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Si te has tomado el tiempo para aprender sobre las opciones de materiales para PCB y las construcciones de capas, probablemente hayas visto la amplia gama de materiales disponibles en el mercado. Las empresas de materiales producen laminados con diferentes valores de Dk, valores de Tg, estilos de tejido, valores de CTI y propiedades mecánicas para dirigirse a diversas aplicaciones en la industria electrónica.
Hay un conjunto de materiales que recibe mucha atención por su comportamiento de baja pérdida: los materiales para PCB de bajo Dk. A menudo se recomiendan estos materiales para el diseño de PCB de alta velocidad como una opción de material de baja pérdida. Sin embargo, no todos los sistemas necesitan estos materiales, y hay otros sistemas donde la fiabilidad de los materiales de bajo Dk basados en PTFE puede ser mucho más deseable. Sigue leyendo para aprender más sobre el uso de estos materiales y cómo tomar decisiones más inteligentes sobre materiales para tu placa.
En general, hay cuatro clases amplias de materiales de bajo Dk que se pueden usar en un apilado de PCB:
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Estos materiales tienden a tener un tangente de pérdida más bajo que los materiales estándar de grado FR4 con un Dk más alto (que varía de ~4.2 a ~4.8). Esta es una razón por la cual a menudo se recomiendan para su uso en PCBs de alta velocidad, pero esta recomendación a menudo se proporciona sin el contexto correcto. Discutiré algunos de los momentos típicos para usar materiales de bajo Dk a continuación. Por ahora, veamos cada una de estas opciones de material:
Estos materiales son compuestos de resina epoxi de ingeniería que son comparables en la mayoría de los aspectos con otros laminados FR4 en términos de las propiedades principales del material y construcciones (tejido de vidrio/contenido de resina, valor Tg, propiedades mecánicas). Dos de los proveedores más populares para estos materiales son Isola e ITEQ, aunque hay otros que producen laminados comparables. Estos materiales se utilizan en un apilado de PCB justo como se usaría cualquier otro laminado de grado FR4; los materiales están disponibles en opciones de prepreg y núcleo, y no hay problemas importantes de construcción híbrida a considerar.
Los estilos de tejido de vidrio en estos laminados pueden variar considerablemente, desde tejidos abiertos (106) hasta tejidos muy cerrados (2116) y vidrio esparcido mecánicamente. Para aplicaciones de alta velocidad, estos laminados son deseables ya que pueden usarse con la mayoría de los protocolos de alta velocidad (DDR3+, PCIe, Ethernet gigabit, estándares MIPI, etc.).
El material laminado típico de baja Dk que debería ser familiar para todo diseñador es el PTFE. Estos materiales utilizan PTFE y un agente de curado mezclado con rellenos cerámicos para ingeniar la constante dieléctrica, el tangente de pérdida y el Tg a ciertos valores. Estos materiales también están diseñados para tener valores de Dk muy altos para su uso en aplicaciones de Dk más bajo (aún tienen una pérdida total menor que FR4), como he explicado en este artículo.
Las aplicaciones más citadas para estos materiales se encuentran en sistemas RF que operan bien dentro del rango de GHz. Note que no necesita usar Rogers para cada placa RF; por debajo de unos 5 GHz (rango de frecuencia WiFi), las pérdidas dieléctricas y de cobre en las placas FR4 son demasiado pequeñas para ser significativas a menos que una placa se vuelva muy grande.
Este tipo de resultado se puede ver claramente en los datos de pérdida dieléctrica de Rogers (he citado múltiples ejemplos en este blog). También puede ver esto muy claramente a partir de los resultados de simulación, y de los resultados analíticos que muestro en un blog sobre la rugosidad del cobre.
Algunos materiales de PCB basados en PTFE que ofrecen un bajo Dk pueden estar disponibles como laminados no reforzados, lo que significa que no tienen un refuerzo de tejido de fibra de vidrio. Por ejemplo, Rogers 3003 es un ejemplo de un laminado de muy baja tangente de pérdida con cobre muy suave, y está disponible sin refuerzo de vidrio. Esto elimina el efecto de tejido de fibra, pero hace que el material sea más difícil de trabajar cuando el laminado es más delgado.
