Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

Исследование паразитного излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона

Выпускная квалификационная работа

студента образовательной программы «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Москва 2016 г.

Введение

В настоящее время важную роль в разработке микрополосковых сверхвысокочастотных (СВЧ) изделий играет производство многослойных печатных плат (МПП). Разработка МПП является актуальной задачей, в связи с появлением современных радиотехнических комплексов, систем управления и автоматики.

В традиционных печатных платах (ПП), использующихся для производства изделий радиоэлектроники посредством технологии поверхностного монтажа, изготовленные на основе стеклотекстолита или гетинакса, имеются ограничения в возможности использования их в СВЧ диапазоне, это находит объяснение в физических ограничениях, которые увеличиваются с ростом частоты. Использование таких ПП возможно только на частотах до единиц ГГц. С дальнейшим ростом частоты происходит увеличение потерь, а это может привести к искажению информационного сигнала. В связи с этим требуется новый подход к технологиям и разработкам ПП, которые используются в сверхвысокочастотном диапазоне.

Одной из важных задач по развитию современных микрополосковых устройств - увеличение числа функций при меньших массогабаритных показателях и стабильных электрических характеристиках и параметрах. Главное направление в такой тенденции - переход от традиционной двумерной компоновки элементов и конструкции печатной платы - к трехмерной. При применении многослойных технологий повышается функциональную плотность в комбинации с высокой надежностью, низкой стоимостью и хорошей воспроизводимостью.

Глава 1. Актуальность и постановка задачи

1.1 Историческая справка

Под печатной платой (ПП) понимается конструкция электрических межсоединений на изоляционном основании [1].

В печатной плате содержатся как основные, так и второстепенные конструктивные элементы. К основным относятся основание (подложка) и проводники. Основных конструктивных элементов достаточно для того, чтобы назвать печатную плату печатной платой. К второстепенным относятся такие конструктивные элементы как: ламели, которые используются для контактирования с разъемами, контактные площадки, участки для осуществления теплоотвода, переходные монтажные отверстия и др.

Начало использования печатных плат привело к качественному скачку в сфере конструирования радиоэлектронной аппаратуры. В печатной плате совмещаются две функции: 1) носителя радиоэлементов, 2) электрическое соединение элементов. В свою очередь подложка ПП предназначена для выполнения функции изолятора, чтобы выполнялась функция соединения радиоэлементов.

Считается, что первая разработка ПП относится к Альберту Паркеру Хансону, он был немецким инженером. У Хансона была идея формирования рисунка ПП на медной фольге с помощью вырезания или штамповки, затем элементы приклеивали к диэлектрику. Прошло более ста лет после того, как в 1902 году Хансон отправил на рассмотрение в патентное ведомство свою первую заявку. В течении всего этого времени технологии и конструкции производства ПП постоянно прогрессировали.

Большое количество изобретателей приложили свои усилия в процесс совершенствования ПП, один из наиболее знаменитых был изобретатель и американский предприниматель Томас Эдисон, предложивший формирование токопроводящего рисунка посредством адгезивного материала, который содержит бронзовый или графитовый порошки.

Во втором-третьем десятилетии прошлого века были оформлены многие патенты на методы изготовления ПП и их конструкции. Первыми методами по изготовлению печатных плат были преимущественно аддитивные методы, развитие этой идеи предложил Томас Эдисон. Современный вид ПП установился при использовании технологий, взятых из полиграфической промышленности. На переводе с английского языка печатная плата- printing plate - печатная форма или матрица. В связи с этим подлинным создателем печатных плат инженер Пауль Эйслер. Он был первооткрывателем теории, что для широкого изготовления ПП можно использовать полиграфические (субтрактивные) технологии. Такие технологии формируют изображение с помощью удаления лишних фрагментов. Он же довел до ума осаждение медной фольги гальванической технологией и использование хлорного железа на этапе травления.

Во времена ll мировой войны оказались актуальными технологии для массового изготовления ПП. В середине 50-х годов печатные платы начали становиться конструктивной основой радиоаппаратуры для военного и бытового предназначения.

1.2 Актуальность темы

Современные радиотехнические комплексы, системы автоматики и управления содержат микрополосковые сверхвысокочастотные устройства с различным функциональным назначением. Для разработки современных микрополосковых сверхвысокочастотных изделий требуется создание многослойных подложек ПП с определенными заданными свойствами. Они обеспечивают требуемое распределение в структуре электромагнитного поля для проектируемого устройства и необходимые выходные параметры для него.

Новый подход к технологии и проектированию ПП для сверхвысокочастотного диапазона основан на идее, что традиционные ПП, используемые для производства радиотехнических изделий имеют физические ограничения, которые увеличиваются с ростом частоты, что несет за собой ограничение в возможности их применения в СВЧ диапазоне. Обычно такие ПП употребляют на частотах до единиц ГГц. После превышения порога этой частоты увеличиваются потери, а это в свою очередь может привести к существенной деформации информационного сигнала.

1.3 Состояние вопроса

В современной радиоэлектронике все чаще и чаще используют более короткие длины волн. На данном этапе развития радиоэлектроники исследуют миллиметровый диапазон (десятки - сотни ГГц), а также область терагерцовых технологий. Чтобы соответствовать требованиям рыночной экономики, современные СВЧ приборы и устройства должны включать в себя высокоэффективные миниатюрные узлы и модули. Они в свою очередь должны обладать высокой надежностью, постоянством электрофизических характеристик и параметров, которые отвечают уровням требующейся электромагнитной совместимости, быстродействием и невысокой стоимостью. Такие направления вынуждают использовать последние конструкторско-технологические решения на каждом из этапов проектирования СВЧ устройств.

