ProtoLaser U4 и ProtoMat S против классического метода травления
Используя три различных метода, создается прототип микрополоскового фильтра на печатной плате и сравниваются результаты. В первых двух методах печатная плата структурирована путем механического удаления меди основного материала в одном случае с помощью лазерной абляции (ProtoLaser U4), во втором – путем фрезерования (ProtoMat S). Третий метод – классический химический метод травления меди. Это также сравнение между быстрыми и простыми внутренними процедурами, лазерной абляцией и фрезерованием, по сравнению с классической технологией производства печатных плат.
Структура фильтра
Два полосковых фильтра были исследованы на частотах 2,4 ГГц и 10 ГГц. Каждый фильтр был изготовлен из двух типов материалов. Стандартный материал FR4 толщиной 1,0 мм с медным покрытием 18 мкм. С другой стороны, специальный недорогой высокочастотный материал Rogers RO4003C толщиной 0,81 мм. Характеристики схемы были смоделированы с помощью программного обеспечения для моделирования CST, а определенные S-параметры использовались в качестве эталонных значений.
Измерения
Механические размеры плат были определены с помощью оптической измерительной системы. Параметры радиочастотной передачи (параметры рассеяния) были проанализированы в Институте Фраунгофера IAF с использованием анализатора сетевой работы (PNA-E8361C) от Agilent.
Результаты
Измеренные длины и ширины печатных плат, изготовленных в производственных процессах лазерной абляции, фрезерования и травления, а также значения, указанные в данных САПР, перечислены в таблицах с 1 по 4.
При этом каждая из технологии производства влияет на окончательную геометрию печатных плат. В случае химического травления важную роль играет перенос защитного слоя на основной материал, а также недостаточное или избыточное травление, а оптимальный расчет траекторий, параметров инструмента и поглощения имеет решающее значение при лазерной обработке. При механическом фрезеровании важна адгезия между медью и подложкой в дополнение к расчету траектории инструмента, а также износ и геометрия используемых фрезерных инструментов.
Рис. 1: CAD-проектирование полосового фильтра 2,4 ГГц для материала Rogers RO4003C
Рис. 2: CAD Проектирование фильтра 10 ГГц для материала Rogers RO4003C
Рис. 3: Печатная плата полосковых фильтров 2,4 ГГц изготовлена из материала Rogers RO4003C
Рис. 4: Печатная плата, фильтр 10 ГГц изготовлен из материала Rogers RO4003C
Измеренные длины и ширины печатных плат, изготовленных в производственных процессах лазерной абляции, фрезерования и травления, а также значения, указанные в данных САПР, перечислены в таблицах с 1 по 4.
При этом каждая из технологии производства влияет на окончательную геометрию печатных плат. В случае химического травления важную роль играет перенос защитного слоя на основной материал, а также недостаточное или избыточное травление, а оптимальный расчет траекторий, параметров инструмента и поглощения имеет решающее значение при лазерной обработке. При механическом фрезеровании важна адгезия между медью и подложкой в дополнение к расчету траектории инструмента, а также износ и геометрия используемых фрезерных инструментов.
| Технология | CAD, x (mm) | CAD, y (mm) | Изм. x (mm) | Изм. y (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Лазер | 38,2 | 0,6 | 38,261 | 0,598 |
| Травление | 38,2 | 0,6 | 37,729 | 0,566 |
| Фрезерование | 38,2 | 0,6 | 38,167 | 0,622 |
Таблица 1: Размеры печатной платы полоскового фильтра 2,4 ГГц, материал Rogers RO4003C
| Технология | CAD, x (mm) | CAD, y (mm) | Изм. x (mm) | Изм. y (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Лазер | 8,8 | 0,7 | 8,718 | 0,688 |
| Травление | 8,8 | 0,7 | 8,805 | 0,678 |
| Фрезерование | 8,8 | 0,7 | 8,764 | 0,650 |
Таблица 3: Размеры печатной платы полосового фильтра 10 ГГц, базовый материал Rogers RO4003
| Технология | CAD, x (mm) | CAD, y (mm) | Изм. x (mm) | Изм. y (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Лазер | 35,4 | 0,6 | 35,400 | 0,604 |
| Травление | 35,4 | 0,6 | 35,425 | 0,573 |
| Фрезерование | 35,4 | 0,6 | 35,405 | 0,605 |
Таблица 2: Размеры печатной платы полоскового фильтра 2,4 ГГц, FR4
| Технология | CAD, x (mm) | CAD, y (mm) | Изм. x (mm) | Изм. y (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Лазер | 7,8 | 0,7 | 7,758 | 0,703 |
| Травление | 7,8 | 0,7 | 7,816 | 0,671 |
| Фрезерование | 7,8 | 0,7 | 7,798 | 0,681 |
Таблица 4: Размеры печатной платы полосового фильтра 10 ГГц, FR4
Анализ
Оптически измеренные значения геометрии печатной платы показывают, что все процессы подвержены отклонениям, см. таблицы с 1 по 4. Отклонения самые низкие при лазерной абляции. Классический процесс травления имеет самые высокие различия в ширине, в то время как размеры длины отличаются незначительно. Средние значения по сравнению с данными САПР составили 1,19% для лазерной обработки, 3,72% для фрезерования и 4,75% для травления.
Методология определения допуска: Допуск определялся из отношения разницы фактического значения к заданному значению САПР, деленного на значение САПР. Отклонения от значений x и y были сложены, и среднее значение было определено для всех четырех выборок (см. уравнение 1).
