Tipos de Materiais PTFE para Design de PCB RF

Os designs de PCBs RF frequentemente utilizam materiais baseados em PTFE de baixa perda graças às suas perdas dielétricas muito baixas e ampla gama de valores de Dk possíveis. Esses materiais usam politetrafluoretileno (PTFE) como material base, mas este não é o único constituinte desses materiais laminados. Também há reforços e preenchimentos que são usados para engenhar os materiais de PCB em PTFE para terem as propriedades materiais requeridas.

Materiais baseados em PTFE disponíveis comercialmente estão disponíveis com ou sem reforço, mas é trabalho do designer especificar o que eles precisam para garantir a confiabilidade e funcionalidade. Antes de você sair selecionando qualquer material baseado em PTFE para sua placa, certifique-se de entender como preenchimentos e reforços em laminados de PTFE afetam a operação da sua placa.

Componentes Materiais em Laminados de PTFE

Materiais baseados em PTFE incluem dois componentes materiais principais que definem suas propriedades materiais:

• Reforço - proporciona rigidez
• Preenchimento - pós cerâmicos usados para engenhar as propriedades materiais

Laminados de PTFE usados em PCBs utilizam partículas cerâmicas como material de preenchimento para engenhar as propriedades materiais do material laminado. Os exatos efeitos nas propriedades materiais dependem do tipo de cerâmica usado e seu conteúdo no substrato, e isso é em grande parte propriedade intelectual dos fabricantes de laminados de PTFE.

Além do uso de preenchimentos cerâmicos para engenhar propriedades térmicas, mecânicas e eletromagnéticas, os laminados baseados em PTFE podem incluir um reforço na matriz de PTFE.

Reforço de Tecido de Vidro

Os reforços de vidro são um reforço padrão usado em materiais baseados em PTFE para PCBs de RF. Esses reforços são os mesmos estilos de tecido de vidro trançado que são encontrados em laminados padrão de epóxi-fibra de vidro. Devido à menor rigidez dos materiais de laminado de PTFE comparados ao FR4, o reforço pode aumentar a rigidez geral da placa, se isso for necessário para garantir a confiabilidade. Isso também simplifica a perfuração ao longo de um empilhamento, incluindo em empilhamentos híbridos.

Os estilos de vidro típicos usados para reforço incluem:

• 1078
• 106
• 1080
• Vidro plano/estendido

Como esses estilos de tecido diferem, e como eles criam diferenças na resposta de fase através dos circuitos? Em geral, tecidos mais abertos criarão uma maior desvio entre a resposta de fase alvo em um interconector, e a resposta de fase real (medida), que é o efeito clássico de tecido de fibra. Isso é ruim para qualquer sistema sensível à fase, como arranjos em fase.

Se você precisa projetar e fabricar um sistema com uma resposta de fase alvo com o mínimo de desvio, então você deve usar reforço de vidro espalhado/plano, ou nenhum reforço. Existem também reforços de vidro não tecido e cerâmicos.

Reforço de Vidro Não Tecido

Há também um tipo de reforço de vidro que é completamente aleatório. Neste material baseado em PTFE, você pode tipicamente encontrar o mesmo nível de rigidez mecânica que encontraria em laminados reforçados tecidos, mas sem o mesmo nível de efeitos de trama de fibra que veria em um laminado reforçado tecido. O uso de vidros não tecidos em laminados de PTFE é muito menos comum porque nem todos os fabricantes oferecem esta opção em seus materiais. No entanto, se for oferecido (veja abaixo), as propriedades do material em PTFE reforçado tecido vs. não tecido são semelhantes.

Reforço Cerâmico vs. Preenchimento Cerâmico

O uso de reforços de vidro permitiu o uso de materiais baseados em PTFE mais finos em empilhamentos de PCB, o que requer que a rigidez seja reforçada na matriz de PTFE. No entanto, o vidro não é o único reforço disponível; reforços cerâmicos também são usados para fornecer rigidez. Esses reforços também fornecem a mesma função que os preenchimentos, mas eles não fornecem o mesmo tipo de reforço mecânico que as tramas de vidro.

Eu menciono a cerâmica como um reforço porque esses materiais são, às vezes, especificamente citados como reforços cerâmicos, não apenas enchimento cerâmico. O reforço cerâmico não contém um estilo de tecido, e, portanto, você não terá efeitos de tecido de fibra no laminado do PCB. No entanto, a linha entre reforço cerâmico e enchimento cerâmico é tênue, e alguns fornecedores podem usar esses dois termos de forma intercambiável. Tenha cuidado para verificar se há uma diferença significativa antes de finalizar uma seleção de material.

Não Reforçado

Finalmente, existem laminados de PTFE não reforçados, que contêm apenas um enchimento de micropartículas cerâmicas e aditivos, mas sem outros reforços. Muitos dos produtos laminados baseados em PTFE que você encontrará disponíveis estão disponíveis em variedades reforçadas ou não reforçadas. Acho que a maioria dos designers assume que seu laminado de PTFE será não reforçado, mas, a menos que você especifique exatamente o que precisa, estará à mercê dos estoques de materiais da sua casa de fabricação.

Vantagens: Por que usaríamos um material não reforçado? Fazemos isso se quisermos eliminar qualquer possibilidade de o reforço criar efeitos de tecido de fibra ou de desvio ao longo dos interconectores no material do substrato. Esta é a principal vantagem desses materiais, especialmente para uso em sistemas de frequência muito alta como o radar. Há também benefícios em radar avançado de alta densidade que pode usar vias cegas em camadas externas de construção, a saber:

• Eliminação de desvio em linhas RF com fase correspondente
• Eliminação de áreas de nó onde as fibras se sobrepõem

Desvantagens: A principal desvantagem de um material baseado em PTFE não reforçado é sua falta de rigidez antes de ser aplicado em um empilhamento e curado. Isso pode resultar em desalinhamento entre camadas, particularmente em furos de broca e pads, o que poderia ter um leve desalinhamento. Nas placas modernas que mencionei acima, isso pode ser uma fonte significativa de perda de retorno em frequências muito altas.

Não quero dizer que esses materiais sempre terão maior desalinhamento, mas é possível que eles tenham maior desalinhamento se sua casa de fabricação não tiver experiência no trabalho com esses materiais. Eu ouvi um engenheiro de aplicação da Rogers descrever esses laminados não reforçados como "macarrão molhado", significando que são muito flexíveis e podem dobrar quando adicionados ao empilhamento. Se você for usar materiais não reforçados, certifique-se de que seu fabricante tenha experiência no manuseio desses materiais.

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