В последнее время разрабатывают микрополосковые сверхвысокочастотные устройства на основе МПП, которые выполняются на базе керамических слоев, изготавливающихся по технологии обжига низкой температурой, благодаря этому достигается решение указанных проблем. В зарубежной литературе такой технологии дали название LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) [2].

При производстве микрополосковых устройств возникают различные физические ограничения. Особенно существенными из них представляют потери на излучение, такие потери набирают до 80 % от суммарного уровня потерь. Сокращение таких потерь можно достичь, если использовать линии передачи с точным экранированием устройства и заданной электрической длиной, это позволит обеспечить неразрывность приема и передачи информативного сигнала.

Также существуют и другие виды потерь - потери в диэлектрических и металлических элементах СВЧ устройства. Импедансные проводники в микрополосковых линиях должны выполняться из металлов, имеющих малое удельное электрическое сопротивление, что позволяет минимизировать потери на скин-эффект. В свою очередь следует выбирать диэлектрические материалы с наименьшей величиной тангенса угла диэлектрических потерь и наименьшей пространственной дисперсией, которая будет обеспечивать постоянство относительной диэлектрической проницаемости и линейных размеров от воздействия на них внешних факторов. Еще один вид потерь- влияние реактивных составляющих емкостей, на целостность информативного сигнала. они должны принимать минимальное значение при производстве топологии и монтаже СВЧ устройства.

В связи с этим можно утверждать, что исследование МПП для сверхвысокочастотных устройств является крайне важной и актуальной задачей, которая требует учета всевозможных физических факторов и методов проектирования.

В настоящее время разработками, исследованиями и изготовлением печатных плат, содержащими в себе многослойные диэлектрические подложки микрополосковых устройств на базе ПП занимается огромное число зарубежных компаний и фирм.

1.4 Краткий обзор литературы

На данный момент в мире существует многочисленное количество отечественных монографий и зарубежных книг, различных научных статей, посвященных методам проектирования, конструкциям различных видов ПП. Но имеющиеся особенности в работе печатных плат, использующиеся в СВЧ диапазоне влекут за собой физические ограничения, которые практически не затрагиваются и не анализируются в данных работах.

Наиболее известная отечественная монография по разработке ПП для быстродействующей цифровой аппаратуры -это книга Л.Н. Кечиева [12], изданная в 2007 году. В книге описана характеристика современной элементной базы и ее перспектива, проведен анализ электрофизических параметров ПП и линий передач, входящих в их состав. В этой книге представлен обзор по вопросам излучения из ПП и их особенностях конструирования с позиции электромагнитной совместимости.

Существуют два тома монографии за авторством А.М. Медведева, которые были изданы в 2005 году [7,8], которые посвящены вопросам конструирования, технологии изготовления и проектирования различных видов ПП. В первом томе А.М. Медведева дается изложение базовых технологических схем, операции и приемы изготовления ПП, с применением новейших материалов с их высоким качеством и высокоточного оборудования, а также формированием топологических рисунков с помощью системы технологических процессов. Во втором томе дается подробное описание механических процессов и электрохимических процессов во время производства ПП, взяты на рассмотрение вопросы надежности и тестирования межплатных соединений. Издание третьего тома монографии пришлось на 2008 год под авторством А.М. Медведева и Г.В. Мылова, том посвящен технологиям производства гибких и гибко-жестких ПП, которые используют в аппаратуре специального назначения [16]. Эта монография крайне важна т.к. только гибкие платы могут обладать некоторыми неповторимыми свойствами и большим количеством преимуществ, а это в свою очередь подчеркивает интерес с технической точки зрения разработчиков к возможностям их использования в целях соединений и компоновок разнообразной аппаратуры, в том числе использования в СВЧ диапазоне.

В 2005 году был издан учебник для радиотехнических специальностей ВУЗов Е.В. Пироговой [13], в нем приведены важные термины и определения по ПП, конструкциям, применяемым материалам, методам их изготовления и проектирования.

Из множества зарубежных изданий особое внимание заслуживает книга Р.С. Хандпура, которая была опубликована в 2006 году и посвящена методам конструирования, разработок и монтажа устройств на ПП [14]. В данном издании рассматриваются конструкции для однослойных и многослойных ПП.

Чуть раннее, в 2005 году, в свете появилась книга И. Иманака описывающая многослойные технологии LTCC, реализованной лабораторией японской фирмы Fujitsu [6]. В книге содержится подробное изложение всех этапов технологии обжига низкими температурами, приведены основные характеристики и параметры диэлектрических материалов.

По анализу огромного количества книг и монографий, посвящённым микрополосковым СВЧ устройствам, которые были изданы за последние тридцать лет, можно сказать, что вопросы применения разнообразных типов ПП рассматриваются в минимальном объеме.

1.5 Цели и задачи работы

Целью работы - получение аналитических соотношений и моделирование диаграмм направленности (ДН) паразитного излучения двух моделей МПП СВЧ диапазона. Первая модель- открытый конец плоскопараллельного волновода, который имитирует кромку микрополосковой бесконечной структуры, вторая- содержащей кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки.

Решение следующих задач поможет в достижении указанной цели:

• Получение аналитических соотношений для ДН;

• Выполнение моделирования ДН паразитного излучения;

• Проведение анализа паразитного излучения двух моделей МПП СВЧ диапазона;

Глава 2. Методы исследования и обзор печатных плат

2.1 Методы исследования многослойных печатных плат

Исследования проводились на основании аналитического моделирования в математической программе MathCAD и на основании соотношений для моделей однослойной ПП, которые были получены в работе[4].

2.2 Конструкция многослойных печатных плат

В настоящее время МПП в ценовом исчислении занимают 75% мирового производства печатных, а в количественном соотношении сдают позиции одно и двухсторонним платам.

