Guia para Materiais de PCB com Baixo Dk

Se você dedicou tempo para aprender sobre as opções de materiais para PCB e construções de camadas, provavelmente viu a ampla gama de materiais disponíveis no mercado. As empresas de materiais produzem laminados com diferentes valores de Dk, valores de Tg, estilos de tecido, valores de CTI e propriedades mecânicas para atender a várias aplicações na indústria eletrônica.

Existe um conjunto de materiais que recebe muita atenção por seu comportamento de baixa perda: materiais para PCB de baixo Dk. Esses materiais são frequentemente recomendados para o design de PCB de alta velocidade como uma opção de material de baixa perda. No entanto, nem todos os sistemas precisam desses materiais, e há outros sistemas onde a confiabilidade dos materiais de baixo Dk baseados em PTFE pode ser muito mais desejável. Continue lendo para aprender mais sobre o uso desses materiais e como tomar decisões mais inteligentes sobre materiais para sua placa.

Opções de Material para PCB de Baixo Dk Padrão

Em geral, existem quatro classes amplas de materiais de baixo Dk que podem ser usados em uma pilha de PCB:

Estes materiais tendem a ter um tangente de perda menor do que os materiais padrão de grau FR4 com Dk mais alto (variando de ~4,2 a ~4,8). Esta é uma das razões pelas quais eles são frequentemente recomendados para uso em PCBs de alta velocidade, mas essa recomendação é frequentemente fornecida sem o contexto correto. Discutirei alguns dos momentos típicos para usar materiais de baixo Dk abaixo. Por agora, vamos olhar para cada uma dessas opções de material:

FR4 de baixa perda

Estes materiais são compostos de resina epóxi de engenharia que são comparáveis em muitos aspectos a outros laminados FR4 em termos das propriedades materiais primárias e construções (teor de resina/tecido de vidro, valor de Tg, propriedades mecânicas). Dois dos fornecedores mais populares desses materiais são a Isola e a ITEQ, embora existam outros que produzem laminados comparáveis. Esses materiais são usados em um empilhamento de PCB assim como qualquer outro laminado de grau FR4 seria usado; os materiais estão disponíveis em opções de prepreg e núcleo, e não há grandes problemas de construção híbrida a considerar.

• Valor de Dk: ~3.7
• Tangente de perda: 0.005-0.01
• Valor de Tg: Baixo (~130 °C) e alto (~180 °C) disponíveis
• Valores de espessura: Tão baixo quanto 2 mil
• Opções de cobre: Tipicamente cobre ED ou RA

Os estilos de tecido de vidro nestes laminados podem variar bastante, desde tecidos abertos (106) até tecidos muito fechados (2116) e vidro espalhado mecanicamente. Para aplicações em alta velocidade, esses laminados são desejáveis, pois podem ser usados com a maioria dos protocolos de alta velocidade (DDR3+, PCIe, Ethernet gigabit, padrões MIPI, etc.).

Laminados de PTFE

O material laminado típico de baixo Dk que deve ser familiar para todo designer é o PTFE. Esses materiais usam PTFE e um agente de cura misturado com preenchimentos cerâmicos para engenhar a constante dielétrica, tangente de perda e Tg para certos valores. Esses materiais também são projetados para ter valores de Dk muito altos para uso em aplicações de Dk mais baixo (ainda têm perda total menor que FR4), como eu destaquei neste artigo.

• Valor de Dk: 3 a 10 com baixa dispersão
• Tangente de perda: 0.0013-0.004 com baixa dispersão
• Valor de Tg: Muito alto (~280 °C) mas varia com a composição do material
• Valores de espessura: Algumas opções abaixo de 5 mil
• Opções de cobre: ED, RA, tratado ou cobre de baixo perfil

As aplicações mais frequentemente citadas para esses materiais estão em sistemas RF que operam bem na faixa de GHz. Note que você não precisa usar Rogers para toda placa RF; abaixo de cerca de 5 GHz (faixa de frequência WiFi), as perdas dielétricas e de cobre em placas FR4 são muito pequenas para serem significativas, a menos que uma placa se torne muito grande.

Esse tipo de resultado pode ser claramente visto nos dados de perda dielétrica da Rogers (citei vários exemplos neste blog). Você também pode ver isso muito claramente a partir dos resultados de simulação, e dos resultados analíticos que mostro em um blog sobre rugosidade do cobre.

Alguns materiais de PCB baseados em PTFE que oferecem baixo Dk podem estar disponíveis como laminados não reforçados, o que significa que eles não têm um reforço de tecido de fibra de vidro. Por exemplo, Rogers 3003 é um exemplo de um laminado de muito baixa tangente de perda com cobre muito liso, e está disponível sem reforço de vidro. Isso elimina o efeito da trama de fibra, mas torna o material mais difícil de trabalhar quando o laminado é mais fino.

