Что такое плата Rogers (Rogers PCB)?

С развитием электронной техники производство электронных устройств требует все большего количества материалов, особенно высокочастотных.

Возьмем в качестве примера плату Rogers. Материал Rogers PCB — это высокочастотный материал, производимый компанией Rogers, который отличается от традиционных печатных плат на основе эпоксидной смолы. В его структуре отсутствует стекловолокно, а основа представляет собой керамический высокочастотный материал. Когда рабочая частота схемы превышает 500 МГц, выбор материалов для проектирования значительно сокращается.

Материал Rogers PCB обладает отличной стабильностью диэлектрической проницаемости и температурной устойчивостью. Коэффициент теплового расширения его диэлектрика очень близок к коэффициенту расширения медной фольги, что позволяет компенсировать недостатки подложек из ПТФЭ (политетрафторэтилена). Он особенно подходит для высокоскоростного проектирования, а также для коммерческих микроволновых и радиочастотных (RF) приложений.

Благодаря низкому водопоглощению этот материал является идеальным выбором для условий с высокой влажностью, обеспечивая заказчиков в области высокочастотных плат высококачественными материалами и соответствующими ресурсами, что позволяет эффективно контролировать качество продукции.

В целом, высокочастотные платы Rogers можно определить как печатные платы, работающие на частотах выше 1 ГГц. Они предъявляют высокие требования к физическим характеристикам, точности и техническим параметрам и широко используются в системах связи, автомобильных системах предотвращения столкновений, спутниковых системах и радиосистемах.

Классификация серий материалов плат Rogers PCB

Серия RO3000® (Rogers PCB):

Основана на материалах PTFE с керамическим наполнителем. Модели включают: RO3003G2™, RO3003™, RO3203™, RO3035™, RO3006™, RO3010™, RO3210™.

Серия RO4000® (Rogers PCB):

Керамически наполненные углеводородные ламинаты и препреги Ro4000 являются одной из ведущих продуктовых линеек в отрасли. Включает модели: RO4003C, RO4350B, RO4360G2, RO4830, RO4835T, RO4533, RO4534, RO4535, RO4725JXR и RO4730G3.

Ламинаты RT/duroid® (Rogers PCB):

Высокочастотные материалы RT/duroid® представляют собой композитные ламинаты с наполнителем из PTFE (случайно ориентированное стекловолокно или керамика). Подходят для высоконадежных применений, включая аэрокосмическую и оборонную отрасли. Включают: RT/duroid® 5880, RT/duroid® 5880LZ, RT/duroid® 5870, RT/duroid® 6002, RT/duroid® 6202 и др.

Серия TMM® (Rogers PCB):

Композитные материалы на основе керамики, углеводородов и термореактивных полимеров. Модели: TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i и TMM13i и др.

О PCBfast

Время — это деньги, и PCBfast это понимает. Мы обеспечиваем быструю и надёжную сборку печатных плат (PCBA) со стабильным качеством. От инженерной поддержки до финального производства — наши комплексные услуги PCBA помогают упростить вашу цепочку поставок и ускорить реализацию проекта. Как надёжный производитель сборки печатных плат, мы гарантируем быстрые сроки выполнения и результаты, на которые вы можете положиться.

Подробный анализ параметров Rogers PCB

1. Подложка Rogers PCB обладает низким водопоглощением. При высоком водопоглощении увеличиваются диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери во влажной среде.

2. Коэффициенты теплового расширения подложки Rogers PCB и медной фольги должны быть согласованы. В противном случае при температурных изменениях возможен отслой медной фольги.

3. Диэлектрические потери (Df) материала подложки Rogers PCB должны быть минимальными, так как они напрямую влияют на качество передачи сигнала. Чем меньше потери, тем ниже затухание сигнала.

4. Диэлектрическая проницаемость (Dk) подложки Rogers PCB должна быть низкой и стабильной. В целом, чем ниже, тем лучше: скорость передачи сигнала обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости материала. Высокое значение Dk может привести к задержкам сигнала.

В настоящее время глобальное развертывание 5G ускоряется. Традиционная распределенная архитектура базовых станций 3G/4G включает BBU, RRU и антенно-фидерные системы, где RRU соединяется с антенной через фидер. С увеличением частоты возрастает риск потерь при передаче сигнала. Интеграция RRU и антенно-фидерных систем позволяет сократить потери в фидере и повысить эффективность передачи.

Высокая степень интеграции означает замену большого количества дискретных компонентов печатными платами, что в конечном итоге увеличивает использование PCB в единице оборудования.

Некоторые свойства материалов Rogers PCB

В быстром прототипировании печатных плат Rogers PCB является особым типом плат с определённым техническим порогом: их сложно производить, а стоимость относительно высокая. Многие обычные фабрики по изготовлению прототипов PCB неохотно берутся за такие заказы из-за сложности или небольшого объёма.

