Pratiche consigliate per la selezione dei materiali per PCB ad alta frequenza

La progettazione PCB ad alta frequenza può sembrare complessa e ho sentito molti ingegneri descriverla come "magia nera"! Inoltre, l'argomento è un po' confuso, soprattutto quando si chiede quali frequenze potrebbero essere ragionevolmente considerate "alte". La realtà è che alcune delle sfide presenti nella progettazione ad alta velocità compaiono anche nella progettazione ad alta frequenza, ma noi le consideriamo in modi diversi. Prima di eseguire qualsiasi operazione all'interno del layout di un PCB ad alta velocità o RF, occorre prestare attenzione ai materiali utilizzati nella scheda.

La maggior parte dei progettisti che deve realizzare un circuito stampato che funziona a radiofrequenze solitamente sceglie un laminato FR4 a bassa perdita o un laminato a base di PTFE a basso Dk, e poi non ci pensa più. Questo basso Dk non è sempre necessario, a seconda della frequenza, e il circuito potrebbe funzionare perfettamente con un laminato standard o possibilmente un laminato ad alto Dk per l'applicazione specifica. Se non sai bene quali materiali per circuiti stampati ad alta frequenza usare, continua a leggere per maggiori informazioni.

Le proprietà dei materiali per circuiti stampati ad alta frequenza

Quando si acquistano materiali per circuiti stampati ad alta frequenza, occorre prestare attenzione ad alcune delle loro proprietà. Esistono diversi fornitori che producono questi materiali e tutti cercano di competere tra loro in base alle proprietà elettromagnetiche dei materiali che producono. Puoi individuare tutte le proprietà dei materiali che specificherò di seguito nella scheda tecnica data dal fornitore.

Dk e Df (tangente di perdita)

Questo è probabilmente il punto più comune che tutti iniziano a guardare quando analizzano le schede tecniche. I fornitori di materiali segnalano questi valori a frequenze specifiche, solitamente 1 GHz o 10 GHz, a seconda del mercato di destinazione del materiale. Penso che la maggior parte dei progettisti inizierà a cercare questa specifica perché opererà con un sistema che deve avere basse perdite, quindi generalmente inizierà confrontando i valori di perdita dielettrica.

Il fattore importante su cui concentrarsi dipende dal tipo di PCB ad alta frequenza che desideri progettare:

1. Se il tuo obiettivo è realizzare circuiti stampati RF molto piccoli, avrai bisogno di un componente reale più grande della costante dielettrica.
2. Se l'obiettivo è a bassa perdita, dovresti puntare a una componente immaginaria bassa della costante dielettrica...

Se le tue interconnessioni saranno molto lunghe e c'è il rischio di perdite eccessive, dovresti utilizzare un materiale con un componente immaginario più piccolo della costante dielettrica. Il componente reale (Dk) non ha nulla a che fare con le perdite dielettriche quando l'impedenza è fissa al valore target. Tuttavia, Dk è importante perché determina la lunghezza d'onda del segnale operativo nel PCB ad alta frequenza. I circuiti di dimensioni ridotte generalmente richiedono una lunghezza d'onda più piccola, pertanto avrai bisogno di un valore Dk maggiore.

Un aspetto importante che si presenta in qualsiasi circuito stampato RF che si basa sulla risonanza (come guide d'onda, antenne e risonatori) è la direzione del campo elettrico. La costante dielettrica dei materiali del substrato sarà diversa lungo ciascun asse del materiale, pertanto la costante dielettrica che determinerà la velocità di propagazione dell'onda e la risonanza dipenderà dalla direzione del campo elettrico nel sistema. Queste differenze potrebbero essere solo del 5%, ma sono importanti in alcune strutture ad alto Q, come i risonatori corti e gli emettitori che supportano segnali modulati. Il valore della costante dielettrica corrispondente alle diverse direzioni di polarizzazione elettrica deve essere specificato nelle schede tecniche del materiale.

Spessore e dimensioni del pannello disponibili

Potrebbe sembrare un po' banale, ma i materiali per PCB ad alta frequenza non possono sempre essere acquistati nello spessore o nelle dimensioni del pannello desiderati. Questi materiali sono generalmente laminati rivestiti di rame con uno spessore specifico, ed è possibile impilare più laminati insieme con un bondply. Questi laminati possono anche essere utilizzati in uno stack-up ibrido con altri laminati FR4 di spessore simile. Lo spessore del laminato determinerà quindi lo spessore totale della scheda, nonché le larghezze di linea della traccia o del circuito in rame che è possibile utilizzare per instradare i segnali RF e creare circuiti RF stampati sul PCB.

Lo spessore è più importante perché determinerà la larghezza di linea necessaria per raggiungere l'impedenza del sistema di destinazione. Si tratta di una parte importante di qualsiasi PCB RF, perché i componenti e gli elementi stampati saranno in gran parte progettati con un'impedenza di sistema di 50 Ohm. Anche se utilizzi circuiti corrispondenti all'impedenza per abbinare l'impedenza del circuito stampato all'impedenza del sistema, lo spessore del substrato determinerà comunque la mancata corrispondenza dell'impedenza che devi compensare nel circuito corrispondente poiché determina la distanza dal piano di massa sul layer successivo. Pertanto, se hai bisogno di ridurre le dimensioni dei circuiti e le larghezze di linea, hai due opzioni:

1. Usare un valore Dk maggiore per ottenere circuiti più piccoli
2. Usare un laminato più sottile per ottenere circuiti più piccoli

Se stai lavorando con un produttore esterno e stai attingendo dalle sue scorte di materiali, dovrai limitarti ai suoi materiali e solitamente non specificherai le dimensioni del pannello. Le aziende di produzione ad alto volume sono migliori nel mantenere scorte di materiali diversificate. Le dimensioni del pannello determinano il costo per unità, poiché il pannello può contenere solo un numero massimo di schede. Tuttavia, cercare di trovare i produttori in base alle dimensioni del pannello è piuttosto infruttuoso. Se riesci a ottenere pannelli di dimensioni maggiori o inferiori rispetto all'area del pannello standard, considerala una fortuna e cogli l'occasione per acquistare alcune schede extra. In caso contrario, non preoccuparti delle dimensioni del pannello poiché è un dettaglio di poco conto.

