Rogers PCB-Materialien sind für ihre herausragende Leistung in digitalen Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen bekannt. Ob Sie ein Mikrowellenantennen-Array entwerfen oder Kommunikationsmodule für Netzwerke der nächsten Generation entwickeln – die Wahl des Substrats wirkt sich direkt auf die Signalintegrität und Gerätezuverlässigkeit aus. Wenn Ihr Design geringen Signalverlust, präzise Impedanzkontrolle und hervorragende thermische Stabilität erfordert, sind Rogers-Laminate genau das Richtige für Sie, wenn herkömmliche FR4-Materialien nicht die gewünschte Leistung erbringen.
In diesem Handbuch werden die Grundlagen von Rogers-Leiterplatten erläutert. Außerdem wird erklärt, warum 2-Schicht-Konfigurationen für viele HF- und Mikrowellenprojekte eine kluge Wahl sind und wie das richtige Laminat für optimale elektrische Leistung ausgewählt wird.
Was ist Rogers PCB-Material?
Im Gegensatz zu Standard-FR4, das auf Glasfasergewebe und Epoxidharz basiert, basieren Rogers-Materialien auf speziellen Kohlenwasserstoff-Keramik- oder PTFE-Verbundwerkstoffen. Diese fortschrittlichen Formulierungen sind auf höchste elektrische Leistung ausgelegt, insbesondere in anspruchsvollen Hochfrequenzumgebungen. Die verwendeten Füllstoffe – Keramik oder andere verlustarme Materialien – verbessern die dielektrische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit erheblich.
Die Konsistenz der Dielektrizitätskonstante (Dk) über Frequenzen und Temperaturen hinweg macht Rogers-Materialien ideal für Schaltungen mit GHz-Geschwindigkeiten. Gängige Produkte wie RO4350B und RO4003 werden von der Rogers Corporation entwickelt, deren Materialien zum Goldstandard im HF- und Mikrowellen-PCB-Design geworden sind.
Darüber hinaus bieten Rogers-Substrate ein vorhersehbares mechanisches Verhalten. Dazu gehören hervorragende Dimensionsstabilität, ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) und eine verbesserte Abziehfestigkeit. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, Verformungen, Delaminationen und Schichtfehlstellungen sowohl während der Herstellung als auch im Langzeitbetrieb zu reduzieren.
Für Ingenieure in der Luft- und Raumfahrt, im Militär oder in der Telekommunikationsbranche – wo ein PCB-Fehler einen Systemausfall bedeuten kann – bieten Rogers-Boards ein Maß an Sicherheit, das unerlässlich ist.
Rogers-Leiterplatte vs. FR4-Leiterplatte
Auf den ersten Blick scheint FR4 aufgrund seiner Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit die erste Wahl für die meisten PCB-Projekte zu sein. Der Leistungsunterschied zwischen FR4 und Rogers wird jedoch deutlich, wenn die Signalfrequenz einige hundert MHz übersteigt.
FR4-Materialien haben typischerweise eine Dielektrizitätskonstante von etwa 4.5. Dieser Wert neigt jedoch dazu, bei höheren Frequenzen zu driften, was zu einer inkonsistenten Impedanzkontrolle führt. Der Verlustfaktor (Df) für FR4 ist ebenfalls deutlich höher – oft über 0.02 –, was zu einer erheblichen Signaldämpfung im GHz-Bereich führt.
Im Gegensatz dazu weisen Rogers-Materialien einen stabilen Dk-Wert (ca. 3.48 bis 3.55) über ein breites Frequenzspektrum auf und bieten je nach Laminat einen Df-Wert von bis zu 0.0027. Dies führt zu minimierten Signalverlusten, verbesserter Phasenstabilität und besserer Belastbarkeit in Übertragungsleitungen und HF-Filtern.
| Merkmal | Rogers-PCB | FR4 PCB |
|---|
| Dielektrizitätskonstante (Dk) | Stabil (3.48–3.55 über alle Frequenzen hinweg) | Variabel (ca. 4.2–4.8, ändert sich mit der Häufigkeit) |
| Verlusttangens (Df) | Niedrig (~0.0027–0.0037) | Hoch (~0.02) |
| Signalintegrität bei GHz | Ausgezeichnet | Schlecht (hohe Dämpfung) |
| Wärmeleitfähigkeit | Gut (0.62–0.77 W/m·K) | Niedriger (~0.3 W/m·K) |
| Kosten | Höher | Senken |
| Anwendungen | HF, Mikrowelle, High-Speed-Digital | Allzweck-Digitalempfänger mit niedriger Geschwindigkeit |
Darüber hinaus stellen die thermischen Einschränkungen von FR4 in Hochleistungs-HF-Schaltungen ein Problem dar. Rogers-Laminate mit ihrer überlegenen Wärmeleitfähigkeit und hohen Glasübergangstemperatur (Tg) steuern die Wärmeableitung effektiver und verringern so das Risiko eines thermischen Durchgehens oder einer Substratzersetzung.