Policristal Líquido

Este material de baixo Dk e baixa perda é mais conhecido por seu uso em PCBs flex avançados operando na faixa de largura/espacamento ultra-HDI. Esses materiais podem ser usados com poliimidas modificadas para formar circuitos de alta contagem de camadas, e são frequentemente usados em smartphones. Outras áreas de aplicação incluem sistemas de alta confiabilidade que requerem a eliminação de um conector para prevenir falhas no dispositivo, como em sistemas aeroespaciais.

• Valor de Dk: ~3.1
• Tangente de perda: ~0.002
• Valor de Tg: Alto (~250 °C)
• Valores de espessura: Ampla gama
• Opções de cobre: Baixo perfil/ED, tipicamente baixo peso de cobre

Para saber mais sobre esta classe de materiais, leia este artigo de Happy Holden.

Poliimidas e Filmes de Ligação

Estes dois conjuntos de materiais são usados em montagens flex ou rígido-flex. Poliimidas são o conjunto padrão de materiais usados em pilhas de camadas flex e rígido-flex como substratos de placas. Algumas das principais propriedades materiais para esses materiais incluem:

• Valor de Dk: 2,8 a 3,5
• Tangente de perda: 0,003-0,01
• Valor de Tg: Muito alto (>300 °C)
• Valores de espessura: Ampla gama
• Opções de cobre: RA

Os materiais básicos de poliimida já oferecem valores de Dk ligeiramente inferiores aos da maioria dos laminados FR4, sendo o valor típico de Dk aproximadamente 3,4 para poliimidas. As poliimidas vêm em muitas variedades e nomes de produtos, e suas propriedades materiais variam conforme a composição do filme. Note que há alguns relatórios de poliimidas de baixo Dk/baixa perda operando na faixa de GHz. O artigo abaixo é um exemplo de tal material.

• Tomikawa, M., et al. "Poliimidas de baixa dispersão e perda para aplicações de alta frequência." Em 2018 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), pp. 167-170. IEEE, 2018.

Filmes de ligação são um material que pode ser usado em empilhamentos de PCB flexíveis/rígido-flexíveis para fornecer uma região de baixo Dk acima de uma camada de sinal de cobre. Esses filmes são camadas adesivas de cobertura muito finas que são usadas para se ligar à cobertura em um empilhamento de PCB flexível/rígido-flexível. Esses filmes podem ter um valor de Dk muito baixo (menor que 3) e um ângulo de perda muito baixo, mas eles só são úteis em empilhamentos flexíveis como um adesivo de cobertura de baixa perda. Outras aplicações poderiam fazer uso deste material, desde que ele possa ser incorporado em um empilhamento. A espessura típica do material é de ~1 mil, então ele só se torna útil em placas com maior número de camadas.

• Valor de Dk: ~2.5
• Ângulo de perda: ~0.002
• Valor de Tg: Muito alto (~300 °C) mas varia com a composição do material
• Valores de espessura: ~1 mil
• Opções de cobre: N/A

Para saber mais sobre as razões pelas quais você deve e não deve usar materiais de PCB de baixo Dk, assista ao seguinte vídeo.

Materiais Ultra Baixo-Dk (Tão Baixo Quanto Dk = 2)

Se você der uma olhada ao redor do mundo RF, encontrará materiais para placas de circuito rígido com valores de constante dielétrica (Dk) muito baixos, até mesmo inferiores a Dk = 3. Esses materiais não são frequentemente usados em designs HDI avançados porque atualmente não estão disponíveis em camadas muito finas (como 2 mils ou menos). Eu mencionei esses materiais anteriormente na seção sobre poliimida, mas a poliimida é um material flexível fino que está sendo usado como filme de construção nessas aplicações e não consegue reduzir muito abaixo de Dk = 3.

Em vez disso, temos que recorrer ao PTFE reforçado com cerâmica para encontrar materiais que chegam a valores tão baixos quanto Dk = 2. Dois fornecedores desses materiais são AGC Multimaterial (inclusive de Nelco e Taconic) e Rogers Corporation.

Como exemplo, veja os dados do laminado Rogers RT/Duroid 5880LZ mostrados abaixo. Este laminado possui valores de Dk e Df muito baixos, o que é muito desejável em sistemas RF e digitais que operam em frequências/larguras de banda muito altas. Devido às espessuras de laminado disponíveis (como discutido abaixo), as aplicações ideais para este material ainda estão no domínio RF devido às larguras de trilha necessárias.