Tipo di lamina di rame

I materiali ad alta frequenza possono utilizzare un determinato set di materiali in lamina di rame. Questi possono essere rame ricotto laminato o rame grezzo a basso profilo, che ha lo scopo di fornire le perdite più basse possibili. Una buona scheda tecnica specificherà la rugosità approssimativa (normalmente la rugosità RMS dell'asse z) in modo da poter stimare le perdite approssimative alla frequenza operativa. In generale, dal punto di vista delle perdite è preferibile un rame più liscio (minore rugosità RMS), in quanto crea un minore aumento dell'effetto pelle e una minore deviazione dell'impedenza. Se le interconnessioni sono molto corte e hai bisogno di circuiti stampati più piccoli, concentrati maggiormente sull'accoppiamento Dk/Df invece che sul tipo specifico di lamina di rame.

Se stai valutando un particolare materiale per PCB ad alta frequenza e hai bisogno di farti un'idea della perdita del conduttore nel circuito, puoi usare una semplice approssimazione per la costante di propagazione per stimare le perdite del conduttore usando la resistenza CC della traccia, l'effetto pelle e il fattore di rugosità del rame:

Questa formula indica le perdite di potenza per unità di lunghezza lungo il conduttore. L'effetto pelle e la resistenza CC possono essere determinati da un'applicazione di calcolo, mentre per misurare il fattore di rugosità del rame K occorre una misurazione o un modello di rugosità standard.

• Ulteriori informazioni sull'utilizzo di queste formule e sulla stima delle perdite di rame.
• Ulteriori informazioni sulla modellazione dei fattori di correzione della rugosità del rame.

Una lamina di rame più liscia è universalmente preferibile nel layout di un PCB RF, ma non è tutto. Occorre anche considerare il materiale di placcatura, che può introdurre un'interfaccia ruvida nello strato di rame che crea maggiori perdite più irregolari. Esistono due placcature superficiali in grado di fornire pressoché nessuna perdita aggiuntiva rispetto al rame nudo: il conservante organico di saldatura (OSP) e l'argento di immersione (ImAg). In generale, se si sta operando con una rete WiFi superiore a 2,4 GHz o se le interconnessioni sono lunghe, è necessario scegliere un materiale di placcatura a bassa perdita.

• Ulteriori informazioni sulle finiture superficiali nella produzione PCB.

Caratteristiche termiche e meccaniche

Se il dispositivo che stai costruendo non verrà utilizzato in un'applicazione ad alta affidabilità, questi aspetti vengono spesso presi in considerazione in un secondo momento. In alcuni tipi di sistemi, come nell'avionica ad alta frequenza, le proprietà termiche e meccaniche vengono prima di tutto il resto, in quanto i dispositivi possono subire temperature elevate, cicli termici ripetuti, vibrazioni meccaniche o urti durante il funzionamento. Ad esempio, alcuni dei dispositivi ad alta frequenza che ho creato per clienti del settore aerospaziale hanno sempre utilizzato laminati Rogers specifici a causa del loro modulo tensile. Un'altra proprietà del materiale che è auspicabile nel mondo degli stack-up ibridi è la corrispondenza CTE; alcuni materiali PTFE potrebbero corrispondere molto strettamente ai valori CTE di FR4, risultando quindi appropriati in uno stack-up PCB ibrido.

Riepilogo sui materiali per PCB ad alta frequenza: lavora con il tuo fornitore ideale!

Esistono molti materiali diversi sul mercato, anche di fornitori meno conosciuti che non sono l'opzione preferita per i laminati PCB ad alta frequenza. Se non hai familiarità con il vasto mondo dei laminati in vetro-epossidico e PTFE a bassa perdita, leggi questo blog sui materiali ad alta frequenza per dispositivi a microonde/onde mm. Vedrai un lungo elenco di materiali che fornisce una buona panoramica delle possibili opzioni di materiale disponibili per i PCB RF.

Per concludere, ricorda che puoi cercare tutti i materiali che desideri, ma non puoi utilizzarli a meno che non siano disponibili presso il tuo fornitore o non siano compatibili con il suo processo di fabbricazione. Prima di iniziare la progettazione, assicurati di aver chiarito la scelta dello stackup e dei materiali con il tuo fornitore. Non tutte le case di produzione hanno in magazzino materiali per i dispositivi a microonde, semplicemente perché potrebbero non servire quella parte del mercato. L'ultima cosa da fare è terminare una progettazione per poi scoprire che i set di materiali desiderati sono completamente esauriti e che si devono modificare gli elementi del circuito stampato accuratamente progettati per assicurarsi di raggiungere gli obiettivi di perdita e impedenza.

Una volta individuati i materiali PCB ad alta frequenza ideali per il tuo sistema RF, puoi utilizzare il Layer Stack Manager in Altium Designer^® per definire lo stack-up, determinare le impedenze e creare regole di routing. Tu e il tuo team potrete anche rimanere produttivi e collaborare in modo efficiente su progettazioni elettroniche avanzate attraverso la piattaforma Altium 365^™. Tutto ciò di cui hai bisogno per progettare e produrre elettronica avanzata è disponibile in un unico pacchetto software.

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