Уравнение 1: Средний допуск (ε) размеров микрополосков как среднее значение сумм, определенных из абсолютных значений для каждого образца
Рис. 5: Полосовой фильтр 2,4 ГГц изготовлен из материала Rogers RO4003C, с разъемами
Рис. 6: Полосковый фильтр 10 ГГц, изготовленный из Rogers RO4003C, с разъемами
Характеристики пропускания полосовых фильтров определяются измерением параметров рассеяния (S-параметров). S-параметр S21 описывает передачу фильтра от входа к выходу, параметр S11 — отражение на входе.
S-параметры, дифференцированные по трем методам, показаны на диаграмме 1 для полосовых фильтров 2,4 ГГц, основной материал Rogers RO4003. На схеме показано, что параметры травленой печатной платы (EXT) и печатной платы, изготовленной ProtoLaser U4 (U4), очень близки друг к другу. Параметры печатной платы, фрезеруемой ProtoMat S103 (S103), переходят на более высокие частоты. Для материала FR4 идентичные результаты были получены для полосковых фильтров 2,4 ГГц, изготовленных различными методами. Кривые S-параметра для полосовых фильтров 10 ГГц на материале FR4 показывают, что печатная плата (U4), полученная с помощью лазерного процесса, точно следует моделируемой кривой, в то время как химически травленая печатная плата (EXT) значительно смещается в более низкие частоты. Механически фрезерованная печатная плата (S103) смещается на более высокие частоты.
Смоделированные и измеренные потери для всех трех технологий составляют около -5 дБ на центральной частоте, что обусловлено выбором материала.
Частотная характеристика фильтров 10 ГГц, изготовленных из материала Rogers RO4003C, лучше по сравнению с подложкой FR4.
Заключение сравнения различных производственных процессов: С помощью метода лазерной абляции фильтры могут быть точно изготовлены с сохранением расчетных параметров, в то время как полосковые фильтры, изготовленные травлением и фрезерованием, показывают большие отклонения между измеренными и смоделированными значениями.
Результаты измерений S-параметра для Полосковых фильтров 2,4 ГГц и 10 ГГц, изготовленные из материала Rogers RO4003C, приведены в таблицах 5 и 6.
Fl и Fh обозначают нижнюю или верхнюю предельную частоту фильтра в 3 дБ,
BW обозначает полосу пропускания (BW = Fh − Fl),
Fc — центральная частота (Fc= √Fl x Fh) и
Δf или, Dev – это отклонение центральной частоты, относящейся к моделируемому значению.
Значения, приведенные в таблице 5, показывают, что различия в свойствах фильтра, при сравнении между травлеными и обработанными лазером печатными платами, невелики на частоте 2,4 ГГц. Фрезерованная печатная плата имеет смещение центральной частоты 20 МГц по сравнению с моделируемым значением. Более существенное отличие обнаруживается в полосковом фильтре 10 ГГц, см. таблицу 6. Фильтр, изготовленный с помощью ProtoLaser, имеет частоту 10,03 ГГц и, таким образом, отклонение от симуляции составляет всего 0,1%. Остальные фильтры (фрезерованные/травленые) имеют значительно большие отклонения (0,9% /1,2%).
Фрезерованные платы показали сдвиг в более высокие частоты в частотной характеристике.
Печатные платы, изготовленные с помощью ProtoLaser U4, имеют идентичную или даже лучшую производительность, чем при травлении.
| Сим. | Травл. | U4 | S103 | |
|---|---|---|---|---|
| Fl [GHz] | 2,2 | 2,16 | 2,16 | 2,22 |
| Fh [GHz] | 2,64 | 2,61 | 2,62 | 2,66 |
| BW [GHz] | 0,44 | 0,45 | 0,46 | 0,44 |
| Fc [GHz] | 2,41 | 2,37 | 2,38 | 2,43 |
| Δf [GHz] | 0,00 | -0,04 | -0,03 | 0,02 |
| Dev [%] | 0,00 | 1,66 | 1,24 | 0,83 |
Таблица 5: Измерения полосового фильтра 2,4 ГГц, изготовленного из материала Rogers RO4003C
| Сим. | Травл. | U4 | S103 | |
|---|---|---|---|---|
| Fl [GHz] | 9,71 | 9,57 | 9,68 | 9,78 |
| Fh [GHz] | 10,35 | 10,25 | 10,40 | 10,46 |
| BW [GHz] | 0,64 | 0,68 | 0,72 | 0,68 |
| Fc [GHz] | 10,02 | 9,90 | 10,03 | 10,11 |
| Δf [GHz] | 0,00 | -0,12 | 0,01 | 0,09 |
| Dev [%] | 0,00 | 1,20 | 0,10 | 0,90 |
Таблица 6: Измерения полосового фильтра 10 ГГц, изготовленного из материала Rogers RO4003C
Заключение
Изготовление печатной платы для полоскового фильтра 10 ГГц (внешние размеры 4 х 5 см) заняло всего 4 минуты с LPKF ProtoLaser U4. ProtoMat S103 понадобилось в два раза больше времени. Срок поставки печатных плат травлением составлял одну неделю. На основе измерений частоты разработчик СВЧ устройств имеет возможность изменить компоновку своей печатной платы и быстро изготовить ее собственными силами с помощью ProtoLaser U4 для дальнейшей разработки или, оптимизации конструкции платы.
Для проектировщиков СВЧ устройств LPKF ProtoLaser U4 является оптимальным инструментом для быстрого прототипирования, а также для производства небольших серий разработанных радиочастотных плат.
