin Depth (עובי המעטפת).
Figure 1:”skin effect” and typical values
על מנת לצמצם את ה Skin Effect בייצור למינה CCL (Copper Clad Laminate) לשימוש בתדרים גבוהים משתמשים בנחושת עם Low Profile Copper ב Bonding Side- הצד הסמוך לשרף הדיאלקטרי .
Figure 2: Copper roughness and “skin effect”
שלושת הסוגים העיקרים של נחושת בהם נעשה שימוש בייצור CCL הם: Standard, Low Profile, Very Low Profile.
לשיפור הביצועים עדיף להשתמש בנחושת Low Profile עם גודל שיניים (חספוס) פחות מ5 מיקרון.
אולם, שימוש ברדיד נחושת מסוג זה בשילוב עם חומר טפלון הידוע כבעל חוזק הדבקה נמוך, יש לקחת בחשבון כי הסיכוי להיפרדות בין הנחושת לטפלון בתהליכי ייצור השונים וטרמו שוקים, גבוה מאוד. דווקא בנקודה זו חומרים טרמוסטים (glass epoxy לדוגמה) בעלי חוזק הדבקה גבוה לנחושת מקבלים יתרון ביחס לטפלון.
Figure 3: Copper roughness
בנוסף לסוג נחושת, הכוונה לאופיין החספוס, קיים פרמטר התורם אף הוא, ליציבות העברת האות במעגל מודפס. הבסיס הדיאלקטרי של CCL מציג מבנה לא הומוגני ואנ-איזוטרופי מבחינת ערכי Dk.
ככלל, ערכי ה Dk עבור שרף ועבור סיב זכוכית אינם זהים Dk resin < Dk glass fibers.
Figure 4: Different Glass fibers types
מוליך שיעבור מעל צרור סיבים (1) ומוליך שיעבור מעל אזור הרווי בשרף (2) יציגו Dk שונה.
הפתרון המוצע לתופעה זו הינו שימוש באריג זכוכית הומוגני יותר לדוגמה 2116 או 3113 במקום 1080 או 106 או שימוש בסיבי זכוכית פחוסים Spread Glass המאפשר לייצר מבנה חומר דיאלקטרי הומוגני יותר.
Figure 4: Different Glass fibers types
מטבע הדברים, שרף ה Teflon® תופס מקום נכבד במגוון רחב מאוד של חומרי גלם לייצור מעגלים מודפסים.
כיום לחברות שונות המייצרות CCL על בסיס Teflon® יש מגוון פתרונות לשיפור הביצועים האלקטרונים של חומרים, לדוגמה: שיפור היציבות הממדית על ידי שימוש באריגים של סיבי זכוכית או חומרי הקשחה אחרים, שימוש במלאנים קרמיים לשליטה בערכי Dk או Df.
יתרון נוסף לשימוש בטפלון היא העבודה שלטפלון ספיגת לחות נמוכה מאוד ועמידות גבוה בסביבת עבודה אגרסיבית.
מאידך, לטפלון יש גם חסרונות משמעותיים בתהליכי היצור של מעגלים מודפסים: עלות גבוהה, חוזק הדבקה לנחושת נמוך, קושי משמעותי בהכנת פני שטח לציפוי נחושת בקדחים ו/או לכבישה (Lamination) עם חומרים האחרים. ברוב המקרים שימוש בCCL על בסיס טפלון דורש מיצרן מעגלים מודפסים שימוש בריבוי תהליכים יקרים, מסובכים ואגרסיביים, אשר מטבע הדברים מייקרים את עלות המוצר הסופי וגם משפיעה לתנובה של הייצור מעגלים על בסיס טפלון.
בתדרי עבודה מעל 10GHz לחומרי גלם מבוססי טפלון יש מעט מאוד מתחרים, יחד עם זאת בטווח תדרים של
1-5 GHz קיים מגוון רחב של חומרים חלופיים על בסיס glass epoxy, PPO (Polyphenylene Oxide) אוPPE (Polyphenylene Ether) ותערובות פולימרים שונים.
