شرح مواد PCB ذات Dk/Df منخفضة: تعزيز تكامل الإشارة والموثوقية المقاومة للرصاص

عند تصميم لوحات الدوائر المطبوعة ذات الترددات العالية أو اللوحات الرقمية عالية السرعة، فإن اختيار مادة الطبقة يحدد بشكل مباشر تكامل الإشارة، وفقدان الإدراج، والموثوقية على المدى الطويل. من بين أهم المعلمات هي Dk (ثابت العزل) و Df (عامل التبدد) — وهما قيمتان تصفان كيف تتعامل مادة PCB مع الإشارات عالية التردد.

مؤخراً، أدى لحام الرصاص الخالي إلى زيادة الحاجة إلى مواد PCB ذات Dk/Df منخفضة مع توافق مع لحام خالي من الرصاص، مع الحفاظ في نفس الوقت على الاستقرار الحراري وقابلية التصنيع.

لماذا Dk و Df مهمان في تصميم PCB عالي التردد

في تصميم PCB عالي السرعة، يحدد سلوك العزل كيفية انتشار الإشارات عبر المسارات والطائرات.

• ثابت العزل (Dk): يحدد سرعة انتقال الإشارة ويؤثر على التحكم في المقاومة. Dk أقل يعني انتقال أسرع وتوقيت أكثر قابلية للتنبؤ.
• عامل التبدد (Df): يقيس فقدان العزل — كمية الطاقة التي تتحول إلى حرارة. Df أقل يوفر تكامل إشارة أفضل وفقدان إدراج أقل عند الترددات العالية.

في الترددات التي تقل عن 1 جيجاهرتز، يعمل FR-4 بشكل جيد. ولكن مع زيادة معدلات البيانات إلى أكثر من 10-25 جيجابت في الثانية، يمكن أن يتسبب التباين البسيط في Dk/Df في انهيار رسم العين، والتأخير، أو التداخل. لذلك، أصبحت المواد ذات فقدان منخفض الآن هي المعيار في تصاميم PCB الخاصة بـ RF و 5G.

لحام خالي من الرصاص يزيد من تعقيد اختيار المواد

كانت مواد Low Dk Df PCB Materials موجودة منذ عقود، ولكن إعادة التدفق الخالي من الرصاص (عادة 245–260 درجة مئوية) تخلق متطلبات موثوقية جديدة. يجب أن تجمع المواد الآن بين الأداء الكهربائي الممتاز والقدرة الحرارية — وخاصة Tg العالي، Td العالي، و CTE المحكم في الاتجاه Z.

المادة التي تحتوي على Dk/Df عالي ولكن غير متوافقة مع اللحام الخالي من الرصاص ستفشل أثناء التجميع — مما يجعل المواد المتوافقة مع اللحام الخالي من الرصاص ضرورة للإنتاج.

أنواع مواد PCB ذات Dk/Df منخفضة ومتوافقة مع اللحام الخالي من الرصاص

عادةً ما يختار المهندسون من ثلاث فئات رئيسية حسب الأداء والميزانية.

① أنظمة الإيبوكسي المعززة

• Dk: ~3.2–3.6 | Df: ~0.006–0.010 @ 10 جيجاهرتز
• المزايا: تكلفة منخفضة، معالجة سهلة، استبدال مباشر لـ FR-4
• الاستخدام: 10–25 جيجابت في الثانية، الرقمية عالية السرعة، مقدمة رادار السيارات.

هذه المواد ذات فقدان منخفض مثالية للمصممين الذين ينتقلون من FR-4 إلى الأنظمة عالية الأداء دون تغيير في عمليات التصنيع.

② مزيج PPO / PPE / الهيدروكربون

• Dk: ~3.0–3.3 | Df: ~0.003–0.006
• المزايا: استقرار عازل ممتاز، توازن بين فقدان الإشارة والأداء الحراري
• التطبيقات: 25–56 جيجابت في الثانية SerDes، هوائيات 5G Sub-6 GHz، اللوحات الخلفية

هذه المواد متوافقة مع اللحام الخالي من الرصاص وتوفر توازنًا ممتازًا بين التكلفة وقابلية التصنيع وأداء PCB RF.

