¿Cómo afecta realmente la dispersión en FR4 al retraso de propagación?

Hace tiempo, cuando trabajaba en nuevos dispositivos optoelectrónicos, los prototipos que construíamos eran bastante desastrosos. En lugar de derrochar el dinero en materiales de primera calidad, utilizábamos materiales homologados de bajo coste e instrumentos de medición simplemente para poner nuestros dispositivos en funcionamiento. Los dispositivos sí que funcionaban, y lo único que sacrificábamos era su estética. Pero cuando llegaba el momento de demostrar la viabilidad de nuestros dispositivos en aplicaciones reales, sabíamos que teníamos que trabajar con materiales adecuados de alta pureza.

Existen ventajas y desventajas a la hora de elegir entre materiales más baratos y populares o materiales caros y eficaces. Con la alta popularidad de FR4 entre los diseñadores y fabricantes de PCB, y con un mayor número de dispositivos que funcionan a alta velocidad o frecuencia, merece la pena saber más sobre cómo FR4 afecta a la integridad de la señal y al retraso de propagación en las PCB.

FR4 y diseño de alta velocidad/alta frecuencia

Las personas familiarizadas con el diseño de alta velocidad saben que la geometría de las trazas, su ubicación y el sustrato de la placa afectan a la velocidad de la señal, la adaptación de impedancia y el retraso de propagación. FR4 no siempre es la mejor opción a la hora de diseñar un dispositivo de alta velocidad o alta frecuencia. Casi todos los diseñadores e ingenieros recomiendan utilizar algún otro material como sustrato para los dispositivos de alta velocidad/alta frecuencia.

Gracias al retraso de propagación, tanto las ondas analógicas como los pulsos digitales tienen unas longitudes de enlace críticas que determinan su transición a comportamiento de línea de transmisión. En cuanto los enlaces se comportan como líneas de transmisión, la adaptación de impedancia se convierte en algo crítico para evitar pitidos y resonancia entre fuentes y cargas en las placas. Esta transición depende de una comparación entre el tiempo de subida de la señal y el retraso de propagación.

Las trazas adyacentes en una sola capa, así como las capas adyacentes en placas multicapa, forman un capacitador. Los espacios de las trazas y la constante dieléctrica de FR4 determinarán la capacitancia equivalente. La adaptación de impedancia es crítica en el régimen de línea de transmisión, y esta capacitancia parásita debe tenerse en cuenta cuando se diseña la placa, especialmente cuando se trabaja con señales de alta velocidad/alta frecuencia.

^{Cómo afecta la dispersión del substrato FR4 al retraso de propagación.}

Todo esto ocurre debido a la presencia de material dieléctrico cerca de las trazas conductoras. La constante dieléctrica del conductor determina la velocidad de una señal que viaja a través del conductor. Si imaginamos que una traza está suspendida en el vacío, la velocidad de la señal en dicha traza solamente depende de la constante dieléctrica del conductor. Ante la presencia de materiales dieléctricos cercanos (como un sustrato FR4), la constante dieléctrica del conductor adopta un valor distinto.

Esta constante dieléctrica modificada se denomina constante dieléctrica efectiva. Esto se suele calcular omitiendo los efectos de dispersión y absorción en el sustrato. Esto está bien a bajas frecuencias y velocidades de conmutación, pero los mismos cálculos producen el retraso de propagación incorrecto a altas frecuencias y velocidades de conmutación. El espesor de la placa también cambia la constante dieléctrica efectiva de la placa, lo que a continuación altera la capacitancia parásita y la adaptación de impedancia necesaria.

Las placas FR4 podrían usarse en dispositivos de alta velocidad cuando las capas están recubiertas de laminados de alta velocidad. Estos laminados conllevan menos pérdida que FR4 y determinan en mayor medida la constante dieléctrica efectiva en las trazas. Una combinación de FR4 y un laminado de alta velocidad puede ser preferible a un material alternativo, según los costes implicados.

Absorción y dispersión

El retraso de propagación en una traza de PCB depende de la constante dieléctrica del sustrato, las dimensiones de la traza y si hablamos de trazas stripline o microstrip. A frecuencias muy bajas y bajas velocidades de conmutación, el retraso de propagación es relativamente insensible a los cambios de velocidad de conmutación/frecuencia. Pero el retraso de propagación se hace más sensible a velocidades y frecuencias más altas.

Esto ocurre debido a la dispersión en el sustrato FR4. Las PCB para aplicaciones de RF, radar y datos de gigabit deben diseñarse teniendo en cuenta la dispersión y sus efectos sobre el retraso de propagación. Puesto que estas aplicaciones suelen exigir un bajo ruido de fondo, se usan trazas diferenciales para evitar interferencias. Entonces el retraso de propagación afecta a la tolerancia de adaptación de la longitud entre trazas paralelas.

Las trazas en FR4 tienden a registrar mayores pérdidas que con otros materiales de PCB especializados para aplicaciones de RF por encima de 1 GHz. FR4 presenta una dispersión negativa y una tangente de pérdidas incrementales a frecuencias cada vez más altas. En comparación con otros materiales especializados para altas frecuencias, la dispersión realmente aumenta la velocidad de la señal a frecuencias más altas, disminuyendo así el retraso de propagación a frecuencias más altas.

La absorción electromagnética en FR4 aumenta rápidamente hasta unos 100 KHz y después aumenta gradualmente hasta unos 100 GHz. Esto hace que las trazas en FR4 tengan una mayor atenuación a frecuencias altas para un espesor concreto de placa. Este es el principal motivo por el que se usan laminados de alta velocidad en las placas FR4.

^{Integridad de señal en el diseño de PCB.}

Calcular el valor correcto del retraso de propagación exige el modelo adecuado para los parámetros del material del sustrato. Los modelos lineales de referencia para dispersión y absorción son claramente incorrectos con frecuencias superiores a los 4 GHz o velocidades de conmutación. El modelo Debye de banda ancha es claramente el mejor para describir estos parámetros de material claves en FR4 por encima de un amplio rango de frecuencias.

Si se analiza el espectro de frecuencias en un pulso digital, se comprobará que las señales digitales concentran casi toda su intensidad entre la frecuencia de conmutación y la frecuencia de codo. La frecuencia de codo es aproximadamente un tercio del inverso del tiempo de subida de la señal.

Como un pulso digital es en realidad una simple superposición de ondas analógicas, la dispersión afecta a cada una de estas frecuencias analógicas de formas ligeramente distintas. Una buena aproximación es considerar la dispersión únicamente a la frecuencia de conmutación. Esta aproximación es aceptable para dispersión de baja a moderada.

Si se tienen en cuenta las ventajas e inconvenientes de diseño que deben considerarse a la hora de elegir un material de sustrato, se necesita un software de diseño de PCB que permita flexibilidad durante la elección del sustrato adecuado. Las herramientas CAD, las herramientas intuitivas de apilado de capas y las funciones de simulación de Altium Designer 18.1 facilitarán el diseño de tu próximo dispositivo de alta velocidad o alta frecuencia sobre FR4. Habla con un experto de Altium hoy mismo para más información.