כיום קיימות בשוק חברות רבות המייצרות CCL לתחום תדרים גבוהים. עבור למינות על בסיס טפלון יש מספר חברות המובילות:
- Rogers עם סדרת חומרים RO3000, RT/Duroid, AD and CuClad Seriesוכמה סוגים הנוספים.
- AGC (Taconic) עם סדרה חומרים RF, TLC, TLY ואחרים.
- Ventec עם סדרת חומרים Tec-Speed 30.0 (חומר יחיסת חדש בשוק).
להלן מספר נתונים טכניים לחומרים מסוג PTFE :
עבור למינות על בסיס חמרי שאינם טפלון יש גם כמה חברות בשוק כאשר מובילות מתוכם הינן Isola ו- Ventec:
- Isola עם חומרים מסוג I-Tera MT40, Astra MT77, Tachyon 100G
- Ventec עם סדרת חומרים Tec-Speed
להלן מספר נתונים טכניים לחומרים שאינם טפלון :
בנוסף לחומרים קשיחים, עבור ייצור מעגלים גמישים/קשיחים לשימוש בתדר גבוה משתמשים בחומרים גמישים מיוחדים. למעשה בתחום של חומרים גמישים לתדר גבוה, נכון להיום, מבחר החומרים צנוע ביחס לחומרים הקשיחים. כיום, רק שתי חברות מספקות חומר גמיש לשימוש בתדר גבוה: DuPont עם חומר Pyralux TK וחברת Thinflex עם חומר Thinflex LK.
חומר Pyralux TK הינו חומר Adhesive המשתמש בדבק על בסיס טפלון להדבקה בין הבסיס הגמיש, פוליאימיד
( Kapton®) ונחושת. כתוצאה משימוש בדבק על בסיס טפלון, חומר גמיש זה מאופיין עם יתרונות וחסרונות הדומים לחומרים קשיחים על בסיס טפלון.
חומר Thinflex LK הינו חומר Adhesive Less הבנוי משכבת בסיס פוליאימיד ורדיד נחושת משני הצדדים. תהליכי ייצור מעגלים מודפסים עם שכבה Thinflex LK זהים לתהליך ייצור עם חומרים גמישים הסטנדרטיים.
להלן מספר נתונים טכניים המאפיינים Pyralux TK ו- Thinflex LK :
לסיכום,
החומרים המתאימים ביותר לתהליכי ייצור קונבנציונליים וסטנדרטיים, הינם חומרים טרמוסטים על בסיס glass epoxy וחומרים שאינם Teflon® המותאמים לשימוש בתחום תדר גבוה. בניגוד לחומרים המבוססים על חומר טפלון, מחומרים טרמוסטים ניתן לבנות מגוון רחב של מעגלים קשיחים, גמיש-קשיח
ו- HDI (high density interconnects) . לא ניתן להתעלם מהעובדה כי החומרים היעילים ביותר לביצועים בתדרים גבוהים ומתאימים לטווח רחב מאוד של תדרים הינם חומרים מבוססי טפלון, אולם אלו, מציבים קשיים רבים בייצור מעגלים מודפסים, עלות מוצר מסוג זה גבוהה מאוד וזמן הייצור ארוך משמעותית ביחס לחומרים האחרים.
חברה אלטק מייצרת מגוון רחב מעגלים קשיחים, גמישים-קשיחים והיברידים לתחום תדר גבוה בשימוש חומרים רבים מתוצרת Rogers, AGC, Isola, Ventec ואחרים וכלל תהליכי הייצור מותאמים להתמודד עם כל אתגר.
מקורות:
- What is High Frequency (HF) PCB, RayMing Technology
- PCB Material Selection for High-Speed Digital Designs, Isola
- Understanding Glass Fabric, Isola