Самые первые МПП получили, склеив две двухсторонние платы (рис. 1).

Рис. 1. - Фрагменты конструкции односторонней (а) и двухсторонней (б) печатных плат: 1- монтажное отверстие, 2 - контактная площадка, 3 - проводник, 4 - диэлектрическая подложка, 5 - переходное металлизированное отверстие



Рис. 2. - Фрагмент конструкции многослойной печатной платы: 1- сквозное металлизированное отверстие, 2 - глухой микропереход, 3 - скрытый микропереход, 4 - слои, 5 - скрытые межслойные отверстия, 6 - контактная площадка

Реальная конструкция МПП несколько отличается от рис. 2.

МПП по своей структуре и технологии производства сложнее двухсторонних плат.

Их структура включает в себя некоторые дополнительные слои: экранные слои (в которых входит земля и питание) и сигнальные слои.

В действительности они выглядят так:

Рис. 3 (а). Схематически

Благодаря межслойным переходам (vias) и микропереходам (microvias) слои МПП могут коммутировать между собой. Межслойные переходы могут быть выполнены в виде сквозных отверстий, которые в свою очередь соединяют между собой внешние слои и соединяют с внутренними слоями.

В конструкция ПП также используют глухие и скрытые переходы. Глухим переходом является соединительный металлизированный канал, который виден с верхней стороны или с нижней стороны ПП.

Скрытые переходы обычно используют для связи внутренних слоев платы. Микропереходы специально предназначены для поверхностного монтажа, они соединяют контактные площадки с сигнальными слоями.

При разработке МПП используют препреги- склеивающие прокладки. С их помощью производят соединение между собой нескольких диэлектриков, ламинированных фольгой.

На рис. 3(б) препрег демонстрируется белым цветом. Препрег служит для склейки слоев МПП при термическом прессовании.

Рис. 3 (б). В 3D виде

Преимущества многослойных печатных плат:

• Высокая удельная плотность контактных площадок и печатных проводников за счет большого количества сигнальных слоев

• Быстродействие за счет уменьшения длины проводников

• Удобство в разводке шин питания

• Сигнальные слои не содержат шины питания, следует облегчение разводки сигнальных проводников

• Уменьшенный высокочастотный шум

• Вследствие эффекта отражения (image plane effect) является возможным подавление радиочастотных (RFI) и электромагнитных (EMI) помех

• По сравнению с однослойными и двухслойными печатными платами излучение МПП значительно меньше

• Широкий диапазон возможностей

• Способность работать в условия вакуума

• Радиационная стойкость

• Высокая надежность в эксплуатации

Недостатки многослойных печатных плат:

• Сложность разработки, проектирования и изготовления

• Достаточно высокая стоимость производства

• Низкая пригодность к ремонту

• Необходимость в использовании специализированного технологического оборудования

• Необходимость контроля всех операций

• Долгосрочный технологический цикл и тяжелый процесс изготовления

2.3 Физические и конструктивно-технологические особенности многослойных печатных плат

МПП, используемые для микрополосковых СВЧ устройств производятся разными отечественными и зарубежными фирмами. Отличительной особенностью таких плат является материал подложек [8].

Так, например, российские предприятия PSElectro ООО «Электроконнект» выпускают на данный момент платы для высокочастотных и сверхвысокочастотных устройств используя фторопластовое основание, которое изготовляется из различных материалов таких как Дифлар, Arlon, и др.. Данные платы имеют отличительные особенности. У них малая диэлектрической проницаемостью, которая не превышает трех, минимальный тангенс угла диэлектрических потерь, а также хорошая термомеханическая стабильность.

Эта же фирма выпускает термостойкие ПП на углеводородной керамической основе сделанные из нитрида алюминия или оксида, которые применяются для микрополосковых антенн и спутниковых систем связи (рис. 4, б):

(а) (б)

Рис. 4. - Печатные платы на фторопластовом (а) и керамическом (б) основаниях

Особое место для СВЧ диапазона занимают гибкие печатные платы (ГПП), они выполняются в виде разнообразных систем гибких шлейфов, которые содержат в себе многослойную структуру соединений. Данные платы, содержащие согласованные линии передачи представляют альтернативу сверхвысокочастотным линиям связи (рис. 5), это дает возможность использовать их для авионики или любой другой специализированной техники новейшего поколения.

Рис. 5. - Гибкие печатные платы

2.4 Печатные платы на фторопластовом основании

Под термином «фторопластовое основание» понимают употребление материалов, созданных на основе полимера тетрафторэтилена (ПТФЭ). Впервые ПТФЭ открылся американским химиком Роем Планкеттом в 1938 году. Он случайно обнаружил произошедший процесс непреднамеренной полимеризации тетрафторэтилена, закаченного под давлением в баллон в белый порошок, который был похож на парафин. В 1941 году американской фирме DuPont был выдан патент на открытие тефлона [17].

Тефлон имеет уникальные свойства как физико-химические, так и конструктивные. Благодаря им он активно используется в высокочастотной и сверхвысокочастотной технике и технологиях. Тефлон имеет очень высокую теплостойкость, стабильную диэлектрическую проницаемость от температуры и при этом имеет низкий уровень диэлектрических потерь. Наличие всех этих уникальных свойств материала предопределило использование тефлона в военной радиоэлектронной, аэрокосмической аппаратуре и в различных бытовых устройствах.

В материал подложки, кроме тефлона, добавляют стекловолокно и керамику, для увеличения механической прочности и улучшения температурной стабильности соответственно. Но в связи с использованием керамики накладываются некоторые ограничения на конструктивные свойства ПП, например, на минимальную толщину (120мм), а это в свою очередь минимальный размер частиц керамики, и на ограничения минимального размера между отверстиями в плате- не менее 250мм.

