High-performance dielectric substrate development with low Dk and Df for RF and mm-wave applications

Abstract

Neredeyse elli yıldır endüstriler, gelişmiş mekanik ve elektriksel özelliklerinden dolayı silika dolgulu epoksi laminatlara ilgi duymuştur. Ağırlıklı olarak entegre devrelerin büyük çoğunluğu, işlenebilirlik kolaylığı ve maliyet düşüklüğü nedeniyle silika karışımlı epoksi yapılar ile paketlenmiştir. Ancak 5G uygulamalarında RF ve mm dalga bölgelerinde çalışan sinyal, epoksi-silika bazlı laminatlardan yapılmış PCB substratı boyunca yayılırken zayıflar. Bu nedenle, sinyalin zayıflamasını azaltmak için düşük kayıplı laminatlara duyulan ihtiyaç gelişmiştir.Düşük kayıplı bir laminat geliştirmek için etkili dielektrik özelliklerin geliştirilmesi gerekir. PCB laminatın etkin dielektrik özellikleri, laminatın yapı taşlarına büyük ölçüde bağlıdır. Bu nedenle, PCB laminatlarının heterojen doğası nedeniyle, etkin dielektrik özellikler, ana matris, takviye tipi veya bu yapı taşları arasındaki arayüz işlevselleştirme seçimi ile manipüle edilebilir. Dielektrik malzemeleri etkileyen ana parametreler, dielektrik sabiti ve karmaşık geçirgenliğin sanal kısmı ile gerçek kısmı arasındaki oran ile tanımlanan kayıp faktörüdür. Serbest uzaydan daha yüksek göreli geçirgenliğe sahip bir ortama EM dalga geçişi, daha yavaş bir hız, daha kısa dalga boyu ile sonuçlanır ve genlik azalır. Daha spesifik olarak, PCB laminat tasarım çabaları, öncelikle kapasitif kuplajı azaltmak için geçirgenliğin gerçek kısmını en aza indirmeye ve elektrik kaybını azaltmak için geçirgenliğin hayali bölümünü en aza indirmeye dayanmaktadır.Bu çalışmanın temel amacı, RF ve mm dalga uygulamalarında çalışan yüksek performanslı, düşük maliyetli bir PCB alt tabakasının modellenmesi ve geliştirilmesidir. Bu spesifikasyonları elde etmek için, PCB laminatlarının belirli yapı taşlarını inceledik ve ana matrisin hedeflenen kimyasal yapılarını ve spesifik fiber örgü yapılarını belirledik. Ancak, laminatların etkin ve mekanik özelliklerine ilişkin tahmin tekniklerinin yeterli olmaması nedeniyle, yapıların etkin elektriksel ve mekanik özelliklerini belirlemek için birden fazla yaklaşım kullandık. Etkin elektrik parametreleri açısından, bu tez iki yaklaşım önermektedir: iç alan ve enerji tabanlı yaklaşımlar. Bu nedenle, önerilen her iki yöntem de, bir laminatın birim hacmi üzerinde üç boyutlu kontrol sağlayan temsili birim hücre kavramını dikkate alır. Tek ve iki seviyeli homojenleştirme teknikleri kullanılarak, elde edilen yerel dielektrik özellikleri, etkin bir dielektrik özelliğe dönüştürülmüştür. Tek seviyeye göre, iki seviyeli homojenleştirme tekniği, daha az hesaplama yükü ile çok katmanlı laminatların etkin dielektrik özelliklerini çıkarmak için bir fırsat yaratır. Daha sonra, hem iç alan hem de enerji tabanlı yaklaşımlar, popüler etkin ortam yaklaşımlarıyla doğrulandı ve 20 GHz ile 40 GHz arasındaki ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırıldı.Sonuç olarak, karmaşık geçirgenlik açısından iç alan yaklaşımı kullanılarak, 40 GHz'deki ölçüm sonuçlarına göre etkin Dk'ı %2.5 hata oranıyla ve efektif Df'ı %18.5 hata oranıyla tahmin etmiştir.Öte yandan, etkili mekanik özellikleri çıkarmak için laminatın iplik davranışını incelemek için iki ölçekli homojenizasyon tekniği önerildi. Bunlar iplik ve laminat homojenizasyon teknikleridir. Böylece, iplik homojenizasyonunun simülasyon sonuçları, laminat homojenizasyon ölçeğine eklenmek üzere elde edilmiştir.

For almost five decades, the industries were attracted towards silica-filled epoxy laminates due to their enhanced mechanical and electrical properties. Predominantly vast majority of the integrated circuits were packed by silica blended epoxy structures due to the ease of processability and cost reduction. However, in 5G applications, the signal that operates in the RF and mm-wave regions gets attenuated as it propagates along the PCB substrate made of epoxy-silica-based laminates. Hence, the need for low-loss laminates evolved to reduce the attenuation of the signal. The effective dielectric properties need to be enhanced to develop a low-loss laminate. The effective dielectric properties of the PCB laminate are strongly dependent on their building blocks. Thus, due to the heterogeneous nature of the PCB laminates, the effective dielectric properties can be manipulated by the selection of host matrix, reinforcement type, or interfacial functionalization between these building blocks. The main parameters that affect dielectric materials are the dielectric constant (Dk) and the dissipation factor (Df) which is described by the ratio between the imaginary part and the real part of the complex permittivity. EM wave transition from free space to a medium of a higher relative permittivity (ε_r), resulting in a slower velocity, shorter wavelength, and the amplitude will be reduced. More specifically, PCB laminate design efforts are primarily based on minimizing the real part of the permittivity (ε') to reduce the capacitive coupling and minimize the imaginary part of the permittivity (ε'') to reduce electrical loss.The primary objective of this study is the modelling and the development of a high-performance, low-cost PCB substrate that operates in RF and mm-wave applications. In order to achieve these specifications, we have examined the particular building blocks of the PCB laminates and determined the targeted chemical structures of the host matrix and the specific fiber weave structures. However, due to the lack of prediction techniques of the effective electrical and mechanical properties of the laminates, we have utilized multiple approaches to determine the effective electrical and mechanical properties of the laminate structures. In terms of effective electrical parameters, this thesis proposes two approaches: internal-field and energy-based approaches. Thus, both proposed methods consider the concept of the representative unit cell, which provides three-dimensional control over the unit volume of a laminate. Using single and two-level homogenization techniques, obtained local dielectric properties were converted into an effective dielectric property. With respect to the single level, the two-level homogenization technique creates an opportunity to extract effective dielectric properties of multi-layered laminates with a less computational load. Subsequently, both internal-field and energy-based approaches were verified with common effective medium approximations and compared with the measurement results between 20 GHz to 40 GHz. As a result in terms of the complex permittivity, the internal field approach predicted the effective Dk with a 2.5% error rate and the effective Df predicted with 18.5% error rate with respect to the measurement results at 40 GHz.On the other hand, to extract the effective mechanical properties, a two scale homogenization technique was proposed to examine the yarn behaviour of the laminate. These are yarn and laminate homogenization techniques. Thus, the simulation results of yarn homogenization were obtained to be inserted into the laminate homogenization scale.