Este material de bajo Dk y baja pérdida es mejor conocido por su uso en PCBs flex avanzadas que operan en el rango de espaciado/ancho de línea ultra-HDI. Estos materiales pueden usarse con poliimidas modificadas para formar circuitos de alto conteo de capas, y a menudo se utilizan en teléfonos inteligentes. Otras áreas de aplicación incluyen sistemas de alta fiabilidad que requieren la eliminación de un conector para prevenir fallos en el dispositivo, como en sistemas aeroespaciales.
Para aprender más sobre esta clase de materiales, lee este artículo de Happy Holden.
Estos dos conjuntos de materiales se utilizan en ensamblajes flex o rígido-flex. Las poliimidas son el conjunto estándar de materiales utilizados en pilas de capas flex y rígido-flex como sustratos de placas. Algunas de las principales propiedades de estos materiales incluyen:
Los materiales básicos de poliimida ya ofrecen valores de Dk ligeramente inferiores a la mayoría de los laminados FR4, siendo el valor típico de Dk aproximadamente 3.4 para las poliimidas. Las poliimidas vienen en muchas variedades y nombres de productos, y sus propiedades materiales varían según la composición de la película. Cabe mencionar que hay algunos informes de poliimidas de bajo Dk/baja pérdida operando en el rango de GHz. El artículo a continuación es un ejemplo de tal material.
Las películas de unión son un material que se puede utilizar en apilamientos de PCB flex/rígido-flex para proporcionar una región de bajo Dk sobre una capa de señal de cobre. Estas películas son capas adhesivas de cubierta muy delgadas que se utilizan para adherirse a la cubierta en un apilamiento de PCB flex/rígido-flex. Estas películas pueden tener un valor de Dk muy bajo (menos de 3) y un tangente de pérdida muy bajo, pero solo son útiles en apilamientos flex como un adhesivo de cubierta de baja pérdida. Otras aplicaciones podrían hacer uso de este material siempre que se pueda incorporar en un apilamiento. El grosor típico del material es de ~1 mil, por lo que solo se vuelve útil en placas de mayor cantidad de capas.
Para aprender más sobre las razones por las que deberías y no deberías usar materiales de PCB de bajo Dk, mira el siguiente video.
Si echas un vistazo al mundo de la RF, encontrarás materiales para circuitos impresos rígidos con valores de Dk muy bajos, incluso inferiores a Dk = 3. Estos materiales no se utilizan a menudo en diseños HDI avanzados porque actualmente no están disponibles en capas muy delgadas (como 2 mils o menos). Hice alusión a estos materiales anteriormente en la sección sobre poliimida, pero la poliimida es un material flexible delgado que se utiliza como película de construcción en estas aplicaciones, y no baja mucho más allá de Dk = 3.
En cambio, tenemos que recurrir al PTFE reforzado con cerámica para encontrar materiales que lleguen hasta un Dk = 2. Dos proveedores de soluciones para estos materiales son AGC Multimaterial (que incluye a Nelco y Taconic), y Rogers Corporation.
Como ejemplo, echa un vistazo a los datos del laminado Rogers RT/Duroid 5880LZ mostrados a continuación. Este laminado tiene valores de Dk y Df muy bajos, los cuales son muy deseables en sistemas RF y digitales que operan a frecuencias/anchos de banda muy altos. Debido a los grosores de laminado disponibles (como se discute a continuación), las aplicaciones ideales para este material siguen estando en el dominio de la RF debido a los anchos de traza requeridos.
Lamentablemente para los diseñadores de sistemas digitales, este material de Rogers no está disponible en espesores de laminado inferiores a 10 mils. ¡En un laminado de 10 mils con Dk = 2, una línea microstrip de 50 Ohm tendría 31 mils de ancho! Una microstrip coplanar de 50 Ohm con un solo extremo y un espaciado de traza a vertido de 10 mils todavía tendría 27 mils de ancho. Obviamente, esto no es viable en PCBs digitales avanzados y sustratos que demandan valores de Dk más bajos, ya que nunca podrías enrutar en ballouts de paso fino.