При проектировании микрополосковых сверхвысокочастотных устройств отдельный интерес стоит уделить согласованию линий передачи, оно определяется по величине волнового сопротивления. В таком случае малое значение диэлектрической проницаемости подложки дает возможность увеличить ширину микрополоскового проводника, отсюда следует снижение потери мощности передаваемого или принимаемого сигнала. Изготовление более широких проводников значительно проще с технологической точки зрения. Благодаря этому факту преимущество фторопластовых оснований значительно выше, чем другие диэлектрические подложки.

Таблица 1 - Зависимость ширины проводника от толщины и диэлектрической проницаемости

Технология производства ПП из тефлона и стеклотекстолита FR4 во многом одинаковы, благодаря этому существует практический интерес создания МПП, которые будут содержать слои из обоих материалов. Так одно комплексное радиотехническое устройство может содержать в себе СВЧ блоки, выполненные на участках платы, изготовленных с фторопластовым основанием, и низкочастотные узлы на участках платы, выполненных из стеклотекстолита. Это позволяет снизить стоимость конструкции устройства и обеспечивает целостность информативного сигнала.

ПП изготовленные на фторопластовом основании в отличии от других плат имеют преимущества, но несмотря на это в них также присутствует ряд недостатков. Проведенные исследования показали, что коэффициент рассеивания печатных плат на фторопластовом основании имеет заметные изменения от воздействия температуры и влажности окружающей среды, а это обычно приводит к ухудшению характеристик устройств и стабильности электрических параметров. Следующим недостатком является зависимость накопления ПП влаги от количества выполненных отверстий - чем больше отверстий, тем больше влаги плата способна накопить. Это является недостатком т.к. из-за этого происходит расслоение определенных участков платы, образование вздутий, деформаций и трещин.

Еще одним немаловажным недостатком является эффект переплетения (Weave effect). Под ним подразумевают неравномерность заполнения наполнителем из керамики и стекловолокна тефлоновой основы, а это приводит к изменению значения диэлектрической проницаемости платы, ухудшению ее дисперсионных свойств и выходных характеристик СВЧ модуля. Это крайне важно учитывать при желании уменьшить толщину слоев МПП.

2.5 Печатные платы на керамическом основании

На данный момент конструирование микрополосковых сверхвысокочастотных устройств происходит на базе керамических подложек, которые представляют многослойные структуры, они выполняются с применением обжига высоких или низких температур.

Для разработки изделий микроэлектроники массово употребляют технологию HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) - на базе высокотемпературной керамики, которая спекается за одну технологическую стадию. Данная технология имеет свои преимущества- механическую прочность, высокую теплопроводность и устойчивость электрических параметров устройств.

При производстве подложек используют алюмоксидную керамику, содержащую Al2O3 в размере 92%, либо нитрид алюминия, который имеет теплопроводность почти на порядок выше по сравнению с его аналогом оксидом алюминия. Примерно при температуре 1600°С происходит спекание оксида алюминиевых слоев в технологии HTCC.

Рис. 6. - Изделия микроэлектроники, изготовленные с применением технологии HTCC

При разработке топологического рисунка ПП применяют высокотемпературные пасты, изготовленные на базе вольфрама и молибдена, они обладают худшей электропроводностью, чем золото или серебро, которые широко используют в СВЧ диапазоне.

Из-за использования данных паст происходит увеличение времени групповой задержки сигналов и потери мощности возрастают, эти факторы препятствуют использованию НТСС технологий в сверхвысокочастотном диапазоне. Но несмотря на это, экспериментальные данные показывают возможность применения на частотах до 24ГГц изделий, изготовленных по HTCC технологии, а при строгом соответствии топологическим и конструкторским требованиям - на частотах до 30 ГГц.

Более перспективным методом в сверхвысокочастотном диапазоне является низкотемпературный обжиг керамической подложки и схемы (LTCC - Low Temperature Co-fired Ceramics).

Порядок операций создания многослойных структур с помощью LTCC технологии показана на рисунке 7:

Рис. 7. - Порядок технологических операций при производстве многослойных структур методом LTCC

Преимущества LTCC метода:

• печатные структуры могут содержать до 70 слоев;

• расстояние проводник-зазор до 60 мкм, а при методе струйного нанесения токопроводящих паст до 30 мкм;

• создание внутренних пассивных компонентов схем, что ведет к уменьшению массогабаритных размеров изделий;

• минимизация потерь сигнала на частотах до 60 ГГц благодаря минимизированию влияния реактивностей (индуктивностей и емкостей);

• возможность создания матрицы каналов, которые заполняют термопроводящей пастой, что обеспечивает эффективность теплоотвода при температуре до 350 С;

• менее затратное производство и уменьшение времени производственного цикла;

Несмотря на огромное количество отмеченных достоинств технологии LTCC, такая технология имеет существенные недостатки:

• усадка керамики в операции обжига по всем трем измерениям (идет ограничение размера печатных плат, усложнение процесса последующей обработки)

• необходимость в монтаже дополнительного теплоотвода после обжига для отдельных компонентов схемы.

Используя усовершенствованную LTCC - технологию на металле (LTCC-M), можно избежать этих недостатков, специальную многослойную керамическую структуру помещают на металлический носитель или каркас. В связи с этим во время процесса обжига практически не ведет к усадке структуры по плоскости подложки.

2.6 Гибкие печатные платы на основе жидкокристаллических полимеров

У МПП, которые выполнены по технологии LTCC, есть некая альтернатива - ГПП, выполненные на базе жидкокристаллических полимеров. Но, к сожалению, из-за сложного процесса производства и необходимости при их изготовлении мониторинга всех стадий технологического процесса, эти платы не получили должного распространения, несмотря на то, что они представляют практический интерес для ВЧ и СВЧ диапазонов.

