Диэлектрическая проницаемость композитов, наполненных нитридом бора, на частотах 5G: данные Dk и Df от 10 до 40 ГГц

Сферическое соединение нитрида бора с концентрацией 45 об. % имеет Dk 3,6–3,9 и Df 0,0022–0,0030 во всем диапазоне 10–40 ГГц — диэлектрические потери примерно на 40 % меньше, чем у соединения оксида алюминия с такой же теплопроводностью, и вдвое меньше, чем у соединения нитрида алюминия. Эти два числа, Dk и Df, определяют, сохранит ли фазированная решетка свои боковые лепестки и сохранит ли входной каскад 39 ГГц свой бюджет канала. Для большинства находящихся в обращении композитов с диэлектрической постоянной, наполненных нитридом бора, значения частот 5G представляют собой значения из таблицы данных на 1 МГц, экстраполированные вверх, и эта экстраполяция - это то место, где конструкции mmWave незаметно теряют запас.

Приведенные ниже данные получены в результате измерений на производственных партиях XHT — Jiangsu Xinhetong New Material Technology Co., Ltd., производителе сферических керамических порошков в Цзиньху, Цзянсу, чья программа исследований и разработок в области технологий новых материалов охватывает как печь сферонизации, так и диэлектрический испытательный стенд, поэтому изменение рецептуры можно скорее измерить, чем оценить.

1. Как на самом деле выглядят Dk и Df соединений, наполненных BN, в диапазоне от 10 до 40 ГГц?

Они остаются плоскими в Dk и лишь незначительно дрейфуют в Df: сферический ламинат BN с 45 об.% имеет значения 3,62 на частоте 10 ГГц, 3,71 на частоте 28 ГГц и 3,78 на частоте 40 ГГц, при этом Df увеличивается с 0,0024 до 0,0030 за тот же диапазон. Равномерность имеет большее значение, чем абсолютное значение, поскольку стек, рассчитанный на частоту 1 МГц, вообще не предполагает никакого дрейфа.

Коэффициент рассеяния нитрида бора по сравнению с оксидом алюминия в высокочастотном диапазоне увеличивается с частотой — 1,3× на частоте 10 ГГц, 1,6× на частоте 40 ГГц — даже несмотря на то, что спеченная керамика из оксида алюминия (Df 0,0002) является материалом с меньшими потерями, чем кристалл BN (Df 0,0004). Обращение происходит внутри соединения, а не внутри кристалла.

Почему собственный Df наполнителя едва сохраняется в компаунде

Три механизма потерь расположены последовательно: полимерная матрица, граница раздела наполнитель-матрица и абсорбированная вода. При 45 об.% матрица по-прежнему занимает половину объема и сама по себе вносит 0,0015–0,0020 Df; интерфейс, чувствительный к воде, дополняет все остальное.

Проблемным случаем является оксид алюминия: его гидроксилированная поверхность адсорбирует 0,05–0,15 мас.% воды, которая не уходит ниже 180 °С. При Df ≈ 0,15 вода при содержании 0,1 мас.% добавляет около 0,0010 к соединению Df на частоте 10 ГГц — больше, чем вся разница между двумя наполнителями на бумаге. BN занимает менее 0,02 мас.% и не требует стадии сушки.

Превратите любую цифру частот 5G композитов, наполненных диэлектрической постоянной, наполненной нитридом бора, в затухание с α = 0,91 × Df × √Dk × f(ГГц) дБ/см. Потери в проводнике не указаны в этом столбце, и ниже 20 ГГц они больше из двух.

Ловушка анизотропии, из-за которой две лаборатории расходятся во мнениях

Тромбоциты BN выравниваются по плоскости во время ламинирования. Поскольку h-BN составляет 3,4 в плоскости против примерно 5,2 в сквозной плоскости, выровненное соединение показывает два значения Dk для двух приспособлений: микрополосковая линия, поле которой проходит по толщине, видит большее число; копланарный волновод видит в основном нижний. Сообщения «Dk 4.1» и «Dk 3.6» для одного ламината обычно верны.

Сферический BN удаляет переменную. У сферы нет предпочтительной ориентации, поэтому Dk одинаков во всех направлениях и не меняется в зависимости от положения ворот на панели шириной 500 мм. XHT подтверждает это, измеряя одну и ту же партию как микрополоскового резонатора, так и диэлектрического резонатора с разъемным штырем, с вырезом D50 на том же классификаторе, который используется для производства специальных керамических изделий .

✅ Итог: укажите допуск Dk, а не только Dk — окно ±0,10 для соединения тромбоцитов зависит от ориентации, а не от порошка.

2. Как выбрать наполнитель с низкими диэлектрическими потерями для подложек антенн миллиметрового диапазона?

