مع استمرار ارتفاع سرعات الإشارات، يصبح اختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) أكثر من مجرد قرار ميكانيكي. فالخصائص الكهربائية التي لم يكن لها تأثير يذكر على الدوائر منخفضة السرعة يمكن أن تصبح حاسمة في التصميمات الرقمية وتصميمات الترددات اللاسلكية (RF) عالية السرعة.
ومن بين تلك العقارات ما يلي: فقدان العزل الكهربائي, ، والتي غالبًا ما تظهر في أوراق بيانات المواد على النحو التالي: Df أو معامل التبديد.
على الرغم من أن معامل Df يُناقش عادةً جنبًا إلى جنب مع الثابت العازل الكهربائي (Dk)، إلا أنه يصف خاصية مختلفة للمادة. ويساعد فهم هذا الاختلاف المهندسين على اختيار الألواح المركبة التي تتوافق مع متطلبات الأداء وميزانيات التصنيع على حد سواء.
ما هي الخسارة العازلة؟
يصف الفقد العازل مقدار طاقة الإشارة التي تمتصها المادة العازلة عند مرور إشارة كهربائية عبرها.
بدلاً من أن تنتقل الطاقة بالكامل عبر المسارات النحاسية، يتحول جزء صغير منها إلى حرارة داخل المادة العازلة.
كلما انخفضت الخسارة العازلة، زادت كفاءة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) في نقل الإشارات عالية التردد.
إذا كنت لا تعرف الكثير عن معلمات المواد، فمن المفيد أن تبدأ أولاً بفهم شرح الثابت العازل (Dk) للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) في سياق اختيار المواد, ، نظرًا لأن Dk و Df يتم تقييمهما معًا في العادة.
ما هو معامل التبديد (Df)؟
معامل التبديد هو القيمة العددية المستخدمة لوصف الخسارة العازلة.
يُدرج موردو المواد المعامل Df في أوراق بيانات الألواح المركبة، حتى يتمكن المصممون من مقارنة الأداء الكهربائي بين المواد المختلفة.
بشكل عام:
- كلما انخفضت قيمة Df، انخفض فقدان الإشارة.
- كلما ارتفع معامل Df، زادت الطاقة المفقودة على شكل حرارة.
بالنسبة للأجهزة الإلكترونية التي تعمل بسرعات منخفضة، قد لا يكون لهذه الاختلافات تأثير عملي يذكر. ومع ذلك، مع ارتفاع الترددات، يصبح معامل Df عاملاً أكثر أهمية في اختيار المواد.
لماذا تُعد الخسارة العازلة أمرًا مهمًا؟
لا تتطلب كل لوحة دوائر مطبوعة (PCB) استخدام مادة ذات خسارة منخفضة للغاية، ولكن هناك تطبيقات يكون لـ Df فيها تأثير ملحوظ.
الأنظمة الرقمية عالية السرعة
تكون الواجهات التي تعمل بمعدلات نقل بيانات عالية جدًّا أكثر حساسية لتوهين الإشارة.
تساعد المواد ذات الخسائر المنخفضة في الحفاظ على جودة الإشارة عبر مسارات إرسال أطول.
دوائر الترددات اللاسلكية والموجات الدقيقة
تنتقل إشارات التردد اللاسلكي (RF) بترددات أعلى بكثير من تلك المستخدمة في الدوائر الرقمية التقليدية.
تساهم المواد ذات القيمة المنخفضة لـ Df في تقليل خسارة الإدخال وتحسين الكفاءة الإجمالية للنظام.
إذا كنت تقارن بين الخيارات الشائعة للأرضيات الخشبية المركبة،, FR4 مقابل روجرز ثنائي الفينيل متعدد الكلور للتصميم عالي التردد يوضح السبب وراء اختيار المواد المتخصصة في كثير من الأحيان لمنتجات الترددات اللاسلكية.
مسارات الإرسال الطويلة
تزداد خسارة الإشارة مع زيادة طول المسار.
فيما يتعلق باللوحات الخلفية ومعدات الاتصالات وأجهزة الشبكات، تزداد أهمية الخسارة العازلة بشكل متزايد.
القيم النموذجية لمعامل Df لمواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور الشائعة
توفر أنظمة الرقائق المختلفة مستويات مختلفة من الخسارة العازلة.
| المواد | نطاق Df النموذجي |
|---|---|
| معيار FR4 | 0.015–0.025 |
| FR4 عالي Tg4 | 0.012–0.020 |
| FR4 منخفض الخسارة | 0.005–0.010 |
| مواد روجرز | 0.002–0.004 |
| المواد المستندة إلى PTFE | أقل من 0.002 |
تختلف القيم الفعلية باختلاف الشركة المصنعة للرقائق الخشبية وتواتر إجراء الاختبارات.
Df يختلف عن Dk
على الرغم من أن Dk و Df غالبًا ما يظهران معًا في أوراق بيانات المواد، إلا أنهما يصفان خصائص مختلفة.
| الممتلكات | Dk | Df |
|---|---|---|
| الغرض الرئيسي | انتشار الإشارة | فقدان طاقة الإشارة |
| التأثير الرئيسي | المعاوقة والتأخير | توهين الإشارة |
| الأهمية | جميع تصاميم لوحات الدوائر المطبوعة | تصميمات الدوائر عالية السرعة والترددات اللاسلكية |
عند اختيار المواد للاستخدامات التي تتطلب معايير صارمة، ينبغي مراجعة هاتين القيمتين معًا وليس كل على حدة.