На данный момент растет спрос на гибридные жестко-гибкие многослойные платы, используемые для СВЧ устройств благодаря нескольким важным факторам:

• такие платы способны обеспечивать согласование межсхемных соединений при высокой плотности монтажа

• в них используются гибкие композиционные материалы, это гарантирует оптимизацию массогабаритных показателей, устойчивость электродинамических характеристик, несмотря на воздействие внешних факторов, таких как температура, давление, влажность и др.

• На данный момент многослойные ГПП используют для;

• устройств высокочастотной и сверхвысокочастотной связи, (рисунок 8);

• резонансных элементов сверхвысокочастотных трактов и сенсорныхдатчиков.



Рис. 8. - Длинная линия высокоскоростной связи, выполненная гибким шлейфом

При использовании многослойных гибких подложек увеличивается плотность компоновки электронной аппаратуры и создаются пространственные трехмерные структуры и это все происходит без непосредственного роста интеграции компонентов микросхем. У такой технологии 3D - структур есть название «объемная системная миниатюризация и технология соединений» (VSMI).

Семейство VSMI-технологий содержит в себе различные варианты 3D. Нарушить концепцию увеличения плотности компоновки может теплоотвод, он является проблемным моментом в этой технологии. Технология ГМПП находится в стадии развития и в скором времени они будут нести важную роль в производстве электронных устройств.

Данные технологии должны иметь все шансы на конкурентоспособность в условиях рынка и должны обеспечивать наибольшие функциональные возможности сверхвысокочастотных устройств в сочетании с наименьшими массогабаритными показателями и с невысокой стоимостью.

2.7 Разработка высокочастотных многослойных печатных плат и их пригодность к производству

Изготовление МПП для сверхвысокочастотного основывается на аддитивном методе формирования слоев.

Во время изготовления МПП аддитивным методов топологию слоя формируют селективно согласно схеме на временном носителе-заготовке, сделанным из нержавеющей стали. После этого рисунок проводников впрессовывают в изолирующий слой по всей толщине проводника, употребляя при этом необходимое количество прокладок препрега, по завершению этих этапов спрессованный слой отделяют от временного носителя. Порядок операций производства слоев аддитивным методом приведен на рис. 9:

Изначально, на сухом пленочном фоторезисте определяется рисунок геометрии проводников, происходит селективное формирование изолирующих областей между проводниками в слое и слоями проводников.

Рис. 9. порядок операций производства слоев аддитивным методом

Чем более точно будет сделан защитный рельеф, тем более точны будут форма, размер и точность изготовления проводящего рисунка. Защитный рельеф получают способом фотолитографического формирования в сухом пленочном фоторезисторе водощелочного проявления.

Если слои выполняются без переходных отверстий или для экранных слоев, то в этом случае выполняется травление медной шины. После завершения процесса травления шины образовываются слои, готовые к работе.

У формирования слоев аддитивным методом есть свои преимущества:

• возможность исключить из процесса технологического изготовления фольгированного диэлектрика; при производстве слоев ММП применяют только препрег и другие стандартные материалы, например, медные аноды, это позволяет обеспечить надежную стабильность размеров (это в 3 раза лучше, нежели у фольгированного диэлектрика);

• наличие высокой разрешающей способности (новые высокоточные фоторезисторы дают возможность получения проводников, ширина которых достигает до 20 мкм);

• наличие высокой точности получения рисунка проводников при малозначимом разбросе размеров;

• наличие возможности в формировании изоляции и проводников необходимой толщины;

• наличие высокого объемного удельного сопротивления и высокого поверхностного сопротивления изоляции;

• наличие более высокой адгезии проводников благодаря их запрессовки в диэлектрик;

• наличие выбора диэлектрика (препрега), имеющие различные физические свойства.

Производство двухслойных или многослойных печатный плат по традиционному методу - методом «тентинга», обязывает завешивать пленочным фоторезистом сквозные металлизированные отверстия, это значит, что защитный рисунок образовывается над металлизированными отверстиями. Во время процесса травления медной фольги, происходящей на у сквозных отверстий защищена от травления металлизация стенок.

Такой метод является прогрессивным и экономичным методом производства МПП из фольгированного диэлектрика. Но такой метод несет в себе ряд ограничений. В первую очередь есть необходимость в травлении слоя меди большой толщины, которая состоит из изначальной фольги материала и из медного слоя, его осаждают на поверхность во время процесса металлизации сквозных отверстий. Если использовать толщину фольги в 9 мкм и иметь необходимость в толщине металлизации отверстий не более 25 мкм, суммарная толщина слоя меди при травлении рисунка проводников станет равна минимум 40 мкм. В конечном счете после травления точность ширины проводников составит ±30 мкм. Для сверхвысокочастотного диапазона МПП наличие такой точности проводников неприемлемо.

2.8 Общие проблемы разработки

Основная сложность разработчика - это выбор материала, в таком случае и возникает самая распространенная ошибка. Часто выбирают материалы исходя только из того, что материалы обладают невысоким значением коэффициента рассеивания или тангенсом угла потерь. Материалы, имеющие наименьший тангенс угла, выглядят более подходящими, но они наиболее сложны при изготовлении, также они имеют большую стоимость и могут не обладать хорошей производительностью.

Если выбор материала падет на материал с завышенным качеством, сложность изготовления многослойной конструкции возрастет, а это, в свою очередь, может повлечь за собой низкую продуктивность, увеличение затрат, полную невозможность изготовления изделия.

