Kann WL-CT440 Rogers oder PTFE als kostengünstiges Antennenlaminat wirklich ersetzen?

Heute möchte ich über eine etwas ungewöhnliche Leiterplatte sprechen. Was es ungewöhnlich macht, ist nicht die hohe Schichtzahl oder komplexe Herstellungsprozesse – ganz im Gegenteil. Dabei handelt es sich um eine zweischichtige Platine ohne Lötmaske und ohne Siebdruck, die jedoch speziell für Hochfrequenzantennenanwendungen entwickelt wurde.

Das Kernmaterial istWL-CT440, ein im Inland hergestelltes Hochfrequenzlaminat aus Wangling. Wenn Sie nach einer Alternative zu Rogers- oder PTFE-Materialien suchen, könnte Ihnen dieser Artikel einige neue Ideen geben.

Konstruktionsübersicht: Minimalistisch, aber nicht einfach

Beginnen wir mit den Grundparametern. Das Board misst 89 mm x 63,5 mm und besteht aus einer zweischichtigen Konstruktion. Die Dicke der fertigen Platine beträgt 0,8 mm, mit 1 Unze oder 35 μm fertigem Kupfergewicht auf den Außenschichten. Die minimale Leiterbahnbreite beträgt 4 mil und der Mindestabstand 6 mil. Die kleinste Lochgröße beträgt 0,2 mm und es gibt keine Sacklöcher. Jedes Board wird vor dem Versand einer 100-prozentigen elektrischen Prüfung unterzogen.

Lassen Sie mich nun die Statistiken hervorheben. Die Platine enthält insgesamt 37 Komponenten und 49 Pads, bestehend aus 27 Durchgangsloch-Pads und 22 oberflächenmontierten Pads, die sich alle auf der oberen Schicht befinden – auf der unteren Schicht sind keine SMT-Pads platziert. Es gibt 31 Vias und nur 2 Netze. Dies ist eine typische Hochfrequenz- oder Antennentopologie: einfach im Aufbau, aber anspruchsvoll in der Leistung.

Warum keine Lötmaske und kein Siebdruck?

Das hervorstechendste Merkmal dieser Platine ist das völlige Fehlen von Lötmaske und Siebdruck – nichts auf der oberen Schicht und nichts auf der unteren Schicht.

Normalerweise wird eine Lötmaske verwendet, um Lötbrücken zu verhindern und die Kupferoberfläche zu schützen. Bei Hochfrequenzanwendungen kann es jedoch tatsächlich zur Störquelle werden. Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor der Lötmaske unterscheiden sich von denen des Basislaminats, was die Impedanz von Mikrostreifenleitungen insbesondere bei Frequenzen über 10 GHz verändern kann. Das Entfernen der Lötmaske bedeutet einen reineren Signalweg und eine bessere Konsistenz.

Das Fehlen eines Siebdrucks ist ebenso offensichtlich. Ohne Lötstopplack wird die Siebdruckhaftung ohnehin problematisch. Und auf einer Antennenplatine bietet der Siebdruck keinen Vorteil für die Montage, daher ist es eine einfache Entscheidung, ihn wegzulassen.

Dies ist ein klassischer Fall, bei dem die Funktion Vorrang vor der Form hat – die Platine muss nicht schön aussehen, solange die elektrische Leistung den Anforderungen entspricht.

Warum WL-CT440 wählen?

WL-CT440 ist Wanglings mit organischem Polymerkeramik-Glasfasergewebe überzogenes kupferkaschiertes Laminat. Es gehört zur Familie der duroplastischen Harze. Die dielektrische Schicht besteht aus Kohlenwasserstoffharz, Keramik und Glasfasergewebe.

Bei 10 GHz und 23 °C bietet es eine Dielektrizitätskonstante (Dk) von 4,1 und einen Verlustfaktor (Df) von 0,004. Was bedeuten diese Zahlen? Geringer Verlust bei moderater Dielektrizitätskonstante – sehr gut geeignet für Mikrowellen- und Antennenanwendungen.

Das attraktivste Merkmal des WL-CT440 ist jedoch nicht nur seine elektrische Leistung. Es ist die volle Kompatibilität mit FR-4-Herstellungsprozessen. Jeder, der mit PTFE-Materialien gearbeitet hat, weiß, dass PTFE spezielle Lochvorbereitungsbehandlungen wie Plasmaätzen oder Natriumnaphthalinbehandlung erfordert. Ohne diese wäre die Haftung des plattierten Kupfers im Loch unzureichend. WL-CT440 hingegen kann mit dem herkömmlichen Arbeitsablauf jeder Standard-Leiterplattenfabrik verarbeitet werden – Bohren, Desmear, stromlose Kupferabscheidung, Musterübertragung – alles in einem nahtlosen Ablauf. Für die Prototypenfertigung kleiner Stückzahlen und die Kostenkontrolle ist dies ein echter Vorteil.

Thermische und mechanische Zuverlässigkeit

WL-CT440 hat eine Glasübergangstemperatur (Tg) von über 280 °C, weit über der des Standard-FR-4. Eine hohe Tg bedeutet, dass das Material unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen nicht leicht erweicht oder sich verformt.

Bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) beträgt die X-Achse 14 ppm/°C und die Y-Achse 18 ppm/°C – beide passen recht gut zu Kupfer, das bei etwa 17 ppm/°C liegt. Der CTE der Z-Achse beträgt 35 ppm/°C. Bei einer zweilagigen Platine ohne Blind Vias ist die thermische Zuverlässigkeitsbelastung der Vias zunächst relativ gering.

Die Wärmeleitfähigkeit wird mit 0,66 W/m·K angegeben und ist damit deutlich höher als die von FR-4 mit etwa 0,25 W/m·K. Dies hilft bei der Belastbarkeit. Die Feuchtigkeitsaufnahme liegt mit 0,12 Prozent im akzeptablen Bereich. Hier ist jedoch Vorsicht geboten: Diese Platine verfügt über keinen Lötstopplack. Bei Verwendung in feuchten Umgebungen können die freiliegenden Kupferoberflächen einem Korrosionsrisiko ausgesetzt sein. Dies muss für das beabsichtigte Anwendungsszenario sorgfältig geprüft werden.

Ein Parameter, der besondere Aufmerksamkeit verdient: TCDK

WL-CT440 bietet einen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstante (TCDK) von -21 ppm/°C. Was sagt uns diese Zahl? Bei jedem Temperaturanstieg um 1 °C sinkt die Dielektrizitätskonstante um 21 Teile pro Million.

Für das Antennendesign ist TCDK ein kritischer Parameter. Wenn der Dk-Wert eines Materials erheblich mit der Temperatur schwankt, driftet die Betriebsfrequenz der Antenne. Sommermessungen unterscheiden sich von Wintermessungen, und die Leistung am Tag kann von der Leistung in der Nacht abweichen. Der TCDK-Wert des WL-CT440 ist recht gut und gewährleistet eine gleichbleibende Antennenleistung über den gesamten Temperaturbereich.

Typische Anwendungen

Laut Hersteller wird WL-CT440 vor allem in folgenden Bereichen eingesetzt:

Luft- und Raumfahrtausrüstung, Kabinenelektronik und Flugzeugsysteme. Mikrowellenantennen und phasenempfindliche Antennen. Frühwarnradar und Bordradarsysteme. Phased-Array-Antennen und Strahlformungsnetzwerke. Satellitenkommunikations- und Navigationsgeräte. Leistungsverstärker.

Herstellungsprozess und Qualitätsstandards

Das gelieferte Druckformat ist Gerber RS-274-X, das von Leiterplattenfabriken weltweit verarbeitet werden kann. Der Qualitätsstandard ist IPC-Klasse-2.

Die Oberflächenveredelung ist Immersionsgold (ENIG). Da kein Lötstopplack vorhanden ist, schützt Immersionsgold die Kupferoberfläche wirksam vor Oxidation und sorgt gleichzeitig für eine gute Lötbarkeit.

Ein paar Punkte, die Sie beachten sollten

Dieses Board-Design weist mehrere Aspekte auf, die besondere Aufmerksamkeit erfordern.

Erstens bedeutet das Fehlen einer Lötmaske, dass die Kupferoberflächen vollständig freigelegt sind. Trotz des Tauchgoldschutzes muss darauf geachtet werden, dass bei der Montage, Prüfung und Verwendung Kratzer und Verunreinigungen vermieden werden.

Zweitens gibt es keinen Siebdruck. Die Komponentenplatzierung kann nicht auf Siebdruck-Referenzmarken basieren. Bei der manuellen Montage müssen Sie sich auf die Koordinatendateien oder Montagevorrichtungen der Bestückungsmaschine verlassen.

Drittens deutet diese Topologie mit zwei Schichten, 31 Durchkontaktierungen und nur zwei Netzen auf eine Art Antennenarray oder Leistungsteilungsnetzwerk hin. Besonderes Augenmerk sollte auf die Auswirkungen von Durchkontaktierungen auf den HF-Pfad gelegt werden, insbesondere auf die Kontinuität des Signalrückwegs.

Letzte Gedanken

Die Designphilosophie hinter dieser zweischichtigen WL-CT440-Platine ist sehr klar: Verwenden Sie ein Material, das mit herkömmlichen Fertigungstechniken verarbeitet werden kann, entfernen Sie die nicht unbedingt erforderlichen Lötmasken- und Siebdruckschichten und verteilen Sie die Kosteneinsparungen auf Leistung und Zuverlässigkeit.

Wenn Sie Antennen, Radar-Frontends oder Satellitenkommunikationsmodule entwickeln und die mit PTFE-Materialien verbundenen Verarbeitungsprobleme vermeiden möchten, ist WL-CT440 eine ernsthafte Überlegung wert. Natürlich sind die Schutzprobleme, die mit dem Entfernen der Lötstoppmaske einhergehen, die Gleichmäßigkeitskontrolle der Immersionsgoldoberfläche und die Kalibrierung der Impedanzberechnungen alles Details, die vor der Prototypenerstellung mit Ihrem Leiterplattenhersteller besprochen werden müssen.

Sind Sie bei der Entwicklung von Hochfrequenzplatinen wie dieser auf irgendwelche Herausforderungen gestoßen? Teilen Sie gerne Ihre Erfahrungen.