Constante dielétrica de compósitos preenchidos com nitreto de boro em frequências 5G: dados Dk e Df de 10 a 40 GHz

Um composto esférico de nitreto de boro com 45% em volume contém Dk 3,6–3,9 e Df 0,0022–0,0030 em toda a banda de 10–40 GHz - cerca de 40% menos perda dielétrica do que um composto de alumina com a mesma condutividade térmica e metade de um composto de nitreto de alumínio. Esses dois números, Dk e Df, decidem se um phased array mantém seus lóbulos laterais e se um front-end de 39 GHz mantém seu orçamento de link. A maioria dos números de frequências 5G de compósitos preenchidos com nitreto de boro com constante dielétrica em circulação são valores de folha de dados de 1 MHz extrapolados para cima, e é nessa extrapolação que os projetos mmWave perdem margem silenciosamente.

Os dados abaixo provêm de medições em lotes de produção XHT — Jiangsu Xinhetong New Material Technology Co., Ltd., uma produtora de pó cerâmico esférico em Jinhu, Jiangsu, cujo programa de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de novos materiais abrange tanto o forno de esferonização quanto a bancada de testes dielétricos, portanto, uma mudança na formulação pode ser medida em vez de estimada.

1. Qual é a aparência real de Dk e Df de compostos preenchidos com BN de 10 a 40 GHz?

Eles permanecem planos em Dk e flutuam apenas ligeiramente em Df: um laminado BN esférico de 45 vol% mede 3,62 a 10 GHz, 3,71 a 28 GHz e 3,78 a 40 GHz, com Df aumentando de 0,0024 para 0,0030 no mesmo intervalo. A planicidade é mais importante do que o valor absoluto, porque um empilhamento projetado em um número de 1 MHz não assume nenhum desvio.

O fator de dissipação nitreto de boro versus alumina no intervalo de alta frequência aumenta com a frequência - 1,3 × a 10 GHz, 1,6 × a 40 GHz - embora a cerâmica de alumina sinterizada (Df 0,0002) seja um material de menor perda que o cristal BN (Df 0,0004). A reversão acontece dentro do composto, não dentro do cristal.

Por que o próprio Df do enchimento mal sobrevive no composto

Três mecanismos de perda ficam em série: a matriz polimérica, a interface matriz-carga e a água absorvida. A 45% em volume, a matriz ainda ocupa metade do volume e contribui com 0,0015–0,0020 de Df por si só; a interface, que é sensível à água, acrescenta o resto.

A alumina é o caso problemático: sua superfície hidroxilada adsorve 0,05–0,15% em peso de água que não sai abaixo de 180 °C. Com Df ≈ 0,15, a água a 0,1% em peso adiciona cerca de 0,0010 ao composto Df a 10 GHz - mais do que toda a diferença entre os dois enchimentos no papel. BN ocupa menos de 0,02% em peso e não necessita de etapa de secagem.

Transforme qualquer figura de frequências 5G de compósitos preenchidos com nitreto de boro com constante dielétrica em atenuação com α = 0,91 × Df × √Dk × f (GHz) dB/cm. A perda do condutor não está nessa coluna e abaixo de 20 GHz é a maior das duas.

A armadilha da anisotropia que faz dois laboratórios discordarem

A plaqueta BN alinha-se com o plano durante a laminação. Como h-BN tem 3,4 no plano contra cerca de 5,2 no plano direto, um composto alinhado mostra dois valores de Dk para dois acessórios: uma linha de microfita, cujo campo atravessa a espessura, vê o número mais alto; um guia de ondas coplanar vê principalmente o inferior. Os relatórios de "Dk 4.1" e "Dk 3.6" para um laminado geralmente estão corretos.

BN esférico remove a variável. Uma esfera não tem orientação preferencial, portanto Dk é o mesmo em todas as direções e não muda com a posição da porta em um painel de 500 mm. O XHT verifica isso medindo o mesmo lote de um ressonador microstrip e de um ressonador dielétrico de poste dividido, com corte D50 no mesmo classificador usado para fabricação de produtos cerâmicos especiais .

✅ Conclusão: Especifique a tolerância Dk, não apenas Dk — uma janela de ±0,10 em um composto plaquetário vem da orientação, não do pó.

2. Como você escolhe um preenchimento de baixa perda dielétrica para substratos de antena mmWave?

Quatro especificações decidem a escolha – alvo Dk, teto Df em 40 GHz, tolerância Dk em um painel e absorção de umidade – e a condutividade térmica é a quinta, onde a BN não tem concorrente. O custo por quilograma não está nessa lista; entra apenas como critério de desempate.

