חידושים בחומרי מעגלים מודפסים בתדירות גבוהה

Art Aguayo, Rogers Corporation

הגישה האלחוטית לנתונים מהירים הופכת נחוצה בתחומים רבים, בהם ביטחון, אוויר–חלל רשתות לניידים וכיו”ב. לאנשי הלוחמה העתידיים, חיילים או אנשי עסקים, יהיה צורך בגישה נרחבת לקצבי נתונים מהירים, כדי להשלים בהצלחה את משימתם. רשתות התקשורת והטכנולוגיות יידרשו לטפל בנתונים שצפוי שיוכפלו מדי שנה, ולכן יעמידו אתגרים חדשים בפני קהילת התכנון והספקים. נוצר הצורך לענות על צפיפות ופונקציונליות מורחבות, רמות הספק גדולות יותר ועלויות כוללות מופחתות, והכל מתחיל במעגלים מודפסים לתדירות גבוהה. המאמר מתאר התפתחויות בטכנולוגיות החומרים לגלי–מיקרו ולת”ר (RF), שעונים על צורכי המתכננים של מערכות ביטחוניות ורשתות מסחריות בדור הרביעי (4G).
חומרים אורגניים למעגלים מודפסים משמשים כבר ביישומי גלי–מיקרו ות”ר משנות החמישים. הדור הראשון היה PTFE מרוכב בזכוכית ארוגה. הם סיפקו קבועים דיאלקטריים מבוקרים והפסדים דיאלקטריים נמוכים של עד 10 ג’יגה–הרץ. חומרים אלו שימשו בוואריאציות שונות במשך ארבעים השנים הבאות, בעיקר בתעשיות הביטחוניות וחלל–אוויר, שהתמקדו בביצועים ולא בעלות. שנות התשעים, עם הקטנת ההוצאות לביטחון והופעת התקשורת הניידת, הביאו עמם שינויים רבים שגרמו למתכננים בתחומי גלי–מיקרו ות”ר להתמקד בהקטנת עלויות המערכת הכוללות. כדי שהחומרים למעגלים מודפסים שהופיעו בזמן זה יהיו מוצלחים, היה עליהם לא רק לפעול היטב מבחינה חשמלית, אלא גם שעלויות הייצור וההרכבה שלהם ישתוו לשיטות ייצור FR–4. כדי לענות על צרכים אלו פותח דור חדש של חומרים ששילבו שרף פחמימני שעבר אשפרה (תרמוסט). אלה אפשרו עיבוד דומה ל–FR–4 והקטינו עלויות במיוחד במעגלים מרובי שכבות (MLB). איור 1 מציג את התפתחות של החומרים לתדירות גבוהה. במשך 10-15 השנים שחלפו, משמשים החומרים בשוק הביטחוני המשתנה ובשוק התקשורת, שעבר מדור שני לשלישי. האתגרים החדשים נעוצים בשוק הביטחוני שמעונין להגדיל באופן משמעותי את יכולות רשתות התקשורת ובמערכות התקשורת הניידת שעוברות לדור הרביעי. בשנתיים האחרונות הופיעו בשוק חומרים חדשים המאפשרים התמודדות עם האתגרים באופן כדאי יותר מבחינת עלות, הן של תכנון מערכת אנטנה מוטסת או מגבר הספק לתחנות בסיס.