Mientras que a los diseñadores de sistemas digitales que usan interfaces de ultra-alta velocidad (por ejemplo, 224G PAM-4) les encantaría encontrar materiales digitales rígidos con valores de Dk tan bajos como 2, el mundo del laminado todavía tiene que ponerse al día. A los diseñadores de PCBs digitales y de empaquetado les encantaría tener un material rígido muy delgado con un Dk tan bajo como 2, ya que esto ayuda enormemente a la integridad de la señal en sistemas HDI. Conozco una startup que está trabajando hacia este tipo de material, y espero que los grandes jugadores de materiales eventualmente sigan su ejemplo.
Cuando muchas guías de diseño de PCB de alta velocidad indican usar un "laminado de bajo Dk", típicamente recomiendan un laminado de PTFE. He encontrado dos razones para esta recomendación, ambas sin sentido:
La suposición en el Punto #1 es simplemente incorrecta. Las pérdidas experimentadas por una onda electromagnética están determinadas enteramente por la parte imaginaria de la constante dieléctrica, no por el tangente de pérdida. El tangente de pérdida es solo una métrica sumativa que compara la velocidad de la onda con la pérdida de la onda, y también simplifica algunos cálculos matemáticos que involucran valores de elementos de circuito distribuido para líneas de transmisión. Todo esto significa que, para una cantidad dada de pérdida dieléctrica, un material de menor Dk tendría un tangente de pérdida mayor que un material de mayor Dk.
Esto es algo que los físicos aprenden en su primer día de clase de óptica. Por alguna razón, los ingenieros de microondas nunca recibieron el memo.
La suposición en el Punto #2 también es una directriz sin sentido en el diseño de PCB de alta velocidad. Si estás diseñando un PCB de alta velocidad, pasarás mucho más tiempo calculando las longitudes de las pistas si intentas mantenerte por debajo de la longitud crítica para una línea de transmisión. Además, la "longitud crítica" no está bien definida, como he discutido muchas veces. Por lo tanto, deberías simplemente diseñar para la impedancia requerida para tus interfaces, independientemente de si estás diseñando en un material de baja Dk o alta Dk.
También es extremadamente fácil obtener una estimación precisa del ancho que alcanza tu impedancia objetivo. Además del Administrador de Apilado de Capas en Altium Designer, he publicado múltiples aplicaciones de calculadora en este blog que pueden dar estimaciones altamente precisas cerca de la impedancia objetivo de 50 Ohm.
A pesar de lo que he escrito arriba sobre las directrices acerca del diseño de alta velocidad, hay aplicaciones que sí necesitan materiales de baja Dk, incluyendo en el diseño de PCB de alta velocidad. Por ejemplo, las siguientes aplicaciones comúnmente usan un material de baja Dk.
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Los materiales de bajo Dk típicamente utilizados en estas aplicaciones pueden ser elegidos porque coinciden con un menor tangente de pérdida. Otras placas, como la electrónica de potencia de alta fiabilidad, podrían construirse sobre PTFE o poliamida, pero no porque estos materiales tengan un valor de Dk más bajo que los laminados FR4 estándar.
El último punto en la tabla anterior es probablemente el más importante para sistemas de alta velocidad y en sistemas de muy alta frecuencia. En ambos sistemas, se requerirán tamaños de características pequeñas para alcanzar las impedancias objetivo y operar en la longitud de onda requerida (en sistemas RF). Esto significa que puedes llegar a contar con un mayor número de capas y operar a frecuencias más altas, pero podrás utilizar un proceso de fabricación menos preciso. Esto es, sin duda, una de las mayores ventajas de estos materiales a medida que los productos más avanzados avanzan hacia el rango ultra-HDI.
Cuando estés listo para seleccionar materiales para tu apilado de PCB, incluyendo construcciones estándar con bajo Dk, utiliza el conjunto completo de herramientas de diseño de productos en Altium Designer®. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras liberar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365™ facilita la colaboración y el compartir tus proyectos. Ven a ver las actualizaciones mensuales de características en Altium Designer.
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