La selección de materiales cobra cada vez más importancia a medida que las frecuencias de funcionamiento superan las capacidades de los diseños convencionales de placas de circuito impreso. En los sistemas de radiofrecuencia, microondas, ondas milimétricas y comunicaciones de alta velocidad, las propiedades eléctricas del laminado pueden afectar directamente a la pérdida de señal, la estabilidad de la impedancia, la pérdida de inserción y el rendimiento general del sistema.
Aunque el FR4 estándar sigue siendo adecuado para muchos productos electrónicos, los circuitos de alta frecuencia suelen requerir materiales diseñados específicamente para mantener unas características eléctricas constantes en rangos de frecuencia más amplios.
Elegir el material adecuado en una fase temprana del diseño puede ayudar a evitar problemas de integridad de la señal, costes de rediseño y dificultades de fabricación en fases posteriores del proyecto.
Tabla de contenidos
Por qué es importante la selección de materiales a altas frecuencias
A frecuencias más bajas, el rendimiento de las placas de circuito impreso (PCB) depende principalmente del diseño del circuito y de la selección de los componentes.
A medida que aumenta la frecuencia, las propiedades de los materiales cobran cada vez más importancia.
Hay varios factores que contribuyen a este cambio:
- Aumento de la pérdida dieléctrica
- Mayor pérdida de inserción
- Mayor sensibilidad a las variaciones de impedancia
- Requisitos más exigentes en materia de integridad de la señal
Es posible que los materiales que ofrecen un buen rendimiento en aplicaciones digitales de baja velocidad no proporcionen resultados aceptables en sistemas de radiofrecuencia o de comunicaciones de alta velocidad.
Esta es una de las razones por las que la selección de materiales se ha convertido en un aspecto fundamental de la ingeniería moderna de placas de circuito impreso.
Las propiedades más importantes de los materiales
Constante dieléctrica (Dk)
El Dk influye en la velocidad de la señal y en la impedancia.
Una constante dieléctrica estable contribuye a mantener un rendimiento eléctrico predecible en diferentes frecuencias.
Tal y como se explica en Valores de Dk y Df en materiales de PCB, incluso pequeñas variaciones en Dk pueden afectar a las estructuras controladas por impedancia.
Factor de disipación (Df)
Df determina cuánta energía de la señal se pierde dentro del material dieléctrico.
Por lo general, unos valores de Df más bajos dan lugar a:
- Pérdida de inserción reducida
- Mejora de la calidad de la señal
- Mayores distancias de transmisión
En muchos diseños de alta frecuencia, Df se convierte en uno de los parámetros más importantes del material.
Estabilidad térmica
Los equipos de comunicación suelen funcionar de forma ininterrumpida en entornos exigentes.
La estabilidad térmica contribuye a garantizar:
- Rendimiento eléctrico constante
- Reducción de la tensión mecánica
- Mayor fiabilidad a largo plazo
Resistencia a la humedad
La absorción de humedad puede alterar las propiedades dieléctricas y afectar al rendimiento de radiofrecuencia.
Los materiales diseñados para aplicaciones de alta frecuencia suelen presentar características de baja absorción de humedad.
¿Se puede utilizar el FR4 para Placas de circuito impreso de alta frecuencia?
La respuesta depende de la frecuencia de funcionamiento y de los requisitos de rendimiento.
El FR4 estándar ofrece un buen rendimiento en:
- Electrónica de consumo
- Productos de control industrial
- Equipos generales de comunicaciones
Muchos diseños que funcionan a frecuencias inferiores a varios gigahercios pueden utilizar FR4 sin problemas significativos.
Para obtener información detallada sobre el rendimiento de los laminados convencionales, véase Explicación del material FR4 para placas de circuito impreso.
Sin embargo, a medida que aumentan las frecuencias, la pérdida dieléctrica relativamente elevada del FR4 se convierte en una limitación.
Los ingenieros suelen optar por materiales de baja pérdida o específicos para radiofrecuencia cuando:
- La pérdida de señal es excesiva
- Aumenta la longitud de los canales
- Los requisitos de rendimiento de RF son cada vez más estrictos
FR4 de alto TG en equipos de comunicaciones
Los materiales con un TG elevado suelen elegirse para los productos de comunicación debido a su fiabilidad térmica.
Las ventajas incluyen:
- Mayor estabilidad dimensional
- Mayor resistencia a los ciclos térmicos
- Mayor fiabilidad en la fabricación
Sin embargo, el FR4 con alto contenido en TG no debe considerarse automáticamente un material de alta frecuencia.
Su principal ventaja es el rendimiento térmico, más que una reducción significativa de la pérdida de señal.
Se puede encontrar más información en PCB de FR4 con alto valor de TG.
Materiales de baja pérdida para diseños digitales de alta velocidad
Muchos productos modernos de redes y informática utilizan sistemas laminados de baja pérdida en lugar de los materiales de radiofrecuencia tradicionales.
Las aplicaciones típicas son:
- Conmutadores para centros de datos
- Servidores de IA
- Sistemas de almacenamiento de alta velocidad
- Infraestructura de telecomunicaciones
Estos materiales ofrecen:
- Valores de Df más bajos
- Mejor integridad de la señal
- Mejora del rendimiento del canal
En comparación con los laminados de RF, suelen ofrecer un equilibrio más práctico entre rendimiento y coste.