הפסדי מעגל מוקטנים
בתכנון רבים מבין היישומים כיום, המטרה היא למצוא אמצעי להקטנת הפסדי המעגל הכוללים. ביישומים מסוימים המניע הוא תדירות עבודתם הגבוהה מ–60 ג’יגה–הרץ כמו במכשירי רדיו לפס E בגלי מיקרו. במקרים אחרים הקטנת ההפסדים מיועדת להקטין את החום במגברים להספק גבוה. במעגלי גלי מיקרו קיימים שלושה סוגי הפסדים הקשורים לטכנולוגיית המעגלים המודפסים. הפסדי קרינה תלויים יותר בתכנון ואינם בתחום מאמר זה. הפסדים דיאלקטריים קשורים בעיקר למקדם הפיזור (DF) של החומר הדיאלקטרי ומובנים היטב למתכננים. לעומתם, הפסדי המוליכים לא תמיד נלקחים בחשבון בצורה ראויה ברבים מהתכנונים, והם עלולים להיות מקור אי–ההתאמה שבין הערכים שמופיעים במודל לאלו שנמדדים בפועל. נדון בהשפעות של הפסדי המוליכים מהיבטי חספוס המוליך והגימור המתכתי.
לחספוס המוליך ולמשטח שבין המוליך והחומר הדיאלקטרי יש השפעה גדולה על ההפסדים הכוללים. חספוס גדול במשטח הנחושת מתורגם לשטח פנים גדול יותר ונתיב ארוך יותר לגל. תופעה זו מעמיקה ככל שהתדירויות עולות והעובי הדיאלקטרי קטן. מומלץ להשתמש במוליך נחושת בפרופיל נמוך ביישומי תדירות גבוהה. עם זאת, עמידות הנחושת לקילוף יחסית ישר לחספוס פני השטח של הנחושת עבור שרף נתון. במקרה שמשתמשים בחומרי תרמוסט לתדירות גבוהה, אין אפשרות להשתמש בנחושת חלקה בשל יכולת ההדבקה הנמוכה לחומר המעגל המודפס. פיתוח חומר חדש לשינוי פני הנחושת איפשר שימוש בנחושת חלקה עד 0.6 מיקרו–מטר rms ללא פגיעה בעמידות לקילוף. איור 2 מציג את השיפור בהפסדי המעבר במוליך נחושת חשוף של 50 אוהם על חומר דיאלקטרי בעובי 0.1 מ”מ עם חומר שינוי זה המשמש בלמינציית (רבידה) RO4350B LoPro.
השימוש בנחושת בפרופיל נמוך על פחמימן במילוי קרמיקה משפר את הפסדי המעבר ב– 40% ומאפשר תדירויות שקודם לכן לא שימשו בשל ההפסדים שלהן. שיפור זה צמצם את הפער בהפסדים בין סוג מצע זה למצעי PTFE בעלי מקדם DF נמוך, ואיפשר להשתמש בחומרים כדאיים יותר מבחינת עלותם.
סוג גימור הציפוי יכול להשפיע על ההפסדים הכוללים בגלל ציפוי במתכת עם מוליכות נמוכה יותר שמכסה את שפת המוליך. ייתכן שציפוי בכסף הוא יוצא הדופן היחיד בזכות מוליכותו הזהה לנחושת. עם זאת, גימור זה אינו מועדף כמו גימורים אחרים כדוגמת EING או שיקוע בבדיל.
בשנים האחרונות, משמש לרוב גימור ENIG בתעשיית המעגלים המודפסים. הוא טוב מאוד לשמירה על פני שטח נקיים ונותר קל להלחמה במשך תקופות ארוכות. לרוע המזל הניקל לא נחשב למוליך טוב, ובוודאי לפחות טוב בהרבה לעומת הנחושת. לניקל יש גם תכונות פרו–מגנטיות שמשפיעות לרעה על השדות המגנטיים. רוב ספקי הציפויים בתעשייה פותרים את התכונות הפרו–מגנטיות באמצעות סגסוגת מסוימת של ניקל. בעיית המוליכות הנמוכה נותרה על כנה. בחברת Rogers בוצע מחקר פנימי שהתייחס להשפעות של גימור ENIG ולהפסדי המוליך. באיור 3 מופיע תרשים המסכם חלק מהמידע שהופק במחקר.
מבחר גדול של נחושת בפרופיל נמוך וציפוי עם הפסדים נמוכים חשוב כמו מבחר של חומרים מתאימים בתכנון מעגלים לתדירות גבוהה. יתרון של נחושת חלקה, שאינו בולט לעין, הוא ההקטנה בעליית הטמפרטורה הנובעת מהעברת ההספק בת”ר. ההפסדים נחשבים כחלק מהחישובים של הערכת העלייה בטמפרטורה. מאחר שתכונת החלקות של המוליך משפיעה על הפסדי המעבר, הקשר בין חספוס מוקטן לבין השיפור בניהול החום הופך לברור. להבהרת הקשר, טבלה 1 משווה את הספק ת”ר הנדרש כדי להעלות את טמפרטורת פני השטח ב–100 מעלות צלזיוס במעגל פס–מיקרו (microstrip) ב–2.1 ג’יגה–הרץ של חומר RO4350B המסורתי בעובי 0.5 מ”מ למוצר RO4350B LoPro החדש בעובי זהה.
כמוצג בטבלה זו, עבור רמת הספק נתונה, עליית הטמפרטורה תהיה נמוכה יותר בשימוש בנחושת חלקה כגון LoPro, וטמפרטורת עבודה נמוכה יותר תגדיל את זמן MTBF של המערכת.

אפשרויות הבחירה בחומר דק
תדירויות העבודה ביישומים מסחריים לתדירות גבוהה היו בעבר נמוכות מ–40 ג’יגה–הרץ. יישומים שפעלו בתדירויות גבוהות יותר, היו בדרך כלל צבאיים באופיים, אך הופעת הדור הרביעי והגידול החזוי בנתוני הפס הרחב הנייד מעלים שאלות באשר לאמצעי היעיל לחיבור התשתיות האלחוטיות לנייחות ובינן לבין עצמן. לפיתוח אמצעי רדיו בפס E שפועל בתדירויות מעל ל–60 ג’יגה–הרץ יש חשיבות רבה עבור קישורים בגלי–מיקרו. חלק מיצרני OEM פיתחו מערכות עם החומרים המסורתיים ועם הפסדים משופרים במוליכים. צוותים אחרים השתמשו בסוגי חומרים חדשים לחלוטין שמטבעם הם דקים ואחידים. אחת השאלות הכרוכות בחומרים מחוזקים בזכוכית ארוגה, הייתה אם מחזוריות אריגת הסיבים משפיעה על הקבוע הדיאלקטרי ברמה המיקרוסקופית, מאחר שבתדירות מעל 77 ג’יגה–הרץ, רבע אורך גל הופך להיות קטן מ–0.8 מ”מ. איור 4 מדגים כיצד מוליך יכול להימצא על משטח עשיר בשרף או בסיבי זכוכית, בתלות במיקומו. למיקום זה יכולה להיות השפעה על ביצועי המעגל בתלות ביישום.
שינוי מיקרו זה בתכונות החשמליות אינו מופיע בחומר אחיד יותר. חומר כזה קיים מזה כמה שנים וזוכה לאחרונה לתשומת לב בזכות יישומי התדירות הגבוהה. חומר זה מורכב מפולימר גבישי נוזל (LCP) עם קבוע דיאלקטרי של 2.9 וטנגנס הפסדים של 0.0025 ב–10 ג’יגה–הרץ.