③ المكونات القائمة على PTFE أو الفقدان المنخفض للغاية

• Dk: 2.1–2.6 | Df: 0.0009–0.002
• المزايا: فقدان عازل منخفض للغاية
• العيوب: تكلفة عالية، تحكم أصعب في العملية
• الاستخدام: رادار mmWave، الاتصال عبر الأقمار الصناعية، الهوائيات المصفوفة.

توفر مواد PTFE أفضل الخصائص العازلة ولكنها تتطلب تصنيعًا متقدمًا — مثالية للمواد عالية التردد في PCB فوق 28 جيجاهرتز.

Dk و Df يتغيران مع التردد

هناك فكرة خاطئة شائعة وهي أن Dk و Df هما ثوابت ثابتة. في الواقع، تتغير كلا القيمتين مع التردد وظروف الاختبار.

مع زيادة التردد:

• يرتفع Df بسبب زيادة فقدان الاستقطاب.
• ينخفض Dk قليلاً لأن الجزيئات الاستقطابية لا تستطيع متابعة التغيرات السريعة في المجال الكهربائي.

على سبيل المثال، قد يتم تصنيف مادة بمعدل Dk = 3.50 عند 1 جيجاهرتز وقد تظهر Dk = 3.25 عند 10 جيجاهرتز، مع زيادة Df بشكل شبه مضاعف.
لذلك يجب على المهندسين دائمًا طلب بيانات Dk/Df الخاصة بالتردد من الموردين أو التحقق منها باستخدام اختبار S-parameter أو طرق الميكروستريب.

محتوى الراتنج يؤثر بشكل مباشر على الأداء العازل

حتى ضمن نفس فئة المواد، يؤثر محتوى الراتنج بشكل كبير على الأداء العازل. يؤدي نسب التحضير / النواة المختلفة إلى تغييرات في Dk و Df:

• محتوى راتنج أعلى:
• يقلل Dk (مزيد من الراتنج والهواء)
• يقلل Df (أقل فقدان للألياف الزجاجية)
• محتوى زجاج أعلى:
• يزيد Dk
• يخلق تباينًا وأثرًا لزخرفة الألياف الزجاجية

هذا هو السبب في أن اختيار المواد يجب أن يأخذ في الاعتبار التكوين الفعلي للطبقات، وليس فقط القيم الموجودة في ورقة البيانات.
دائمًا تأكد من أن محتوى الراتنج وهيكل الطبقات يتوافق مع تردد الإشارة المستهدف.

التوازن بين الأداء الكهربائي والحراري هو المفتاح

اختيار المواد في PCB الحديثة ليس مجرد أرقام Dk و Df — بل هو تحقيق توازن بين الأداء الكهربائي والحراري.

النقاط الأساسية:

• Dk/Df منخفض = فقدان إشارة أقل، ولكن ليست جميع المواد يمكنها التعامل مع إعادة التدفق الخالي من الرصاص.
• Tg، Td، و CTE ثابتة هي أمور حيوية بنفس القدر لضمان الموثوقية على المدى الطويل.
• محتوى الراتنج و التردد يؤثران بشكل مباشر على سلوك Dk/Df.
• تعاون مع مورد PCB الخاص بك مبكرًا للتحقق من المواصفات الكهربائية والميكانيكية.

الأسئلة الشائعة: Low Dk/Df و التوافق مع اللحام الخالي من الرصاص

الأفكار الختامية

مع انتقال معدلات البيانات إلى العشرات من جيجابت في الثانية، أصبحت مواد PCB هي العائق الجديد في الأداء.
إن اختيار مواد PCB ذات Dk/Df منخفضة ومتوافقة مع اللحام الخالي من الرصاص هو الأساس لبناء أجهزة موثوقة وعالية السرعة — من محطات 5G إلى رادار السيارات و ربط البيانات في مراكز البيانات.

في FastTurn PCB، نحن متخصصون في تصنيع PCB منخفض الفقد، والتحقق من العزل، وتصميم التراكمات الخالية من الرصاص لمساعدتك في توفير إشارات أسرع وأنظف بثقة.