Infelizmente para os projetistas de sistemas digitais, este material da Rogers não está disponível em espessuras de laminado inferiores a 10 mils. Em um laminado de 10 mils com Dk = 2, uma linha microstrip de 50 Ohms teria 31 mils de largura! Uma microstrip coplanar de 50 Ohms com espaçamento de traço para preenchimento de 10 mils ainda teria 27 mils de largura. Obviamente, isso é inviável em PCBs digitais avançados e substratos que exigem valores de Dk mais baixos, pois você nunca conseguiria rotear em ballouts de passo fino.

Enquanto os projetistas de sistemas digitais que usam interfaces de ultra-alta velocidade (por exemplo, 224G PAM-4) adorariam encontrar materiais digitais rígidos com valores de Dk tão baixos quanto 2, o mundo dos laminados ainda tem um caminho a percorrer. Projetistas de PCBs digitais e de embalagens adorariam ter um material rígido muito fino com Dk tão baixo quanto 2, pois isso ajuda muito a integridade do sinal em sistemas HDI. Eu conheço uma startup que está trabalhando em direção a esse tipo de material, e espero que os maiores players de materiais eventualmente sigam o mesmo caminho.

Por que o Foco em Materiais de PCB com Baixo Dk?

Quando muitas diretrizes de design de PCB de alta velocidade afirmam usar um "laminado de baixo Dk", elas normalmente recomendam um laminado de PTFE. Eu encontrei duas razões para esta recomendação, ambas as quais são sem sentido:

1. Há uma suposição incorreta de que baixo Dk equivale a baixa perda
2. O baixo Dk equivale a uma propagação de sinal mais rápida, o que é então usado como desculpa para não combinar a impedância ou usar um plano de terra

A suposição no Ponto #1 é simplesmente errada. As perdas experimentadas por uma onda eletromagnética são determinadas inteiramente pela parte imaginária da constante dielétrica, não pelo tangente de perda. O tangente de perda é apenas uma métrica somativa que compara a velocidade da onda à perda da onda, e também simplifica alguns cálculos matemáticos envolvendo valores de elementos de circuito distribuídos para linhas de transmissão. Isso tudo significa que, para uma dada quantidade de perda dielétrica, um material de Dk mais baixo teria um tangente de perda maior do que um material de Dk mais alto.

Isso é algo que os físicos aprendem no seu primeiro dia em uma aula de óptica. Por alguma razão, os engenheiros de micro-ondas nunca receberam o memorando.

A suposição no Ponto #2 também é uma diretriz sem sentido no design de PCB de alta velocidade. Se você está projetando um PCB de alta velocidade, passará muito mais tempo calculando comprimentos de trilhas se estiver tentando ficar abaixo do comprimento crítico para uma linha de transmissão. Além disso, o "comprimento crítico" não é bem definido, como já discuti muitas vezes. Portanto, você deve apenas projetar para a impedância requerida para suas interfaces, independentemente de estar projetando em um material de baixo Dk ou alto Dk.

Também é extremamente fácil obter uma estimativa precisa da largura que atinge sua impedância alvo. Além do Gerenciador de Pilha de Camadas no Altium Designer, postei várias aplicações de calculadora neste blog que podem fornecer estimativas altamente precisas perto da impedância alvo de 50 Ohm.

• Veja nossa lista de calculadoras de impedância online

Quais Aplicações Precisam de Materiais de Baixo Dk?

Apesar do que escrevi acima sobre as diretrizes de design de alta velocidade, existem aplicações que realmente precisam de materiais de menor Dk, incluindo no design de PCB de alta velocidade. Por exemplo, as seguintes aplicações comumente usam um material de baixo Dk.

Os materiais de baixo Dk tipicamente utilizados nessas aplicações podem ser escolhidos porque coincidem com um menor ângulo de perda. Outras placas, como eletrônicos de potência de alta confiabilidade, podem ser construídas em PTFE ou polimida, mas não porque esses materiais têm um valor de Dk menor do que os laminados FR4 padrão.

O último ponto na tabela acima é provavelmente o mais importante para sistemas de alta velocidade e em sistemas de frequência muito alta. Em ambos os sistemas, tamanhos de recursos pequenos serão necessários para atingir as impedâncias alvo e operar no comprimento de onda requerido (em sistemas RF). Isso significa que você pode chegar a uma contagem de camadas mais alta e operar em frequências mais altas, mas será capaz de usar um processo de fabricação menos preciso. Isso é, sem dúvida, uma das maiores vantagens desses materiais à medida que produtos mais avançados avançam ainda mais no alcance ultra-HDI.

Quando estiver pronto para selecionar materiais para o empilhamento da sua PCB, incluindo construções padrão com baixo Dk, use o conjunto completo de ferramentas de design de produto no Altium Designer. Quando você terminar seu design e quiser liberar arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos. Venha ver as atualizações mensais de recursos no Altium Designer.

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