ל–LCP יש יכולות מצוינות בתדירויות גבוהות מאוד. מעגל LCP נבדק במסגרת מחקר בטווח רחב ביותר של תדירויות עד 110 ג’יגה–הרץ. הבדיקה נעשתה על מוליך גלים CBCPW המופיע באיור 5.
הביצועים החשמליים שנמדדו במחקר היו יוצאי דופן והם מוצגים באיור 6.
נושאי ייצור מעגלים עם LCP תלויים במידה רבה במבנה המעגל. במחקר נעשה שימוש במעגל דו–צדדי פשוט עם חורים עוברים מצופים (PTH). מבנה שהוא קל למדי לייצור, על אף שיש לשים לב לפרמטרי הקידוח הנכונים. אפשר ליצור מעגלי 3 ו–4 שכבות הומוגניים, אך קשה יותר ליצור מבנים מורכבים שלהם יש צורך ביצירת שכבות בהדרגה, בשל האופי התרמופלסטי של השכבות.

ביטחון וחלל–אוויר
השוק הראשון למעגלי תדירות גבוהה היה בתחומי הביטחון וחלל–אוויר, ולמרות שהתכווץ, הוא עדיין מספק הזדמנויות בתחומי האלקטרוניקה המתקדמים. תכנון חומרים חדשים מאפשר התקדמות בטכנולוגיות חדשות. אנטנות מכם מוטס הופכות מורכבות יותר ומהוות חלק גדול יותר של הכלים הצבאיים המשמשים לניטור נקודות חשובות בעולם. מעגלים מודפסים קלי משקל עם קבועים דיאלקטריים נמוכים נדרשים לתכנונים החדשים. חומרים מוקצפים למעגלים מודפסים שהופיעו בעבר לא הצליחו, וחסרונותיהם העיקריים נעוצים בקושי לעבד אותם, במיוחד בעת יצירת חורים עוברים מצופים, ובמגבלות התרמיות שלהם. הדור הבא של מוצרים עונה על הבעיות האלו. החומר RT/duroid 5880L מהווה מצע למעגלים מודפסים עם קבוע דיאלקטרי נמוך של 1.96, משקלו קל ומגיע ל–1.37 גרם לסמ”ק, יש לו יכולת לחורים עוברים מצופים והוא עמיד בטמפרטורה. בנוסף יש לו ערכים נמוכים של מקדם התפשטות תרמית ושל מקדם קבוע דיאלקטרי לטווח קצר (כפי שנראה באיור 7), ולכן הוא מתאים לסביבת טמפרטורה משתנה.
לאנטנות מוטסות נדרשות לעתים שכבות דקות עם רשתות של נגדי חלוקת מתחים. השימוש בשכבות התנגדותיות הוגבל עד כה על ידי האפיצות (טולראנס) שחרגה מעשרים אחוזים (ללא כיול משני). שינויים קלים בבסיס הנחושת, בחומר הדיאלקטרי ובתהליך יצירת השכבות הביאו לשיפור באפיצות.
למתכננים יש מעתה יכולת לעבוד עם חומרים דיאלקטריים דקים ויציבים בטמפרטורה, שמבוססים על חומרי מילוי ושרף נבחרים עם אפיצויות הדוקות בשילוב שכבות נחושת התנגדותית.

מסקנות
הצרכים המתפתחים של השוק ממשיכים להניע את פיתוח החומרים למעגלי תדירות גבוהה. חומרים חדשים מאפשרים תכנון של מוצרי הדור הבא, בין אם תשתית אלחוטית בתדירות נמוכה, או מוצרי רדיו ומערכות ביטחוניות ומוטסות דורשניים יותר בגלי מיקרו של יותר מ–60 ג’יגה–הרץ. שיתוף פעולה הדוק בין מתכנני OEM, יצרני מעגלים וספקי חומרים הוא חיוני ביותר לעמידה במטרות התכנון במועד ועלויות מתקבלות על הדעת.

*הכתבה נמסרה באדיבות חברת מל-סיון נציגתה הבלעדית של חברת ROGERS בישראל