RF devre tasarımcılar baskı devre tasararımında bilgisayar yazılımlarını sıklıkla kullanırlar. Günümüzde de elektromanyetik benzetim araçlarından, sistem benzetimlerine kadar birçok ücretsiz ve ticari tasarım aracı bulunmaktadır. Bu yazılımlar tasarımın ilk adımından serime kadar hemen her noktada mühendisin işini önemli ölçüde kolaylaştırmakta, özellikle yüksek frekans devreleri tasarlarken gözden kaçabilecek malzeme, devre elemanı parametreleri ve kuplaj gibi etkileri kestirmeye çalışmaktadır. Bu makale ile bakırın pürüzlülüğü, yalıtkan maske kullanımı, kaplama malzemesi ve devrenin düzeni gibi devre seriminde iletim kaybını etkileyen konuların daha iyi anlamaşılarak RF/mikrodalga tasarımcılarına yardımcı olmak hedeflenmiştir.

Lehim Maskesi Etkisi (Solder Mask)
Hassas mikrodalga devrelerde lehim maskesi kullanmaktan kaçınılır. Ancak bazı durumlarda gerekli olabilir. Yalıtkan maskenin öncelikli kullanım amacı adından da anlaşıldığı gibi iletkenler arasında istenmeyen lehimlerin oluşmasını önlemektir. Lehim maskesi mikrodalga frekanslarda kayıplı bir malzemedir, nemi de tutmasından dolayı dağılım (dispersion) kaynaklı zayıflamaya katkısı olur. Günümüzde en çok akrilik (acrylic) ve epoksi (epoxy) temelli maskeler kullanılmaktadır, ancak bunların da içeriği üreticiden üreticiye değişebilmekte, üretim sırasında maske kalınlığı da farklı olabilmektedir. Bu da dielektrik katsayısının değişik değerler almasına sebep olmakta, etkinin miktarının kestirilmesini zorlaştırmaktadır. Bu makalede endüstride çok kullanılan epoksi bazlı kaplamalar üzerinde yapılmış çalışmalardan bahsedeceğiz.

Maske etkisini anlamak için çeşitli mikroşerit yapılar maskeli ve maskesiz olarak endüstirey tabanlar üzerine üretilmiştir. Testlerde 0.5 oz bakırlı, 0.51mm kalınlığında dielektrik taban (RO4350B) kullanılmıştır. Şekil 1a'da geniş bantlı bir ölçüm için maskeli ve maskesiz ölçüm sonuçları görülmektedir. Şekil 1b'de de dar bantlı, 4 elamanlı mikroşerit kenar-etkileşimli (edge-coupled) süzgeç için yapılan ölçüm görülmektedir.

Şekil 1 a-b. Maske Kullanımının Etkisi

Şekil 1'den de anlaşıldığı gibi maske frekansa bağlı olarak maskesiz devreye kıyasla %15-20 daha fazla kayba sebep olmuştur. Kenar etkileşimli süzgeçte ise maskeli yapıda iletim kaybı %10 daha fazladır. Burada gösteirilmeyen ancak yapılan başka bir çalışmada 8 elemanlı süzgeçte kayıp %16'ya çıkmıştır. Devre karmaşıklığı da maske ile kayıp miktarına etki etmektedir.

Maske etkisi birkaç farklı parametreye bağlı olarak değişmektedir: Devrenin karmaşıklığı, taban kalınlığı, tabanın bağıl dielektrik sabiti, bakır kalınlığı, maske kalınlığı.
Eğer devrede maske kullanmak zorunlu ise özellikle geniş bant uygulamalarda belirtilen etkilere dikkat edilmesi gereklidir. Maskenin nem tutacağı ve devre performansının da ortamın nemine göre değişebileceği de unutulmamalıdır. Yüksek adetli üretimlerde karttan karta maske kalınlığı da değişebilir, bu durum da aynı yapıda olmasına rağmen kartlar arasında performans farklılıklarına sebep olabilir.

İletken - Işıma - Dielektrik Kaybı
Bir ek not olarak mikroşerit hatlardaki bu kayıplara da yer vermek gerekir. Fark uzunluğu yönentemiyle hatların kayıpları db/(birim uzunluk) olarak belirlenmiştir. Bu yöntem hassas dielektrik katsayısı ölçmek için geliştirilen bir yöntemden üretilmiştir [1]. Hammersenstad - Jenson denklemleri kullanan ücretsiz MWI-2010 yazılımının [2] yardımıyla da bir hattaki kayıp oranları Tablo 1'deki gibi belirlenmiştir. Işınım kaybı yaklaşık %16 civarındadır.

