Comparación de materiales para PCB RF en dispositivos de onda milimétrica

Cuando algunos diseñadores comienzan a hablar sobre materiales, probablemente se inclinan por defecto hacia los laminados FR4. La realidad es que existen muchos materiales FR4, cada uno con una estructura relativamente similar y un rango de valores de propiedades del material. Los diseños en FR4 son bastante diferentes de aquellos que se encuentran en el rango de bajas frecuencias GHz y frecuencias mmWave. Entonces, ¿qué es exactamente lo que cambia en altas frecuencias, y qué hace que estos materiales sean diferentes?

Para ver qué hace que un laminado específico sea útil como material para PCB RF, echa un vistazo a nuestra guía a continuación. Te mostraremos algunos ejemplos de proveedores populares y cómo puedes usar estos en tu apilado de PCB.

¿Cuándo Necesitas un Material para PCB RF?

Esta es una pregunta justa y se relaciona con algunas tareas importantes en el análisis de sistemas. Hay diferentes consideraciones que un diseñador debería examinar cuando califica si se debe usar un material de sustrato de PCB alternativo. Aquí tienes una lista corta de algunas dimensiones que podrías mirar al seleccionar un material de sustrato para PCB RF.

• Tangente de pérdida: Esta es la primera área principal que los diseñadores de PCB utilizarán para comenzar a comparar opciones de material.
• Constante dieléctrica: Aunque esto a veces se malinterpreta, y todos tienden a optar por laminados de baja Dk, pero los laminados de alta Dk también pueden tener bajo factor de pérdida y otros beneficios.
• Propiedades térmicas: Hay múltiples propiedades térmicas, pero las más importantes son probablemente la temperatura de transición vítrea y el CTE.
• Trabajabilidad en la fabricación: Los diseñadores que dejan esto en manos de su fabricante corren un riesgo innecesario. Es mejor contactar a su fabricante respecto a la disponibilidad de materiales, su capacidad para trabajar la placa y la disponibilidad de materiales.
• Espesor: No puedes simplemente elegir cualquier espesor que quieras, necesitarás consultar con tu fabricante sobre su apilado preferido. Si sabes qué espesores de capa pueden soportar, usualmente puedes acercar tu diseño lo suficiente a las especificaciones del fabricante.
• Dispersión: He puesto esto al final de la lista ya que tiende a ser lo menos importante para aplicaciones de onda milimétrica. Los anchos de banda en dispositivos de onda milimétrica pueden ser lo suficientemente pequeños como para que la dispersión sea despreciable, pero aún así deberías verificar esto cuando sea posible.

Lamentablemente, como ocurre en muchos problemas de ingeniería, no existe una respuesta perfecta ni un material perfecto que pueda funcionar en todas estas áreas simultáneamente. Sin embargo, para productos RF de alta fiabilidad, existen algunos materiales de sustrato de PCB RF comunes que están diseñados para soportar bandas de frecuencia específicas sin comprometer las importantes propiedades térmicas.

Proveedores de Materiales de PCB RF de PTFE Conocidos

Los materiales estándar de hoy en día para dispositivos RF y de ondas milimétricas son materiales basados en PTFE. Rogers es probablemente el fabricante más conocido de materiales de PCB RF basados en PTFE, y la compañía fabrica una variedad de materiales laminados de PCB de alta frecuencia. Algunos de estos están especializados para su uso en las bandas Ka y W (radar de automóviles y futuras bandas 5G). Si alguna vez has descargado un diseño de referencia de PCB para un producto RF, su ejemplo de diseño probablemente fue construido usando Rogers.

Otro proveedor bien conocido es Isola, cuyas opciones de materiales para PCB RF se dirigen a un rango de frecuencias hasta la banda W. Además de algunos materiales para PCB RF, también ofrecen una gama de laminados estándar de grado FR4. Un laminado al que suelo recurrir por defecto es el 370HR, y lo he utilizado para construir varios productos de redes y plataformas IoT personalizadas. Funciona perfectamente bien en las frecuencias Wifi para el diseño y enrutamiento de PCB RF, y funcionará bien para la mayoría de las aplicaciones digitales.

Algunos ejemplos de materiales para PCB RF de PTFE y el rendimiento de cada uno se muestran en la tabla a continuación. Note que algunos valores típicos para FR4 de bajo Tg están incluidos en las bandas X-K como una línea base.

No podemos mostrar todas las opciones posibles de sustrato para el diseño de PCB RF, pero me he centrado en estas ya que son opciones populares por varias razones. Los valores del tangente de pérdida son lo que esperarías en comparación con los materiales FR4 típicos (aproximadamente un factor 10 más bajo), y estos materiales tienen temperaturas de descomposición altas en comparación con los laminados FR4 típicos. Estas son algunas de las principales características identificadas en hojas de corte IPC, y su fabricante puede sugerir un material de PCB alternativo que será compatible con su laminado deseado.

Ya sea que desee utilizar una de las opciones en la tabla anterior o alguna otra plataforma de material, tenga cuidado al leer las hojas de datos. El proveedor del material debería poder verificar los valores que cotizan dentro de las condiciones operativas enumeradas. Puede aprender mucho más sobre materiales dieléctricos para su sustrato y métodos de prueba de John Coonrod de Rogers Corp.

Trabajando con PTFE y Otros Materiales

Cada decisión de diseño viene con compensaciones, y los materiales basados en PTFE tienen algunas desventajas básicas en comparación con FR4:

• Alto CTE, por lo que la expansión térmica pone más estrés en los elementos de cobre
• El PTFE no se adhiere fácilmente a otros materiales, por lo tanto, se utiliza un adhesivo
• El PTFE es una sustancia blanda y puede ser fácilmente distorsionada

Luego está el costo. Los laminados de PTFE son un material especializado a pesar de su popularidad, por lo que los dispositivos de RF normalmente no se construyen con PTFE en todo el apilado de capas. Una opción es utilizar un apilado híbrido, donde el laminado de PTFE se coloca en la capa superficial y las señales de alta frecuencia solo se enrutan en el laminado de PTFE por encima de una capa plana. A continuación, se muestra una tabla de apilado de ejemplo para una placa de RF de 6 capas.

Esté atento a Nuevos Materiales Innovadores

Las empresas de materiales continuarán desarrollando soluciones innovadoras de baja pérdida y baja dispersión. Algunos de los materiales experimentales más recientes están enfocados en los efectos de tejido de fibra e intentarán resolver estos con materiales más suaves. Con las herramientas adecuadas de apilamiento de capas de PCB, no estarás restringido a valores de materiales específicos, puedes ingresar datos de materiales personalizados de tu fabricante en tu diseño de apilamiento.

Una vez que hayas seleccionado un material de PCB RF apropiado para soportar el diseño y enrutamiento de alta frecuencia, puedes crear un apilamiento de alta calidad con Altium Designer. Todos los usuarios de Altium Designer pueden usar la extensión EDB Exporter para importar su diseño a los solucionadores de campo de Ansys para simulaciones avanzadas de integridad de señal.

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. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para una descripción más profunda de las características o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.