Помимо значения тангенса угла потерь, некоторые характеристики нуждаются в наиболее внимательном отношении:

1. Диэлектрическая постоянная может быть подвержена негативному влиянию влаги. Часть имеющихся материалов, способные к поглощению влаги будут служить причиной сильного изменения эффективной диэлектрической постоянной. Кроме этого, материалы, которые впитывают влагу, в процессе изготовления впитывают в себя определенные химикаты. Следует не забывать об этой особенности. Для некоторых изделий рекомендуют подходить к выбору материала ответственно, не допуская большой способности материала к впитыванию. Например, тефлон/PTFE являются наименее уязвимыми от влаги, а керамические подложки и полиимиды в свою очередь имеют большую уязвимость.

2. Диэлектрическая постоянная может иметь негативное воздействие от температуры. Следует знать какие эффекты возможны от изменений диэлектрической постоянной от взаимосвязи колебаний температуры, материал, на котором остановился выбор, должен подходить к изготавливаемому устройству. Существующие материалы имеют значительные изменения, зависящие от температуры, что создает проблемы с производительной функцией, которые практически невозможно исправить.

3. Коэффициент теплового расширения. При изготовлении МПП нужно уделить особое внимание свойствам теплового расширения. Следует избегать помесей материалов, обладающих большим диапазоном расширения. Это поможет создать изделие с более высокой надежностью.

4. Теплопроводность. Большое количество устройств привыкли рассеивать большое количество энергии. Выбранный материал может обладать низкой теплопроводностью, в связи с этим тепло будет локализировано, отсюда последует ухудшение производительности устройств с большой мощностью. Этот параметр является значительным, если при изготовлении присутствуют устройства с высокой мощностью.

5. Стабильность размеров. Данное свойство крайне важно для изготовления МПП и помогает производителям. Выбор материала, обладающего низкой стабильностью размеров, влияет на конечный результат и приводит к увеличению издержки.

6. Покрытие медью. На это свойство редко обращают внимание. Немаловажной частью от общих потерь является наличие поверхностного эффекта, существующего на ВЧ. Выбор материала стоит производить при тщательном внимании на картину в целом. Главные компоненты потери: теплопроводность, диэлектрик, излучение и «вызванный дизайном». Суммарная потеря на прохождение сигнала формируется из всех четырех.

Глава 3. Разработка модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой

3.1 Актуальность разработки модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой

Современные микрополосковые сверхвысокочастотные устройства требуют разработки подложек МПП с определенными свойствами, которые будут обеспечивать нужное распределение электромагнитного поля и необходимые выходные параметры изготавливаемого устройства.

МПП, использующиеся в наше время, состоят из чередующихся слоев тонких изоляционных подложек, на которые нанесены проводящие рисунки, с физическим соединением в одно многослойное основание. Любой внутренний слой может быть односторонней или двусторонней платой с межслойными переходами. При всем при этом основное направление развития таких печатных плат - увеличение высокоточности и плотности компоновки, а свойствам и параметрам изоляционных подложек не уделяют должного внимания, это не дает возможность эффективно использовать печатные платы в сверхвысокочастотном диапазоне. Также новые предложения по проектированию и созданию ПП для микрополосковых сверхвысокочастотных устройств, прежде всего, направлены на гарантирование целостности передачи сигнала.

Вопреки многообразию методов конструкции и проектирования ПП, платы, имеющие подвешенные подложки являются более актуальными и перспективными для разнообразных сверхвысокочастотных устройств. Подвешенная подложка таких плат состоит из диэлектрического основания, которое имеет высокое значение относительной диэлектрической проницаемости, на одной из ее сторон располагаются проводящие элементы, состоящие из воздушного зазора, которые отделяют металлический экран, который находится с другой стороны. Таким платам свойственны определенные недостатки: отсутствует согласование волновых сопротивлений воздушного зазора и диэлектрического основания подложки, что приводит к возникновению в поперечном сечении платы отраженной волны, при толщине платы большей четверти длины волны.

Если использовать такую печатную плату для излучателей или микрополосковых антенн возникает необходимость в обеспечении согласования импедансных проводников с внешним воздушным пространством.

В связи с этим была предложена новая конструкция модифицированной печатной платы с подвешенной подложкой [11], [1].

3.1.1 Отличительные особенности

Отличительная особенность печатной платы:

• Диэлектрическая подложка многослойна, количество слоев не меньше трех;

• Суммарная толщина слоев не превышает четверти рабочей длины;

• Волновое сопротивление линейно возрастает от плоскости экрана к импедансным проводникам;

• Благодаря наличию многослойного диэлектрического экрана происходит согласование импеданстных проводников с внешним воздушным пространством.

• На противоположной стороне от импедансных проводников на ПП может быть многослойный диэлектрический, который содержит в себе не меньше трех слоев, толщина данных слоев не должна быть больше четверти длины волны, а также иметь линейно возрастающее волновое сопротивление от плоскости импедансных проводников.

Такая конструкция обеспечивает согласование между собой диэлектрических слоев при линейном возрастании их волнового сопротивления, а также избегается возникновение в поперечном сечении отраженной волны, при условии превышении суммарной толщины платы четверти длины волны [11]

Чертеж поперечного сечения модифицированной платы, содержащей подвешенную многослойную подложку толщиной d показан на рисунке 10.

Рис. 10. -. Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой

Чтобы создать микрополосковые антенны и излучатели, с использованием исследуемой печатной платы, их импедансные проводники, в большинстве случаев они имеют волновое сопротивление равное десяткам Ом, следует согласовать с внешним воздушным пространством. Именно для этого конструкция платы содержит многослойный диэлектрический экран с волновым сопротивлением, которое линейно возрастает от плоскости импедансных проводников (рисунок 11). При наличии двух важных свойств: число слоев должно быть не меньше трех, толщина подложки не превышает четверти рабочей длины волны, можно достичь выравнивания скачка волнового сопротивления, это приведет к увеличению коэффициента излучения и к расширению диаграммы направленности излучателей и антенн.