Tablo 1.

Yüzey Kaplaması
PCB kaynaklı diğer bir ekten de yüzey kaplamasında kullanılan metallerdir. Otokatalitik nikele bandırılmış altın gibi uzun ömür sağlayan kaplamalar iletim kaybı açısından pek iyi değildir. Nikel kalınlığı genel olarak 1.91-7.62um, altın kalınlığı ise  genelde 0.08-0.20um'dir ve karşılaştırıldıklarında nikel katmanın çok daha fazla olduğu görülmektedir. Nikel iletkenlik olarak bakırın 3'te biri iletkenliğe sahiptir, manyetik geçirkenliği ise 0.5 olup bakır ile karşılaştırdığımızda oldukça yüksektir. Şekil 2'de kaplamalı bir devreyi yakından görebilirsiniz. İletim kaybındaki en büyük etkiyi deri etkisi oluşturmaktadır, bu da bildiğiniz gibi frekansın bir fonksiyonudur. Nikelin düşük iletkenliği yüzey direncini de arttırmaktadır. Şekil 3'te kaplamalı bir devre ile kaplamasız devre arasındaki iletim kaybını görmektesiniz. Kaplamalı bir hatta kayıp %30 daha fazla kayıp olmaktadır, Bir önceki örnekte verilen aynı süzgeç kullanılarak yapılan ölçümde ise kayıp %26 artmıştır. 8 elemanlı süzgeçte ise bu miktar %70'e çıkmaktadır.

Şekil 2. Bakır Katmanın Yakından Görünümü

Şekil 3. Kaplamanın Etkisi

Kaplamanın birçok faydası olmasına rağmen bu etkisi de unutulmamalıdır, hassas uygulamalarda hesaplara katılmalıdır. Ayrıca kaplamanın kalınlığının aynı banttaki üretimlerde bile farklı olabileceği de hesaba katılmalıdır.

Bazı üreticiler gümüş kaplama da yapmaktadır, gümüş bakırdan daha iyi bir iletkendir ve çok ince bir katman halinde uygulanır (0.13-0.30um). İnce katman akım yoğunluğunun en yoğun olduğu üst kısımdadır ve kaplamanın da iletkenliği yüksek olduğu için deri derinliği azalacaktır, RF akım da bütün iletkenin daha az bir kısmını kullanacaktır. Bu etki çok küçük olmakla beraber bir miktar kayıp getirecektir. Şekil 4'te çıplak bakır, nikel-altın kaplama ve maske için karşılaştırmalı bir kayıp grafiği verilmiştir.

Şekil 4. Kaplamanın Etkisinin Karşılaştırılımı

Bakırın Yüzeyinin Pürüzlülüğü
Bakırın hat boyunca pürüzlülüğü sabit olmayacaktır. Değişen şekil deri kalınlığını etkileyecektir. Şekil 5'te 50ohm bir iletim hattı 100um kalınlığındaki bir taban üzerine üretilmiştir. Tabanın ince seçilmesinin sebebi baskın kaybın iletim hattından kaynaklanan kayıp olması istendiği içindir, bu sayede daha kolay ölçüm yapılabilecektir. Bakır yüzeyin pürüzlülüğü mikron cinsinden RMS olarak verilir. Grafikte verilen H&J Model eğrileri de bir yazılımla üretilmiştir.

Pürüzlülüğün en yoğun olduğu nokta yukarıdaki yakından çekilmiş fotodan da anlaşılabileceği gibi iletken hattın kenarlarıdır. Üretim sırasında oluşan bu kavis özellikle kenar etkileşimli (coupled) yapılarda kayıp açısından dikkat edilmesi gereken bir parametredir. Etkileşimli devrelerdeki hesaplarda bu yüzeyin dik bir şekilde olduğu düşünülmektedir.

Şekil 5. Bakır Pürüzü Etkisi

Sonuç
Mikrodalga devre tasarımı görüldüğü gibi tecrübe ile yoğrulan bir meslek. En iyi yazılımları bile kullanıyor olsanız sizi bekleyen yeni yeni sürprizlere hazır olmanız gerekiyor. Özellikle hassas tasarımlarda veya seri üretimlerde buna benzer konuları dikkatli bir şekilde her yönüyle ele almak gerektiği unutulmamalıdır.

------------------------------------------------------------------------------------------

Osman Ceylan

Bu yazının hazırlanmasında Microwave Magazin dergisinin Ağustos 2012 sayısındaki Ambigious Influences Affecting Insertion Loss of Microwave Printed Circuit Boards (John Coonrod / Rogers Corporation) makalesinden faydalanılmıştır.