Выбор определяют четыре спецификации — целевой Dk, потолок Df на частоте 40 ГГц, допуск Dk по всей панели и влагопоглощение — а теплопроводность является пятой, где у BN нет конкурентов. Стоимость за килограмм в этом списке отсутствует; он участвует только в качестве тай-брейка.

Допуск Dk преобразуется непосредственно в фазовую ошибку.

Фаза масштабируется как √Dk, поэтому дробная ошибка Dk дает половину этой доли фазовой ошибки. На Dk 3,70 разброс ±0,05 составляет 1,35%, что становится ±30° при подаче 25 мм на частоте 39 ГГц. Этого достаточно, чтобы поднять боковые лепестки с -25 дБ до примерно -18 дБ и добавить потери при сканировании на 0,3 дБ — штраф за формирование диаграммы направленности, заплаченный за допуск по порошку, который никто не записал.

Запросите Dk, измеренный на готовом ламинате, а не на прессованной шайбе, а также разброс от партии к партии по пяти партиям — один сертификат подлинности скрывает именно то отклонение, которое имеет значение.

Где БН единственный вариант, а где нет

При 45 об.% BN обеспечивает 4,5 Вт/мК при Dk 3,7, тогда как оксид алюминия обеспечивает 3,2 Вт/мК при Dk 6,9. Для согласования 4,5 Вт/мК с оксидом алюминия требуется около 55 об.%, что увеличивает Dk выше 8 и примерно удваивает диэлектрические потери. Для антенны в корпусе, рассеивающей 20–40 Вт от кристалла GaN под Dk 4, путь оксида алюминия отсутствует.

Ниже 24 ГГц арифметика обратная: диэлектрические потери составляют меньшую часть вносимых потерь, Dk 7 пригоден для многих замен FR4, а ценовой разрыв в 12–15 раз трудно защитить. Покупатели, использующие оба сценария, могут просмотреть производство линий по производству электронных специальных материалов наряду с линиями BN и сравнить измеренную Df на одном приспособлении.

Плавленый кварц заслуживает такой же честности: при 45 об.% он превосходит BN как по Df, так и по цене, так что весь случай BN упирается в теплопроводность.

Наполнитель с низкими диэлектрическими потерями для подложек антенн миллиметрового диапазона также должен выдержать этот процесс: ламинирование при 200 °C, оплавание при 260 °C и выдержку во влажности, которые в большинстве квалификационных планов выполняются в течение 96 часов при температуре 85/85. БН проходит все три без дрейфа Dk выше 0,02; гидроксилированные наполнители обычно перемещаются на 0,05–0,12 после замачивания и не восстанавливаются полностью.

✅ Итог: выше 24 ГГц подберите наполнитель по Df при 40 ГГц и допуску Dk, затем проверьте теплопроводность — никогда наоборот.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Насколько сильно меняется Dk между 10 и 40 ГГц в соединении BN? A: Менее 0,2 единицы для сферического BN — от 3,62 до 3,78 в примере с 45 об.%. Таким образом, в качестве отправной точки можно использовать значение частоты 5G для композитов, наполненных нитридом бора, с диэлектрической проницаемостью, указанное на частоте 1 МГц, при условии, что оно получено из той же нагрузки и той же матрицы.

Вопрос: Действительно ли разрыв в потерях вызван наполнителем или матрицей? A: В основном по воде на границе раздела. Коэффициент рассеяния нитрида бора по сравнению с оксидом алюминия при высокочастотном зазоре существует, потому что объемный оксид алюминия имеет более низкие собственные потери, но гидроксилированную поверхность, которая сохраняет 0,05–0,15 мас.% влаги, что добавляет около 0,0010 к соединению Df. Высушите оба наполнителя при 200 ° C в вакууме, и зазор сузится до 1,2 ×.

Вопрос: Может ли один поставщик поставлять как диэлектрик, так и термонаполнитель? Ответ: Это обычный запрос, и он сокращает квалификацию. XHT предлагает прямые заводские цены на 1 кг, 25 кг и 1 т, использует специальные окна D50 для смесей с подобранными диэлектрическими свойствами и поставляет OEM-марки под частной торговой маркой — один формат CoA и одно диэлектрическое крепление, что устраняет наиболее распространенный источник разногласий между двумя поставщиками.

Получайте измерения Dk и Df на своей матрице, а не на номере таблицы данных.

Отправьте в XHT свою целевую Dk, потолок Df на частоте 40 ГГц и химический состав матрицы, и вы получите данные резонатора с разделенной опорой, измеренные на частотах 10, 28 и 39 ГГц при фактической нагрузке, а также окно D50 для вашего цикла ламинирования. Образцы по 1 кг отгружаются со склада; индивидуальная классификация длится 25–35 дней. Компания Jiangsu Xinhetong New Material Technology Co., Ltd. является производителем сферических фракций BN, глинозема и SiC на одном заводе, поэтому обе стороны пакета могут быть квалифицированы вместе.