Материал Rogers PCB RO4350B позволяет RF-инженерам удобно разрабатывать схемы, такие как согласование цепей и контроль импеданса линий передачи. Благодаря низким диэлектрическим потерям RO4350B имеет преимущества перед обычными материалами в высокочастотных приложениях. Изменение его диэлектрической проницаемости с температурой — одно из самых низких среди аналогичных материалов. В широком диапазоне частот диэлектрическая проницаемость стабильна и составляет около 3,48 (рекомендуемое значение для проектирования — 3,66). Медная фольга LoPro™ снижает потери на вставке, что делает материал подходящим для широкополосных приложений.

Материал Rogers PCB RO4003 может очищаться с помощью обычной нейлоновой щётки. Перед химическим осаждением меди не требуется специальной подготовки. Плата обрабатывается по традиционному процессу для эпоксидных стеклотекстолитов. Обычно нет необходимости в удалении загрязнений после сверления, поскольку система смолы с высоким Tg (280 °C+ / 536 °F+) не склонна к изменению цвета в процессе сверления. Если загрязнения всё же возникают из-за агрессивного сверления, смолу можно удалить стандартным плазменным процессом CF4/O2 или двойной щёлочной обработкой перманганатом.

Требования к термообработке материалов серии RO4000 сопоставимы с эпоксидными стеклотекстолитами. Как правило, если оборудование не требует запекания обычных плат FR-4, то и плиты RO4003 также не нуждаются в этом процессе. Если же запекание является частью стандартного процесса, рекомендуется выдержка при 300 °F (или 250 °F / 121–149 °C) в течение 1–2 часов. RO4003 не содержит антипиренов. Следует учитывать, что платы, обрабатываемые в инфракрасных (IR) установках или при очень низкой скорости прохождения, могут нагреваться до температур выше 700 °F (371 °C), при которых RO4003 может начать гореть. Поэтому при использовании оборудования, способного достигать таких температур, необходимо принимать меры предосторожности.

Материал RO3003 представляет собой композит PTFE с керамическим наполнителем для высокочастотных схем, применяемый в коммерческих микроволновых и радиочастотных приложениях. Эта серия разработана для обеспечения высокой электрической и механической стабильности при конкурентной стоимости. Материал Rogers PCB RO3003 обладает отличной стабильностью диэлектрической проницаемости во всём температурном диапазоне, включая устранение изменений, характерных для стеклонаполненных PTFE при комнатной температуре. Кроме того, коэффициент потерь у ламината RO3003 составляет всего около 0,0013 на частоте до 10 ГГц.

Что такое материал FR4?

Прежде чем решать, выбрать ли FR4 или Rogers PCB, важно сначала понять, что представляет собой материал FR4. FR4 — это очень распространённый материал подложки для печатных плат, который изготавливается путём ламинирования стеклоткани с эпоксидной смолой. Его главные преимущества — низкая стоимость и хорошая механическая прочность, поэтому он широко используется в различных электронных устройствах общего назначения, таких как материнские платы компьютеров и платы телевизоров.

Однако, когда схема должна передавать высокочастотные сигналы, материал FR4 уже не справляется так эффективно. Это связано с тем, что его диэлектрическая проницаемость изменяется в зависимости от частоты, что приводит к значительным потерям сигнала и ухудшению характеристик.

FR4 или Rogers PCB: что выбрать?

Ниже приведена сравнительная таблица материалов FR4 и Rogers PCB, демонстрирующая различия по ключевым характеристикам, производительности и областям применения:

При выборе между диэлектрическим материалом FR4 и материалом Rogers PCB ключевым фактором является область применения вашей схемы:

FR4:

Если вы разрабатываете универсальные низкочастотные электронные устройства с ограниченным бюджетом, то FR4 будет вполне достаточным решением.

Rogers PCB:

Если же ваша схема должна работать с RF-сигналами, микроволнами или высокоскоростными цифровыми сигналами (например, в системах 5G или радиолокации), лучше использовать платы Rogers PCB, поскольку они обеспечивают более стабильные характеристики и меньшие потери сигнала.

Иногда используется комбинированный подход — применение материалов Rogers и FR4 на одной плате. Это позволяет сохранить баланс между производительностью и стоимостью, и широко применяется в современных высокотехнологичных устройствах.

Rogers PCB и PTFE PCB: высокочастотные печатные платы

В области радиочастотных (RF) и микроволновых технологий PTFE PCB (платы на основе политетрафторэтилена) являются крайне важными высокочастотными платами. Их ключевые преимущества — чрезвычайно низкие потери сигнала, высокая эффективность передачи и устойчивость к высоким температурам. Поэтому они широко используются в устройствах с высокими требованиями к производительности, таких как радары, спутниковая связь, базовые станции 5G и высокочастотные коммуникационные модули.

Многие высококачественные материалы Rogers PCB разработаны на основе PTFE. Например, серии RT/duroid и RO3000 относятся к PTFE-материалам. Они обеспечивают стабильную диэлектрическую проницаемость в условиях высоких частот и минимальные потери сигнала, что делает их идеальными для высокоскоростных и RF-приложений.

