Comparação de Materiais para PCB RF para Dispositivos mmWave

Quando alguns designers começam a falar sobre materiais, eles provavelmente pensam imediatamente em laminados FR4. A realidade é que existem muitos materiais FR4, cada um com uma estrutura relativamente semelhante e uma gama de valores de propriedades dos materiais. Os designs em FR4 são bastante diferentes daqueles encontrados na faixa de baixos GHz e frequências em mmWave. Então, o que exatamente muda em altas frequências, e o que torna esses materiais diferentes?

Para ver o que torna um laminado específico útil como um material para PCB RF, dê uma olhada no nosso guia abaixo. Mostraremos alguns exemplos de fornecedores populares e como você pode usar esses materiais na sua montagem de PCB.

Quando Você Precisa de um Material para PCB RF?

Essa é uma pergunta justa e se relaciona com algumas tarefas importantes na análise de sistemas. Existem algumas considerações diferentes que um designer deve examinar ao qualificar se um material de substrato de PCB alternativo deve ser usado. Aqui está uma lista curta de algumas dimensões que você pode analisar ao selecionar um material de substrato para PCB RF.

• Tangente de perda: Esta é a primeira área principal que os designers de PCB usarão para começar a comparar as opções de materiais.
• Constante dielétrica: Embora isso às vezes seja mal compreendido, e todos tendem a optar por laminados de baixa-Dk, mas laminados de alta-Dk também podem ter baixo ângulo de perda e outros benefícios.
• Propriedades térmicas: Existem várias propriedades térmicas, mas as mais importantes são provavelmente temperatura de transição vítrea e CTE.
• Trabalhabilidade na fabricação: Os projetistas deixam isso a cargo de seu fabricante por sua própria conta e risco. É melhor entrar em contato com seu fabricante sobre a disponibilidade de materiais, a capacidade deles de trabalhar a placa e a disponibilidade de materiais.
• Espessura: Você não pode simplesmente escolher qualquer espessura que desejar, você precisará verificar com seu fabricante sobre a pilha preferencial deles. Se você souber quais espessuras de camada eles podem suportar, geralmente pode aproximar seu design o suficiente das especificações do fabricante.
• Dispersão: Coloquei isso no final da lista, pois tende a ser menos importante para aplicações em mmWave. As larguras de banda em dispositivos mmWave podem ser pequenas o suficiente para que a dispersão seja negligenciável, mas você ainda deve verificar isso sempre que possível.

Infelizmente, como acontece em muitos problemas de engenharia, não existe uma resposta perfeita ou um material perfeito que possa atuar em todas essas áreas simultaneamente. No entanto, para produtos RF de alta confiabilidade, existem alguns materiais de substrato de PCB RF comuns que são projetados para suportar bandas de frequência específicas sem comprometer as importantes propriedades térmicas.

Fornecedores Conhecidos de Materiais de PCB RF PTFE

Os materiais padrão de hoje para dispositivos RF e mmWave são materiais baseados em PTFE. A Rogers é provavelmente o fabricante mais conhecido de materiais de PCB RF baseados em PTFE, e a empresa fabrica uma variedade de materiais laminados de PCB de alta frequência. Alguns destes são especializados para uso nas bandas Ka e W (radar de carro e futuras bandas 5G). Se você já baixou um design de referência de PCB para um produto RF, o layout de exemplo provavelmente foi construído usando a Rogers.

Outro fornecedor bem conhecido é a Isola, cujas opções de materiais para PCBs RF visam uma gama de frequências até a banda W. Além de alguns materiais para PCBs RF, eles também oferecem uma gama de laminados padrão de grau FR4. Um laminado para o qual tendo a optar por padrão é o 370HR, e eu o usei para construir vários produtos de rede e plataformas personalizadas de IoT. Ele funciona perfeitamente bem em frequências Wifi para layout e roteamento de PCBs RF, e funcionará bem para a maioria das aplicações digitais.

Alguns exemplos de materiais para PCBs RF em PTFE e o desempenho de cada um são mostrados na tabela abaixo. Note que alguns valores típicos para FR4 de baixo Tg estão incluídos nas bandas X-K como uma linha de base.

Não podemos mostrar todas as opções possíveis de substrato para o design de PCBs RF, mas me concentrei nestas, pois são opções populares por algumas razões. Os valores de tangente de perda são o que você esperaria em comparação com materiais FR4 típicos (cerca de um fator 10 menor), e esses materiais têm temperaturas de decomposição altas em comparação com laminados FR4 típicos. Essas são algumas das principais características identificadas nas fichas técnicas IPC, e seu fabricante pode sugerir um material de PCB alternativo que será compatível com o laminado desejado.

Seja para usar uma das opções na tabela acima ou algum outro material, tenha atenção ao ler as fichas técnicas. O fornecedor do material deve ser capaz de verificar os valores que eles citam dentro das condições operacionais listadas. Você pode aprender muito mais sobre materiais dielétricos para o seu substrato e métodos de teste com John Coonrod da Rogers Corp.

Trabalhando com PTFE e Outros Materiais

Cada decisão de design vem com compensações, e materiais baseados em PTFE têm algumas desvantagens básicas em comparação com FR4:

• Alto CTE, então a expansão térmica coloca mais estresse nos elementos de cobre
• PTFE não se liga facilmente a outros materiais, assim, um interlayer é usado
• PTFE é uma substância macia e pode ser facilmente distorcida

Então, há o custo. Laminados de PTFE são um material especializado apesar de sua popularidade, então dispositivos de RF normalmente não são construídos com PTFE em toda a pilha de camadas. Uma opção é usar uma pilha híbrida, onde o laminado de PTFE é colocado na camada superficial e sinais de alta frequência são roteados apenas no laminado de PTFE acima de uma camada plana. Um exemplo de tabela de pilha para uma placa de RF de 6 camadas é mostrado abaixo.

Fique de Olho em Novos Materiais Inovadores

As empresas de materiais continuarão a desenvolver soluções inovadoras de baixa perda e baixa dispersão. Alguns dos materiais experimentais mais recentes estão visando os efeitos da trama de fibra e tentarão resolver isso com materiais mais suaves. Com as ferramentas certas de empilhamento de camadas de PCB, você não estará restrito a valores de materiais específicos, você pode inserir dados de materiais personalizados do seu fabricante no seu design de empilhamento.

Uma vez que você tenha selecionado um material de PCB RF apropriado para suportar layout e roteamento de alta frequência, você pode criar um empilhamento de alta qualidade com Altium Designer. Todos os usuários do Altium Designer podem usar a extensão EDB Exporter para importar seu design para os solucionadores de campo da Ansys para simulações avançadas de integridade de sinal.

Quando você terminar seu design e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos. Nós apenas arranhamos a superfície do que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição de recursos mais aprofundada ou um dos Webinars Sob Demanda.