العوامل التي تؤثر على الخسارة العازلة
هناك عدة متغيرات تؤثر على قيمة Df المقاسة لمادة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).
تركيب المواد
من الطبيعي أن تنتج أنظمة الراتنج المختلفة خسائر عازلة مختلفة.
وهذا أحد الأسباب التي تجعل أداء الرقائق القياسية من نوع FR4 والرقائق عالية التردد يختلف عن بعضهما.
تردد التشغيل
تزداد الخسارة العازلة عمومًا مع ارتفاع تردد الإشارة.
قد لا توفر المادة التي تُظهر أداءً جيدًا عند الترددات المنخفضة نفس الأداء عند ترددات الموجات الدقيقة.
درجة الحرارة
قد تتغير الخصائص الكهربائية بشكل طفيف مع تغير درجة حرارة التشغيل.
بالنسبة للمنتجات المستخدمة في البيئات الصعبة، ينبغي أخذ ذلك في الاعتبار عند اختيار المواد.
جودة التصنيع
يساعد الإنتاج المتسق للرقائق المركبة على الحفاظ على أداء كهربائي ثابت بين دفعات الإنتاج.
المقال شرح رقائق الـPCB في سياق تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة يناقش كيف يسهم التصنيع بالطبقة المركبة في جودة لوحات الدوائر المطبوعة.
متى تكون المواد ذات قيمة Df منخفضة ضرورية؟
عادةً ما يتم اختيار المواد منخفضة الخسارة من أجل:
- معدات الاتصالات اللاسلكية
- أنظمة الميكروويف
- إلكترونيات الرادار
- أجهزة الشبكات عالية السرعة
- معدات مراكز البيانات
- معدات الاختبار عالية التردد
بالنسبة للعديد من منتجات التحكم الصناعية، والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، ولوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ذات الأغراض العامة، لا يزال مادة FR4 القياسية توفر أداءً مناسبًا.
لا يكون اختيار اللامينيت عالي الجودة مبرراً إلا عندما يتطلب الاستخدام ذلك.
يجب أن يحقق اختيار المواد التوازن بين الأداء والتكلفة
تتسم المواد ذات معامل Df المنخفض عمومًا بأنها أغلى ثمناً من مادة FR4 التقليدية.
بالنسبة للعديد من المنتجات التجارية، لا توفر هذه التكلفة الإضافية سوى فائدة عملية ضئيلة.
النهج الأفضل هو مطابقة المادة مع المتطلبات الكهربائية للتصميم بدلاً من اختيار أقل قيمة لـ Df متاحة.
يُعد فهم الاختلافات بين المواد المتاحة جزءًا مهمًا من تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). النظرة العامة الواردة في أنواع مواد PCB المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة الحديثة تُعد نقطة انطلاق مفيدة عند مقارنة خيارات الركائز.
كيفية اختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بناءً على Df
- الخطوة 1
حدد تردد التشغيل ومعدل نقل البيانات للدائرة.
- الخطوة 2
تقدير مقدار فقدان الإشارة المقبول عبر مسارات الإرسال الأطول.
- الخطوة 3
قارن بين Df و Dk، والخصائص الحرارية، ومتطلبات التصنيع.
- الخطوة 4
راجع الرقاقة المختارة مع الشركة المصنعة للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) قبل إتمام تصميم طبقات اللوحة.
الخاتمة
يُعد الفقد العازل إحدى الخصائص الكهربائية الرئيسية المستخدمة لتقييم مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).
بالنسبة للمنتجات الإلكترونية التقليدية، عادةً ما يوفر مادة FR4 القياسية أداءً كافياً. ومع ذلك، مع ارتفاع الترددات، يمكن أن تساعد المواد ذات الخسارة المنخفضة في تقليل التوهين والحفاظ على جودة الإشارة.
بدلاً من التركيز على معامل العزل (Df) وحده، ينبغي على المهندسين تقييم الخسارة العازلة جنبًا إلى جنب مع الثابت العازل، والأداء الحراري، وقابلية التصنيع، والتكلفة الإجمالية للمشروع، وذلك لاختيار مادة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الأنسب.
الأسئلة الشائعة
ج: الخسارة العازلة هي الطاقة الكهربائية التي تمتصها المادة العازلة أثناء مرور الإشارات عبر لوحة الدوائر المطبوعة.
ج: Df، أو معامل التبديد، هو القيمة المستخدمة لوصف الخسارة العازلة. وتشير قيم Df الأقل إلى انخفاض خسارة الإشارة.
ج: ليس بالضرورة. تُعد المواد ذات معامل Df المنخفض مفيدة في التطبيقات عالية السرعة وتطبيقات الترددات اللاسلكية، لكن العديد من المنتجات الإلكترونية القياسية تعمل بشكل جيد مع مادة FR4 التقليدية.
ج: عادةً ما توفر الرقائق عالية التردد، مثل مواد «روجرز» والمواد القائمة على مادة PTFE، خسارة عازلة أقل مقارنةً بمادة FR4 القياسية.
ج: كلا الخاصيتين تصفان السلوك الكهربائي لمواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). تؤثر قيمة Dk على انتشار الإشارة، بينما تشير قيمة Df إلى مقدار طاقة الإشارة التي تُفقد أثناء الإرسال.