In Systemen, in denen es auf Zeitpräzision, geringen Jitter und Hochgeschwindigkeitsübertragung ankommt – wie etwa 5G-Modulen, Satelliten-Transceivern und Radarsystemen – bietet Rogers eine konstante Leistung, während FR4 zum Engpass wird.
Warum eine 2-lagige Rogers-Leiterplatte verwenden?
Während für komplexe digitale Systeme häufig mehrschichtige Leiterplatten verwendet werden, profitieren viele HF- und analoge Designs von der Einfachheit und Vorhersehbarkeit einer zweischichtigen Platine – insbesondere bei der Implementierung mit Rogers-Materialien.
Ein typischer 2-lagige Rogers-Leiterplatte Besteht aus einer Signalschicht und einer durchgehenden Massefläche. Diese Struktur ermöglicht eine präzise Impedanzkontrolle, minimiert die parasitäre Induktivität und reduziert das Risiko von Signalübersprechen oder Strahlungsemissionen. Durch die Vermeidung unnötiger Schichtübergänge bleibt der Signalpfad sauber und effizient, was für die Wahrung der Wellenformintegrität entscheidend ist.
Auch die Herstellbarkeit wird verbessert. Da weniger Schichten laminiert, gebohrt und beschichtet werden müssen, verringert sich das Risiko von Fertigungsfehlern wie Delamination, Durchkontaktierungen oder Harzhohlräumen deutlich. Designer gewinnen zudem mehr Flexibilität beim Prototyping, da 2-lagige Platinen schneller und kostengünstiger produziert werden können.
Ein weiterer oft übersehener Vorteil liegt in der thermischen Simulation. Da sich Wärmeleitfähigkeit und Wärmefluss in einfacheren Strukturen leichter modellieren lassen, können Wärmemanagementstrategien – wie Kühlkörper, Kupfergüsse und thermische Durchkontaktierungen – mit größerer Sicherheit entworfen werden.
2-lagige Rogers-Leiterplatten sind eine ideale Lösung für HF-Designer, die hohe Leistung ohne die Komplexität und Kosten mehrlagiger Stapel benötigen.
Angebotene Typen von 2-Layer-Rogers-Leiterplatten
Verschiedene Typen von 2-lagigen Rogers-Boards sind bei spezialisierten Herstellern erhältlich und eignen sich für hochfrequente und kommunikationsintensive Projekte. Jedes Modell verfügt über unterschiedliche Eigenschaften, die es für bestimmte Designziele geeignet machen.
2L Rogers 4350B PCB
Dies ist eine robuste Lösung für HF-Schaltkreise, die geringe Verluste und zuverlässige Hochfrequenzleistung erfordern. Das Laminat RO4350B Unterstützt eine breite Palette von Designs, darunter Leistungsverstärker, impedanzkontrollierte Leiterbahnen und Mikrowellenfilter. Dank seiner mechanischen Stabilität ist es außerdem mit Standard-FR4-Fertigungsprozessen kompatibel.
2-lagige RO4003-Leiterplatte für Kommunikationsgeräte
RO4003 ist für die Massenproduktion optimiert, bei der Kosten und elektrische Leistungsfähigkeit vereinbar sein müssen. Es eignet sich hervorragend für mobile Infrastruktur, GPS-Geräte und WLAN-Geräte. Obwohl es einen etwas höheren Dk-Wert als 4350B bietet, weist es geringe Signalverluste und eine ausgezeichnete thermische Zuverlässigkeit auf.
2-lagige Rogers-Leiterplatte mit 1 oz fertiger Kupferdicke
Diese Konfiguration ermöglicht eine verbesserte Strombelastbarkeit für Designs, die analoge HF- und digitale Schaltungen kombinieren. Das dickere Kupfer verbessert zudem die Wärmeableitung, was insbesondere bei Leistungswandlern und HF-Sendern von Vorteil ist.
Diese Rogers-Leiterplatten werden normalerweise mit engen Toleranzen und optimierten Verarbeitungsbedingungen hergestellt, um die inhärenten Vorteile des Materials zu erhalten.
