Tipos de materiales de PTFE para el diseño de PCBs de RF

Los diseños de PCB RF suelen utilizar materiales basados en PTFE de baja pérdida gracias a sus muy bajas pérdidas dieléctricas y su amplio rango de posibles valores de Dk. Estos materiales utilizan politetrafluoroetileno (PTFE) como material base, pero este no es el único componente en estos materiales laminados. También hay refuerzos y rellenos que se utilizan para ingeniar los materiales de PCB de PTFE para que tengan las propiedades materiales requeridas.

Los materiales basados en PTFE disponibles comercialmente están disponibles con o sin refuerzo, pero es trabajo del diseñador especificar lo que necesitan para asegurar la fiabilidad y funcionalidad. Antes de que te lances a seleccionar cualquier material basado en PTFE para tu placa, asegúrate de entender cómo los rellenos y refuerzos en los laminados de PTFE afectan la operación de tu placa.

Componentes Materiales en Laminados de PTFE

Los materiales basados en PTFE incluyen dos componentes materiales principales que definen sus propiedades materiales:

• Refuerzo - proporciona rigidez
• Relleno - polvos cerámicos utilizados para ingeniar las propiedades materiales

Los laminados de PTFE utilizados en PCBs usan partículas cerámicas como material de relleno para ingeniar las propiedades materiales del material laminado. Los efectos exactos en las propiedades materiales dependen del tipo de cerámica utilizado y su contenido en el sustrato, y esto es en gran medida propiedad intelectual de los fabricantes de laminados de PTFE.

Además del uso de rellenos cerámicos para ingeniar propiedades térmicas, mecánicas y electromagnéticas, los laminados basados en PTFE pueden incluir un refuerzo en la matriz de PTFE.

Refuerzo de Tejido de Vidrio

Los refuerzos de vidrio son un refuerzo estándar utilizado en materiales basados en PTFE para PCBs de RF. Estos refuerzos son los mismos estilos de tejido de vidrio que se encuentran en los laminados estándar de epoxi-fibra de vidrio. Debido a la menor rigidez de los materiales laminados de PTFE en comparación con FR4, el refuerzo puede aumentar la rigidez general de la placa si eso es necesario para asegurar la fiabilidad. También simplifica la perforación a través de un apilado, incluyendo en apilados híbridos.

Los estilos típicos de vidrio utilizados para el refuerzo incluyen:

• 1078
• 106
• 1080
• Vidrio plano/esparcido

¿Cómo difieren estos estilos de tejido y cómo crean diferencias en la respuesta de fase a través de los circuitos? En general, los tejidos más abiertos crearán una mayor desviación entre la respuesta de fase objetivo en un interconector y la respuesta de fase real (medida), que es el efecto clásico de tejido de fibra. Esto es malo para cualquier sistema sensible a la fase, como arreglos en fase.

Si necesita diseñar y fabricar un sistema con una respuesta de fase objetivo con un sesgo mínimo, entonces debería usar refuerzo de vidrio esparcido/plano, o ningún refuerzo en absoluto. También existen refuerzos de vidrio no tejido y refuerzos cerámicos.

Refuerzo de Vidrio No Tejido

Existe también un tipo de refuerzo de vidrio que es completamente aleatorio. En este material basado en PTFE, típicamente se puede encontrar el mismo nivel de rigidez mecánica que se encontraría en laminados reforzados tejidos, pero sin el mismo nivel de efectos de tejido de fibra que se vería en un laminado reforzado tejido. El uso de vidrios no tejidos en laminados de PTFE es mucho menos común porque no todos los fabricantes ofrecen esta opción en sus materiales. Sin embargo, si se ofrece (ver abajo), las propiedades del material en PTFE reforzado tejido vs. no tejido son similares.

Refuerzo Cerámico vs. Relleno Cerámico

El uso de refuerzos de vidrio ha permitido el uso de materiales basados en PTFE más delgados en apilamientos de PCB, lo que requiere que la rigidez sea reforzada en la matriz de PTFE. Sin embargo, el vidrio no es el único refuerzo disponible; los refuerzos cerámicos también se utilizan para proporcionar rigidez. Estos refuerzos también proporcionan la misma función que los rellenos, pero no proporcionan el mismo tipo de refuerzo mecánico que los tejidos de vidrio.

Menciono la cerámica como refuerzo porque estos materiales a veces se especifican concretamente como refuerzos cerámicos, no solo como relleno cerámico. El refuerzo cerámico no contiene un estilo de tejido, por lo que no tienes efectos de tejido de fibra en el laminado de PCB. Sin embargo, la línea entre el refuerzo cerámico y el relleno cerámico es borrosa y algunos proveedores pueden usar estos dos términos de manera intercambiable. Ten cuidado de verificar si hay una diferencia significativa antes de finalizar una selección de material.

Sin refuerzo

Finalmente, existen laminados de PTFE sin refuerzo, que solo contienen un relleno de micropartículas cerámicas y aditivos, pero sin otros refuerzos. Muchos de los productos laminados basados en PTFE que encontrarás disponibles están disponibles en variedades reforzadas o sin refuerzo. Creo que la mayoría de los diseñadores asumen que su laminado de PTFE será sin refuerzo, pero a menos que especifiques exactamente lo que necesitas, estarás a merced de los stocks de materiales de tu casa de fabricación.

Ventajas: ¿Por qué usaríamos un material no reforzado? Lo haríamos si queremos eliminar cualquier posibilidad de que el refuerzo cree efectos de tejido de fibra o sesgo a lo largo de los interconexiones en el material del sustrato. Esta es la principal ventaja de estos materiales, especialmente para su uso en sistemas de muy alta frecuencia como el radar. También hay beneficios en radar avanzado de alta densidad que podría usar vías ciegas en capas de construcción externa, a saber:

• Eliminación del sesgo a través de líneas RF con fase coincidente
• Eliminación de áreas de nudillo donde se superponen las hebras de fibra

Desventajas: La principal desventaja de un material basado en PTFE no reforzado es su falta de rigidez antes de que se aplique en un apilado y se cure. Esto puede resultar en un desajuste de capa a capa, particularmente en agujeros de perforación y almohadillas, lo que podría tener un ligero desalineamiento. En las placas modernas que mencioné anteriormente, esto puede ser una fuente significativa de pérdida de retorno en frecuencias muy altas.

No quiero decir que estos materiales siempre tendrán una mayor desalineación, pero es posible que tengan una mayor desalineación si su casa de fabricación no tiene experiencia trabajando con estos materiales. He escuchado a un ingeniero de aplicaciones de Rogers describir estos laminados sin refuerzo como "fideos mojados", lo que significa que son muy flexibles y pueden doblarse al ser añadidos al apilado. Si vas a usar materiales sin refuerzo, asegúrate de que tu fabricante tenga experiencia en manejar estos materiales.

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