Рис. 11.- Модифицированная печатная плата с подвешенной подложкой и согласующим диэлектрическим экраном

печатный плата излучение сверхвысокочастотный

Глава 4. Анализ излучения и результаты моделирования

4.1 Анализ паразитного излучения кромок многослойных диэлектрических подложек печатных плат СВЧ диапазона

На данном этапе развития микрополосковой техники необходима оценка и учет величины суммарных потерь, которые возникают при определенной топологии структуры и конструкции сверхвысокочастотного устройства. Следует учитывать диэлектрические потери, потери, вызываемые поверхностным эффектом и не забывать про потери на излучение. Немаловажную роль в таком случае играют потери, вызванные паразитным излучением кромок многослойных диэлектрических подложек ПП. Такие ПП гарантируют указанное распределение электромагнитного поля, а это позволяет улучшить выходные характеристики проектируемого сверхвысокочастотного устройства. Комбинация диэлектрических и металлических элементов плат приводит к усложнения физических процессов в структурах, к явлениям дифракции, трансформации типов волн и др.

Оценка паразитного излучения проводилась с помощью математической программы MathCAD с помощью аналитического моделирования и использованием формул для моделей однослойной ПП, которые были получены в работе[4].

В качестве первой модели рассмотрим излучение открытого конца однослойного плоскопараллельного волновода, имитирующий обрыв микрополосковой структуры. Колебания типа Е01 будут представлять основной интерес, при условии, что d/л«1.

Найдем ДН открытого конца плоскопараллельного волновода или кромки однослойной микрополосковой структуры с учетом условия kd<<1.

Чтобы упростить математические выкладки будем рассматривать двумерную задачу, при условии, что ?/?y=0. С помощью аппарата тензорных функций Грина, мы получим формулы для источников.

Учитывая условие d«л, действие открытого конца волновода можно заменить излучением магнитного тока.

Поле поверхностной волны в слое диэлектрика -d?x??:

Поле поверхностной волны за пределами слоя :

где

Приведенные выражения для компонент поля содержат в себе r1 и t1 - первые корни системы уравнений:

, ,

где - относительная диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика; А1 - норма собственной функции:

.

Следующими составляющими можно определить пространственную часть поля во второй области:

Приведенная выше система уравнений решается приближенно для тонкого диэлектрического слоя

, ,

с помощью этого решения мы можем найти постоянную распространения и норму:

Проанализировав разделение поля на пространственные и поверхностные волны показывает, что поверхностная волна, находящаяся в неограниченной диэлектрической подложке, может переносить от первичного источника часть мощности.

Суть метода перевала заключается в приблизительной оценке интегралов, его будем использовать при вычислении поля от пространственной волны в волновой зоне

при больших значениях параметра с - объемной плотности зарядов.

Если функции ц(о) и f(о) являются аналитическими на контуре интегрирования С, получим:

,

Где - корень уравнения

Переходя от формул пространственной части поля к системе в полярных координатах , и применяя вычисленное соотношение для тока, получим:

Отсюда можно найти ДН открытого конца плоскопараллельного волновода или кромки однослойной микрополосковой структуры в виде

.

С учетом условия kd<<1 формула упрощается:

С помощью второй модели, которая содержит в себе кромку структуры и ограниченный участок диэлектрической подложки найдем влияние обрыва однослойной диэлектрической подложки на характеристики излучения.

Обрыв слоя диэлектрика несет за собой определенные последствия, электрические токи на экране, которые индуцируются компонентой поля , могут существовать только на ограниченном участке экрана длиной L. На такой площадке с током происходит излучение, поверхностная неизлучающая волна частично трансформируется в пространственную излучающую волну.

Еще одним, служащим дополнительным вторичным источником излучения является скачок компонент поля и в сечении по всей высоте структуры -d?x??.

Далее нужно определить вклад в поле излучения волновой зоны обоих дополнительных источников.

Поверхностная плотность электрического тока на экране:

Проинтегрировав последнюю формулу, используя компоненту функции Грина Г21, yz, можно получить компоненту напряженности магнитного поля в виде:

где

Затем применим метод перевала, получим компоненту напряженности для дальней зоны:

,

где

Можно получить более простую формулу для тонких диэлектрических слоев:

Где, , (2)

Выражение F2(и) является ДН линейного электрического тока, который бежит вдоль оси oz имея при этом замедленную фазовую скорость. При этом излучательный фазовый центр находится в точке z= L/2.

Далее следует определить вклад скачка поля поверхностной волны при z=L на поле излучения в дальней зоне.

Эквивалентными токами в этом случае являются:

Отсюда для компонент токов и поля получим:



Интегрируя выражения для компонент эквивалентных токов с компонентой функции Грина Г21, ух и с компонентой Г21, уу, получим:

Интеграл по о вычисляется с помощью метода перевала:

]

Последнее выражение может быть упрощено для тонких диэлектрических слоев:

Отсюда следует:

 (3)

где F3(и) - это диаграмма линейного распределения синфазно возбуждаемых элементов Гюйгенса (множитель (1+cosи)) с убывающей амплитудой по экспоненциальному закону при удалении от экрана. Аналитическое выражение для ДН кромки тонкой однослойной микрополосковой структуры с учетом обрыва диэлектрической подложки определяется тремя составляющими или суммой (1), (2) и (3)

(4)

Для многослойной подложки ПП следует суммировать полученные слагаемые для каждого из слоев.