Eigenschaften beliebter Rogers-Materialien (4350B vs. RO4003)
Beim Vergleich von RO4350B und RO4003 werden subtile Unterschiede in den elektrischen und thermischen Eigenschaften zu wichtigen Designvariablen. Nachfolgend finden Sie eine Aufschlüsselung:
| Immobilien | Rogers 4350B | Roger RO4003 |
|---|
| Dielektrizitätskonstante (Dk) | 3.48 bei 10 GHz | 3.55 bei 10 GHz |
| Verlustfaktor (Df) | 0.0037 | 0.0027 |
| Wärmeleitfähigkeit | 0.62 W / m · K. | 0.77 W / m · K. |
| Glasübergangstemperatur (Tg) | > 280 ° C | > 280 ° C |
| Volumenwiderstand | 1.7 × 10⁷ MΩ·cm | 1.0 × 10⁸ MΩ·cm |
| WAK (Z-Achse) | 32 ppm/°C | 46 ppm/°C |
Die höhere Wärmeleitfähigkeit von RO4003 macht es ideal für dichte Platinen mit dicht gepackten Komponenten, während die überlegene Dimensionsstabilität von RO4350B bei Baugruppen mit mehreren Platinen und mechanisch anspruchsvollen Umgebungen bevorzugt wird.
Typische Anwendungen von 2-Layer Rogers PCB
Rogers-basierte 2-Lagen-Leiterplatten werden in verschiedenen HF- und Hochfrequenzsystemen eingesetzt, bei denen Verluste und Instabilitäten nicht toleriert werden können. Zu den gängigen Anwendungen gehören:
Drahtlose Kommunikationsmodule – LTE-, 5G- und WLAN-Frontends
GPS-Empfänger – Phasenstabile Substrate verbessern die Signalerfassung
Leistungsverstärker – Impedanzanpassung auch bei hoher thermischer Belastung beibehalten
Antennenarrays und Anpassnetzwerke – Konstante dielektrische Leistung ist entscheidend
Radarsysteme – Geringe Verluste ermöglichen präzise Signalübertragung und -empfang
IoT- und Sensorgeräte – Effiziente Signalpfade für kompakte Hochfrequenzdesigns
Automotive-Radar und Infotainment – Langlebige und thermisch stabile Plattformen für Kommunikationssysteme im Fahrzeug
Designer nutzen 2-Layer-Rogers-Boards auch in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Telemetrie, Flugnavigation und Satellitensteuerungseinheiten.
Überlegungen beim Design mit Rogers PCB
Selbst bei hochwertigen Materialien hängt die Leistung von einem guten Layout und einem guten Lagenaufbau ab. Beachten Sie die folgenden wichtigen Faktoren:
Impedanzanpassung
Leiterbahnbreite, Kupferdicke, Dielektrikumsabstand und Rückwege müssen sorgfältig berechnet werden. Der konsistente Dk-Wert von Rogers macht diese Berechnungen zuverlässiger als bei FR4.
Oberflächenfinish
ENIG bleibt aufgrund seiner Planarität und Korrosionsbeständigkeit die erste Wahl. Je nach Kostenvorgaben und Lötprofilen sind jedoch auch Immersionssilber und OSP sinnvolle Alternativen.
Kupfergewicht und thermisches Design
Wählen Sie je nach Leistungsstufe zwischen 0.5 oz, 1 oz oder sogar 2 oz Kupfer. Ergänzen Sie dickes Kupfer mit thermischen Vias und Massegüssen für eine effektive Wärmeableitung.
Design für Herstellbarkeit (DFM)
Stimmen Sie sich immer mit Ihrem Leiterplattenhersteller ab, um die Mindestbohrgrößen, Lötmaskentoleranzen und Kompatibilität des Lagenstapels festzulegen. Hersteller stellen üblicherweise DFM-Richtlinien für Rogers-Platinen bereit, um optimale Erträge sicherzustellen.
Fazit
Für Ingenieure, die kompromisslose Signaltreue und thermische Zuverlässigkeit in Hochfrequenzsystemen suchen, bieten 2-lagige Rogers-Leiterplatten eine zuverlässige und effiziente Lösung. VictoryPCB liefert diese fortschrittlichen Leiterplatten mit RO4350B, RO4003 und maßgeschneiderten Kupferstärken, die Ihren spezifischen HF- und Mikrowellen-Anwendungsanforderungen entsprechen. Dank technischer Expertise und Präzisionsfertigung sind die Rogers-Leiterplatten so konzipiert, dass Ihre Designs jederzeit genau die gewünschte Leistung erbringen.
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