A tolerância Dk é convertida diretamente em erro de fase

A fase é dimensionada como √Dk, portanto, um erro Dk fracionário produz metade dessa fração do erro de fase. No Dk 3.70, um spread de ±0,05 é de 1,35%, que se torna ±30° em uma alimentação de 25 mm a 39 GHz. Isso é suficiente para elevar os lóbulos laterais de -25 dB para cerca de -18 dB e adicionar 0,3 dB de perda de varredura - uma penalidade de formação de feixe paga por uma tolerância a pó que ninguém anotou.

Peça o Dk medido no laminado acabado, não em um disco prensado, e para o lote a lote distribuído em cinco lotes - um único CoA esconde exatamente a variação que importa.

Onde BN é a única opção e onde não é

A 45 vol%, o BN fornece 4,5 W/mK a Dk 3,7, enquanto a alumina fornece 3,2 W/mK a Dk 6,9. Combinar 4,5 W/mK com alumina precisa de cerca de 55 vol%, o que empurra Dk para além de 8 e aproximadamente duplica a perda dielétrica. Para uma antena em pacote espalhando 20–40 W a partir de uma matriz GaN abaixo de Dk 4, não há rota de alumina.

Abaixo de 24 GHz, a aritmética se inverte: a perda dielétrica é uma minoria da perda de inserção, o Dk 7 é viável para muitas substituições do FR4 e a diferença de preço de 12–15× é difícil de defender. Os compradores que executam ambos os cenários podem revisar a fabricação de linhas de materiais eletrônicos especiais ao lado das linhas BN e comparar o Df medido em um dispositivo.

A sílica fundida merece a mesma honestidade: a 45 vol% ela supera o BN tanto no Df quanto no preço, então todo o caso do BN depende da condutividade térmica.

Um preenchimento de baixa perda dielétrica para substratos de antena mmWave também precisa sobreviver ao processo: laminação de 200 °C, refluxo de 260 °C e absorção de umidade que a maioria dos planos de qualificação executa por 96 horas a 85/85. BN passa todos os três sem desvio Dk acima de 0,02; os enchimentos hidroxilados normalmente se movem 0,05–0,12 após a imersão e não se recuperam totalmente.

✅ Resumindo: acima de 24 GHz, escolha o preenchimento por Df em 40 GHz e tolerância Dk e, em seguida, verifique a condutividade térmica – nunca o contrário.

Perguntas frequentes

P: Quanto Dk se move entre 10 e 40 GHz em um composto BN? R: Menos de 0,2 unidades para BN esférico – 3,62 a 3,78 no exemplo de 45% em volume. Um valor de frequências 5G de compósitos preenchidos com nitreto de boro com constante dielétrica cotado em 1 MHz pode, portanto, ser usado como ponto de partida, desde que venha da mesma carga e da mesma matriz.

P: A lacuna de perda é realmente causada pelo preenchimento ou pela matriz? R: Principalmente por água na interface. O fator de dissipação nitreto de boro versus alumina no intervalo de alta frequência existe porque a alumina a granel tem a menor perda intrínseca, mas uma superfície hidroxilada que retém 0,05–0,15% em peso de umidade, adicionando cerca de 0,0010 ao composto Df. Seque ambos os enchimentos a 200 °C sob vácuo e a lacuna diminui para 1,2×.

P: Um fornecedor pode cobrir tanto o enchimento dielétrico quanto o térmico? R: Essa é a solicitação usual e encurta a qualificação. A XHT cota direto da fábrica em 1 kg, 25 kg e 1 t, executa janelas D50 personalizadas para misturas dielétricas combinadas e fornece graus OEM sob marca própria – um formato CoA e um acessório dielétrico, o que elimina a fonte mais comum de desacordo entre dois fornecedores.

Obtenha Dk e Df medidos em sua matriz, não em um número de folha de dados

Envie XHT seu Dk alvo, seu teto Df em 40 GHz e sua química de matriz, e você receberá dados do ressonador de post dividido medidos em 10, 28 e 39 GHz no carregamento real, além de uma janela D50 para seu ciclo de laminação. Amostras de 1 kg são enviadas do estoque; a classificação personalizada dura de 25 a 35 dias. Jiangsu Xinhetong New Material Technology Co., Ltd. é fabricante de frações esféricas de BN, alumina e SiC em uma fábrica, para que ambos os lados de uma pilha possam ser qualificados juntos.