Результаты

На рисунке (12) показаны составляющие ДН, полученные с помощью математической программы MathCAD для однослойной (?1=9,8), трехслойной (?1=9,8; ?2=6,0; ?3=2,8) и пятислойной (?1=16,0; ?2=9,8; ?3=6,0; ?4=3,8; ?5=2,8) подложек ПП.

На рисунке (13) демонстрируется суммарные ДН F(и) для однослойной, трехслойной и пятислойной ПП, имеющие разные размеры L/л. Видно, что кривые F(и) носят колебательный характер, значение их амплитуды и их число осцилляций увеличиваются при увеличении числа слоев и при увеличении размера подложки L/л, это происходит из-за увеличения возможности интерференции волн, которые излучаются отдельными токами.

Результаты аналитического моделирования показывают необходимость частотного ограничения, оно должно накладываться на выбор значения толщины многослойной диэлектрической подложки ПП для сверхвысокочастотных устройств - значение суммарной толщины должно быть равно четверти рабочей длины волны.

Рисунок (12) Составляющие диаграммы направленности для однослойной, трехслойной и пятислойной подложек печатных плат.



Рисунок (13) Суммарные диаграммы направленности F() для однослойной, трехслойной и пятислойной подложек печатных плат и различных размеров подложек L/?

При последующем возрастании рабочей частоты МП ПП начнет интенсивнее проявлять резонансные свойства, а в момент совпадения паразитных колебаний кромок и частоты сигнала на основной частоте или кратных частотах, требуемые электрические характеристики и параметры не смогут быть обеспечены в СВЧ устройстве. Дифракционная картина имеет большое количество максимумов, энергия перераспределяется. Вся падающая энергия может распределиться по боковым лепесткам при условии исчезновения нулевого порядка дифракции.

Заключение

В данной работе были получены аналитические соотношения для ДН, было выполнено моделирование ДН паразитного излучения и был проведен анализ паразитного излучения двух моделей многослойных подложек печатных плат СВЧ диапазона.

Используя компьютерную программу MathCAD получили составляющие ДН для однослойной (?1=9,8), трехслойной (?1=9,8; ?2=6,0; ?3=2,8) и пятислойной (?1=16,0; ?2=9,8; ?3=6,0; ?4=3,8; ?5=2,8) подложек ПП, эти составляющие соответствуют излучению кромок структур, тока на подложках и распределению элементов Гюйгенса в плоскости обрыва подложки.

Опираясь на результаты аналитического моделирования можно судить о правильности предложенного вывода - частотное ограничение необходимо накладывать на выбор толщин ПП, содержащих многослойные диэлектрические подложки для сверхвысокочастотных устройств - значение суммарной толщины не должно быть больше четверти рабочей длины волны. Например, при диапазоне длин волн в 1 - 10 мм разрешенная толщина платы должна составлять 0,25 - 2,5 мм.

Список литературы

1. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А.М. Медведев. - М.: Техносфера, 2005.

2. Чигиринский С. Особенности и преимущества производства многослойных структур на основе керамики (LTCC, HTCC, MLCC) / С. Чигиринский // Компоненты и технологии. - №11. - 2009. - с.130-131.

3. Патент РФ на полезную модель №124445. Микрополосковый фильтр на штыревой гребенке с многослойной подложкой / А. А. Елизаров, Э. А. Закирова Публ. в БИ №2, 2013.

4. Панченко Б.А. Электродинамический рассчет характеристик полосковых антенн / Б.А. Панченко и др. - М.: Радио и связь, 2002-256с.

5. Гринев А.Ю. Основы радиооптики, Учебное пособие / А.Ю. Гринев. - М: САЙНС-ПРЕСС, 2003. - 80с.

6. Imanaka Y. Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Technology. Springer Science, Inc., 2005.

7. Патент РФ на изобретение № 2 484 559. Печатная плата с подвешенной подложкой // А. А. Елизаров, Э.А. Закирова. Публ. в БИ №16, 2013.

8. Медведев А. М. Технология производства печатных плат / А.М. Медведев. - М.: Техносфера, 2005.

9. Елизаров А.А. Анализ паразитных колебаний и волн в микрополосковых линиях с учетом многомодовой дисперсии / А.А. Елизаров, Э.А. Закирова. - Технологии ЭМС.2012. - №3 (42), - С. 69-72.

10. Панченко Б.А. Электродинамический расчет характеристик полосковых антенн / Б.А. Панченко и др. - М.: Радио и связь, 2002.

11. Елизаров А.А. Анализ паразитного излучения кромок многослойных печатных плат СВЧ диапазона / А.А. Елизаров, Э.А. Закирова // Технологии ЭМС. - №3(45). - 2013- с.16-23.

12. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры / Л.Н. Кечиев. - М.: ООО «Группа «ИДТ», 2007.

13. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат / Е. В. Пирогова. - М.: Форум - Инфра-М, 2005.

14. Из истории технологий печатных плат (по материалам статьи Ken Gilleo. The History of the Printed Circuit Board. - www.pcbook.com/pcb-history.asp // Электроника НТБ. - № 5. - 2004. - с. 38-39

15. Khandpur R.S. Printed Circuit Boards. Design, Fabrication, Assembly and Testing / R. S. Khandpur. - McGrow-Hill Comp., Inc., 2006.

16. Технологии в производстве электроники. Часть III. Гибкие печатные платы / Под общ. ред. Медведева А.М. и Мылова Г.В. - М.: ООО «Группа «ИДТ», 2008.

17. Материалы сайта фирмы DuPonthttp://duponttools.force.com (обращение от 22.03.2014 г.)

Размещено на Allbest.ru

...