В отличие от них, традиционные платы FR4 хуже подходят для высокочастотных задач: их диэлектрическая проницаемость нестабильна, а сигнал подвержен затуханию, что ограничивает возможности создания высокопроизводительных устройств. Поэтому для проектов с высокими требованиями (например, 5G или радары) предпочтительнее использовать материалы Rogers или PTFE PCB.

Высокочастотные диапазоны требуют использования высокочастотных материалов PCB

В настоящее время глобальное развертывание 5G ускоряется. Традиционная распределённая архитектура базовых станций 3G/4G включает BBU, RRU и антенно-фидерные системы, где RRU соединяется с антенной через фидер. С увеличением частоты возрастает риск потерь при передаче сигнала. Интеграция RRU и антенно-фидерных систем позволяет уменьшить потери в фидере и повысить эффективность передачи.

Высокая степень интеграции означает замену большого количества дискретных компонентов печатными платами, что в итоге увеличивает количество PCB на единицу оборудования.

Эпоха 5G требует использования высокочастотных диапазонов (согласно 3GPP, диапазон частот 5G NR составляет 450 МГц – 52,6 ГГц), потому что:

1. После развития первых четырёх поколений связи ресурсы низкочастотного диапазона практически исчерпаны, и для 5G остаётся мало доступных ресурсов;

2. Чем выше частота, тем больше информации можно передать и тем выше пропускная способность (например, в 100 МГц можно разместить только 5 каналов по 20 МГц, а в 1 ГГц — уже 50 каналов по 20 МГц). Однако с увеличением частоты усиливается затухание из-за резонансных эффектов и влияния линий передачи.

Для эффективной передачи на высоких частотах необходимо минимизировать потери сигнала в передающих и приёмных устройствах. Поэтому материалы подложек эволюционируют от стандартных к высокочастотным (например, Rogers RO4350).

Изначально в антеннах терминалов использовались FPC (гибкие печатные платы) с основным материалом PI. Однако из-за высоких значений диэлектрической проницаемости (Dk — способность среды препятствовать движению электронов) и диэлектрических потерь (Df — способность среды преобразовывать электрическую энергию в тепловую) эффективность передачи была низкой. Поэтому всё более заметной становится тенденция перехода к материалам LCP (жидкокристаллический полимер) с более низкими Dk и Df.

В настоящее время LCP уже применяется в смартфонах Apple, и ожидается, что он станет одним из основных материалов в будущем. Например, стоимость одного LCP-модуля антенны в iPhone X составляет около 4–5 долларов США.

Базовые станции также требуют использования высокочастотных материалов (например, Rogers RO4350). В настоящее время широко применяются решения на основе PTFE или углеводородных материалов PCB с отличными диэлектрическими свойствами. Это увеличивает стоимость примерно в 1,5–3 раза.

В базовых станциях 3G/4G на уровне RRU уже используются высокочастотные платы переменного тока. В частности, для усилителей мощности RF необходимы высокочастотные материалы (например, Rogers RO4350). В эпоху 5G спрос на такие материалы в AAU и высокочастотных модулях будет значительно расти, что приведёт к увеличению стоимости одной платы за счёт более широкого применения высокочастотных материалов.

Высокочастотные печатные платы — это особый тип медно-фольгированных ламинатов с высокочастотной микроволновой подложкой, также называемый высокочастотными микроволновыми PCB. После дополнительной обработки из них изготавливаются высокочастотные печатные платы. Платы Rogers PCB, выполненные из высокочастотных материалов Rogers, широко применяются в базовых станциях связи, антеннах и авиационной отрасли. Они характеризуются высоким спросом и имеют большие перспективы на рынке.

Как ведущий мировой поставщик специализированных материалов, компания Rogers занимает более 50% мирового рынка и имеет более 20 лет опыта в области радиочастотных решений для антенн базовых станций. Компания открыла третий центр исследований и разработок в США, сосредоточенный на разработке продуктов для 5G, и уже представила высокочастотные платы для RF-антенн 5G. С расширением коммерческого применения 5G компания ожидает значительный рост в сегменте высокопроизводительных материалов.

Рынок уже понимает, что 5G требует большого количества высокочастотных плат, однако не все осознают, что наибольшая эластичность спроса приходится именно на платы Rogers для антенн базовых станций. Поскольку частотный диапазон 5G выше, чем у 4G, требуется использование Rogers PCB, способных работать в миллиметровом диапазоне волн. Тенденция развития антенн направлена на многоканальный приём и передачу (MIMO), а также миниатюризацию. Количество портов антенн увеличилось с традиционных 4 и 8 до 64 и 128, что значительно увеличивает потребность в Rogers PCB для антенных приложений.

Согласно отраслевым исследованиям, даже по консервативным оценкам, стоимость начальных материалов для одной 5G-антенны в 3–4 раза выше, чем для многорежимной антенны 4G. Кроме того, количество плат Rogers PCB, используемых в антеннах с множеством приёмников и передатчиков, значительно превышает их количество в традиционных антеннах. В результате объём рынка высокочастотных плат для антенн базовых станций 5G увеличивается как минимум в 4–6 раз.

С наступлением эпохи коммерческого 5G рынок Rogers PCB имеет очень широкие перспективы развития.