A medida que la velocidad de las señales sigue aumentando, los materiales tradicionales de las placas de circuito impreso (PCB) están llegando a sus límites de rendimiento. Aunque el FR4 estándar sigue siendo adecuado para muchas aplicaciones, los equipos de red modernos, las plataformas informáticas de inteligencia artificial, los sistemas de almacenamiento de alta velocidad y las infraestructuras de comunicaciones suelen requerir materiales con menor pérdida de señal.
Aquí es donde cobran importancia los materiales para placas de circuito impreso de baja pérdida.
Los laminados de baja pérdida están diseñados para reducir la atenuación dieléctrica, lo que permite que las señales recorran distancias más largas sin perder su integridad. Se han convertido en una opción habitual en aplicaciones que funcionan con velocidades de transmisión de datos de varios gigabits y altas frecuencias.
Tabla de contenidos
¿Qué hace que un material para placas de circuito impreso tenga bajas pérdidas?
La pérdida de señal en una placa de circuito impreso se debe a varias causas, entre las que se incluyen la pérdida en los conductores, la rugosidad de la superficie, las transiciones en los conectores y la pérdida dieléctrica.
Entre estos factores, la pérdida dieléctrica depende directamente del propio material laminado.
Por lo general, se considera que un material tiene bajas pérdidas cuando ofrece:
- Bajo factor de disipación (Df)
- Constante dieléctrica (Dk) estable
- Rendimiento eléctrico constante en todos los rangos de frecuencia
- Pérdida de inserción reducida
Tal y como se explica en Valores de Dk y Df en materiales de PCB, el factor de disipación es uno de los principales indicadores que se utilizan para evaluar el comportamiento en cuanto a la pérdida de señal.
Por qué el FR4 estándar tiene limitaciones
El FR4 sigue siendo el material más utilizado para los circuitos impresos, ya que es rentable y fácil de conseguir.
Sin embargo, su rendimiento eléctrico empeora a medida que aumentan las frecuencias y las velocidades de transmisión de datos.
Entre las características típicas del FR4 se incluyen:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
En el caso de muchos productos industriales y de consumo, estos valores son perfectamente aceptables.
Sin embargo, aplicaciones como:
- Ethernet de 25G
- 56G PAM4
- Placas base de 112G
- Plataformas de servidores de alta velocidad
a menudo requieren una pérdida dieléctrica menor que la que puede ofrecer el FR4 convencional.
Los lectores que no estén familiarizados con los materiales FR4 pueden consultar Explicación del material FR4 para placas de circuito impreso para obtener más información.
Características de los materiales de baja pérdida
Los laminados de baja pérdida están diseñados para mejorar el rendimiento de la transmisión de la señal.
Entre las características comunes se incluyen:
Menor factor de disipación
La ventaja más importante es la reducción de las pérdidas dieléctricas.
Unos valores de Df más bajos ayudan a:
- Minimizar la atenuación
- Mejorar los diagramas de ojo
- Aumentar las distancias de enrutamiento
- Reducir los requisitos de ecualización
Constante dieléctrica estable
Los materiales de baja pérdida suelen mantener valores de Dk más constantes en rangos de frecuencia más amplios.
Esto mejora:
- Control de impedancia
- Sincronización de las señales
- Emparejamiento de pares diferenciales
Rendimiento mejorado en las frecuencias altas
Muchos sistemas de baja pérdida están optimizados para frecuencias en las que el FR4 estándar comienza a sufrir una atenuación significativa.
Mayor fiabilidad
Los sistemas laminados de alta gama suelen ofrecer, además, un mejor rendimiento térmico y mecánico.
Comparación típica de Df
La siguiente tabla muestra una comparación entre los materiales más habituales utilizados en los circuitos impresos.
| Material | Df típico |
|---|---|
| FR4 estándar | 0.015-0.025 |
| FR4 de alto TG | 0,012–0,020 |
| FR4 de baja pérdida | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| Materiales de PTFE | 0,0009–0,002 |
Cuanto menor sea el valor de Df, menor será la pérdida dieléctrica.
No obstante, a la hora de seleccionar los materiales, siempre se deben tener en cuenta los requisitos generales del diseño, en lugar de centrarse en una única especificación.
Tipos habituales de materiales para placas de circuito impreso de baja pérdida
Sistemas FR4 mejorados
Muchos proveedores de laminados ofrecen formulaciones mejoradas de FR4 diseñadas para aplicaciones de mayor velocidad.
Estos materiales ofrecen:
- Mejor rendimiento de la señal
- Características de procesamiento habituales
- Menor coste en comparación con los laminados de RF de alta gama
Se utilizan a menudo en productos de redes y servidores.
Materiales cerámicos a base de hidrocarburos
Estos laminados combinan sistemas de resinas de hidrocarburos con cargas cerámicas.
Los beneficios incluyen:
- Menor pérdida
- Propiedades dieléctricas estables
- Buena fabricabilidad
Varios materiales de radiofrecuencia muy utilizados se basan en este enfoque.