Los lectores interesados en esta categoría pueden consultar Explicación de los materiales para placas de circuito impreso de baja pérdida.
Materiales Rogers
Los laminados Rogers se encuentran entre los materiales más reconocidos que se utilizan en la fabricación de placas de circuito impreso (PCB) para radiofrecuencia y microondas.
Entre las familias de productos más habituales se encuentran:
- Rogers 4350B
- Rogers 4003C
- Rogers 5880
Las ventajas incluyen:
- Valores Dk estables
- Baja pérdida dieléctrica
- Excelente rendimiento de alta frecuencia
- Buena estabilidad del proceso
Las aplicaciones incluyen:
- Sistemas de radar
- Amplificadores de radiofrecuencia
- Circuitos de antena
- Equipos de comunicación por satélite
En próximos artículos se analizarán con mayor detalle materiales concretos de Rogers.
Materiales a base de PTFE
El PTFE sigue siendo uno de los sistemas dieléctricos con menores pérdidas disponibles para la fabricación de placas de circuito impreso.
Entre sus características se incluyen:
- Df extremadamente bajo
- Excelente rendimiento de RF
- Comportamiento eléctrico estable
Los materiales de PTFE se encuentran habitualmente en:
- Sistemas de microondas
- Electrónica aeroespacial
- Equipos de comunicaciones militares
- Equipos de ensayo de alta frecuencia
Aunque su rendimiento es excelente, los materiales de PTFE suelen requerir un procesamiento más especializado en comparación con los laminados a base de FR4.
Megtron y High-Speed Digital Materials
El crecimiento de la computación en la nube y de la infraestructura de inteligencia artificial ha incrementado la demanda de laminados avanzados de alta velocidad.
Materiales como:
- Megtron 6
- Megtron 7
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Sistemas de alta velocidad de Nelco
se han vuelto cada vez más habituales en:
- Hardware de centros de datos
- Servidores de IA
- Plataformas de networking
- Sistemas informáticos de alto rendimiento
Estos materiales están optimizados para la integridad de la señal digital, más que para aplicaciones puramente de radiofrecuencia.
Selección de materiales según la aplicación
Las distintas aplicaciones suelen requerir estrategias de materiales diferentes.
Electrónica de consumo
Material habitual:
- FR4 estándar
Consideración principal:
- Rentabilidad
Sistemas de control industrial
Material habitual:
- FR4
- FR4 de alto TG
Consideración principal:
- Fiabilidad
Redes de alta velocidad
Material habitual:
- Laminados de baja pérdida
- Megtron
- Materiales de alta velocidad Isola
Consideración principal:
- Integridad de la señal
Sistemas de radiofrecuencia y microondas
Material habitual:
- Rogers
- PTFE
- Taconic
Consideración principal:
- Baja pérdida dieléctrica
Aeroespacial y defensa
Material habitual:
- PTFE
- Laminados avanzados de RF
- Estructuras de materiales híbridos
Consideración principal:
- Rendimiento en condiciones de funcionamiento exigentes
Combinaciones de materiales híbridos
No todos los diseños requieren un único sistema de laminado en toda la placa de circuito impreso.
Muchos productos avanzados utilizan estructuras híbridas que combinan:
- FR4
- Materiales de baja pérdida
- Laminados Rogers
Los beneficios incluyen:
- Reducción de los costes de material
- Mejora de la facilidad de fabricación
- Rendimiento eléctrico optimizado
Las construcciones híbridas son especialmente habituales en los productos de radiofrecuencia que contienen circuitos tanto digitales como de microondas.
Errores habituales en la selección de materiales
Centrándonos únicamente en Dk
El Dk es importante, pero también hay que tener en cuenta el Df, el rendimiento térmico y la facilidad de fabricación.
Elegir el material con menor pérdida disponible
El material más caro no ofrece automáticamente la mejor solución global.
Incumplimiento de los requisitos de fabricación
Algunos materiales requieren procesos especializados de perforación, laminación y manipulación.
Especificación excesiva de los materiales
Muchos diseños pueden alcanzar sus objetivos utilizando laminados de baja pérdida sin necesidad de recurrir a sustratos de RF de alta calidad.
Preguntas más frecuentes
R: El mejor material depende de la aplicación. El Rogers, el PTFE y los laminados de baja pérdida se encuentran entre las opciones más utilizadas.
R: Sí, para algunas aplicaciones de radiofrecuencia de baja frecuencia. Las frecuencias más altas suelen requerir materiales con menor pérdida dieléctrica.
R: El Df influye directamente en la pérdida de inserción y en la atenuación de la señal, por lo que resulta fundamental para los circuitos de radiofrecuencia y de alta velocidad.
R: Muchos productos 5G utilizan Rogers, PTFE o laminados avanzados de baja pérdida, en función de la frecuencia de funcionamiento y los requisitos de rendimiento.
R: No siempre. La elección del material debe basarse en la velocidad de transmisión, la longitud del canal, los requisitos de integridad de la señal y el coste total del proyecto.