Materiales a base de PTFE
El PTFE ofrece unas de las pérdidas dieléctricas más bajas que existen en la fabricación de placas de circuito impreso.
Las aplicaciones incluyen:
- Sistemas de radar
- Comunicaciones por satélite
- Amplificadores de radiofrecuencia
- Circuitos de microondas
Un artículo específico sobre Material de PTFE para placas de circuito impreso Analizaremos estos materiales con más detalle.
Laminados digitales de alta velocidad
Productos como:
- Serie Megtron
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Materiales de alta velocidad de Nelco
están diseñados específicamente para los sistemas digitales modernos.
Estos materiales sirven de puente entre el FR4 convencional y los sustratos especializados para RF.
Aplicaciones que se benefician de los materiales de baja pérdida
Equipos para centros de datos
Los conmutadores y routers modernos funcionan a velocidades de transmisión de datos cada vez más altas.
La pérdida de señal se convierte en un factor de diseño fundamental a medida que aumenta la longitud de los canales.
Los materiales de baja pérdida ayudan a mantener la calidad de la señal en todo el sistema.
En futuras publicaciones se tratarán los siguientes temas: Materiales para placas de circuito impreso (PCB) destinados a equipos de centros de datos.
Servidores AI
La infraestructura de IA requiere una comunicación de alta velocidad entre procesadores, aceleradores y dispositivos de memoria.
Los laminados de baja pérdida contribuyen a:
- Ancho de banda elevado
- Latencia reducida
- Mejora de la integridad de la señal
Sistemas de telecomunicaciones
Las aplicaciones incluyen:
- Redes ópticas
- Infraestructura 5G
- Equipos de backhaul
- Hardware de comunicación inalámbrica
Sistemas de almacenamiento de alta velocidad
Las plataformas de almacenamiento empresarial suelen recurrir a materiales de baja pérdida para soportar interfaces de alta velocidad y trayectorias de señal largas.
Consideraciones económicas
Una de las razones por las que el FR4 estándar sigue siendo tan popular es su precio.
Los materiales de baja pérdida suelen aumentar los costes de fabricación de las placas de circuito impreso debido a:
- Aumento del precio de los laminados
- Requisitos de apilado más complejos
- Esfuerzo adicional de ingeniería
Las ventajas en cuanto al rendimiento deben justificar el coste adicional.
En muchos casos, solo determinadas capas requieren materiales de baja pérdida, lo que permite a los diseñadores utilizar estructuras híbridas que concilian el rendimiento y el presupuesto.
Materiales de baja pérdida y diseño de la estructura de capas
La selección de materiales no puede separarse de la planificación de la estructura de capas.
Entre los factores que deben evaluarse conjuntamente se incluyen:
- Recuento de capas
- Espesor del núcleo
- Selección de prepregs
- Rugosidad del cobre
- Impedancia objetivo
Tal y como se ha comentado en Materiales para el núcleo y prepreg de placas de circuito impreso, la distancia dieléctrica influye directamente en la impedancia y en el comportamiento de la señal.
Una disposición de capas bien diseñada suele contribuir tanto al rendimiento como el propio material.
Elegir el material adecuado
A la hora de evaluar los laminados de baja pérdida, los ingenieros deben tener en cuenta lo siguiente:
Velocidad de transmisión de datos
Por lo general, unas velocidades de transmisión de datos más altas hacen que sea más importante que las pérdidas dieléctricas sean bajas.
Frecuencia de funcionamiento
Los diseños de radiofrecuencia y microondas suelen requerir materiales especializados.
Longitud del canal
Las trayectorias de señal más largas suelen beneficiarse más de los materiales de baja pérdida.
Requisitos de fabricación
Algunos materiales requieren procesos especializados de perforación, laminación o manipulación.
Presupuesto
La selección de materiales debe ajustarse a los objetivos de rendimiento del producto y a las expectativas del mercado.
El objetivo no es elegir el material con menor pérdida disponible, sino el más adecuado para la aplicación.
Preguntas más frecuentes
R: Un material para placas de circuito impreso de baja pérdida es un laminado diseñado para reducir la atenuación dieléctrica y mejorar la integridad de la señal a altas frecuencias o con altas velocidades de transmisión de datos.
R: Ayudan a minimizar la degradación de la señal, lo que permite que las señales recorran distancias más largas con mejor calidad.
R: No siempre. Algunos materiales de baja pérdida están diseñados para sistemas digitales de alta velocidad, en lugar de para aplicaciones de radiofrecuencia.
R: En algunos casos, sí. Sin embargo, las velocidades de transmisión de datos muy elevadas suelen requerir materiales con una pérdida dieléctrica menor.
R: En los sectores de las redes, las telecomunicaciones, la informática basada en la inteligencia artificial, los centros de datos, la industria aeroespacial y la electrónica industrial avanzada se utilizan con frecuencia materiales para placas de circuito impreso (PCB) de baja pérdida.