A seleção de materiais torna-se cada vez mais importante à medida que as frequências de funcionamento ultrapassam as capacidades dos projetos convencionais de placas de circuito impresso (PCB). Em sistemas de RF, micro-ondas, ondas milimétricas e de comunicação de alta velocidade, as propriedades elétricas do laminado podem afetar diretamente a perda de sinal, a estabilidade da impedância, a perda de inserção e o desempenho geral do sistema.
Embora o FR4 padrão continue a ser adequado para muitos produtos eletrónicos, os circuitos de alta frequência requerem frequentemente materiais especificamente concebidos para manter características elétricas consistentes em gamas de frequências mais amplas.
A escolha do material adequado numa fase inicial do projeto pode ajudar a evitar problemas de integridade do sinal, custos de reformulação e dificuldades de fabrico numa fase posterior do projeto.
Índice
Por que razão a escolha do material é importante em altas frequências
Nas frequências mais baixas, o desempenho das placas de circuito impresso (PCB) é influenciado principalmente pelo layout do circuito e pela seleção dos componentes.
À medida que a frequência aumenta, as propriedades dos materiais tornam-se cada vez mais importantes.
Vários fatores contribuem para esta mudança:
- Aumento da perda dielétrica
- Maior perda de inserção
- Maior sensibilidade às variações de impedância
- Requisitos mais exigentes em matéria de integridade do sinal
Os materiais que apresentam um bom desempenho em aplicações digitais de baixa velocidade podem não proporcionar resultados aceitáveis em sistemas de RF ou de comunicação de alta velocidade.
Esta é uma das razões pelas quais a seleção de materiais se tornou uma parte essencial da engenharia moderna de placas de circuito impresso.
As propriedades mais importantes dos materiais
Constante dieléctrica (Dk)
O Dk influencia a velocidade do sinal e a impedância.
Uma constante dielétrica estável ajuda a manter um desempenho elétrico previsível em diferentes frequências.
Conforme explicado em Valores de Dk e Df nos materiais de PCB, mesmo pequenas variações no Dk podem afetar as estruturas controladas por impedância.
Fator de dissipação (Df)
Df determina a quantidade de energia do sinal que se perde no interior do material dielétrico.
Valores mais baixos de Df resultam geralmente em:
- Perda de inserção reduzida
- Melhoria da qualidade do sinal
- Distâncias de transmissão mais longas
Em muitos projetos de alta frequência, o Df torna-se um dos parâmetros mais importantes do material.
Estabilidade térmica
Os equipamentos de comunicação funcionam frequentemente de forma contínua em ambientes exigentes.
A estabilidade térmica contribui para garantir:
- Desempenho elétrico consistente
- Redução do esforço mecânico
- Maior fiabilidade a longo prazo
Resistência à humidade
A absorção de humidade pode alterar as propriedades dielétricas e afetar o desempenho em RF.
Os materiais concebidos para aplicações de alta frequência apresentam, normalmente, características de baixa absorção de humidade.
O FR4 pode ser utilizado para PCBs de alta frequência?
A resposta depende da frequência de funcionamento e dos requisitos de desempenho.
O FR4 padrão apresenta um bom desempenho em:
- Eletrónica de consumo
- Produtos de controlo industrial
- Equipamento geral de comunicações
Muitos projetos que funcionam a frequências inferiores a vários gigahertz podem utilizar com sucesso o FR4 sem problemas significativos.
Para uma análise detalhada do desempenho dos laminados convencionais, consulte Explicação sobre o material FR4 para placas de circuito impresso.
No entanto, à medida que as frequências aumentam, a perda dielétrica relativamente elevada do FR4 torna-se uma limitação.
Os engenheiros recorrem frequentemente a materiais de baixa perda ou específicos para RF quando:
- A perda de sinal torna-se excessiva
- Aumento do comprimento dos canais
- Os requisitos de desempenho de RF tornam-se mais rigorosos
FR4 com elevado TG em equipamentos de comunicação
Os materiais com elevado TG são frequentemente escolhidos para produtos de comunicação devido à sua fiabilidade térmica.
As vantagens incluem:
- Maior estabilidade dimensional
- Maior resistência aos ciclos térmicos
- Maior fiabilidade na produção
No entanto, o FR4 com elevado teor de TG não deve ser automaticamente considerado um material de alta frequência.
A sua principal vantagem reside no desempenho térmico, e não numa redução significativa da perda de sinal.
É possível encontrar informações adicionais em PCB FR4 com elevado TG.
Materiais de baixa perda para projetos digitais de alta velocidade
Muitos produtos modernos de redes e informática utilizam sistemas laminados de baixa perda, em vez dos materiais tradicionais de RF.
As aplicações típicas incluem:
- Switches para centros de dados
- Servidores de IA
- Sistemas de armazenamento de alta velocidade
- Infraestrutura de telecomunicações
Estes materiais oferecem:
- Valores de Df mais baixos
- Melhor integridade do sinal
- Melhoria do desempenho do canal
Em comparação com os laminados de RF, oferecem frequentemente um equilíbrio mais prático entre desempenho e custo.
Os leitores interessados nesta categoria podem consultar Explicação sobre os materiais para PCB de baixa perda.
Materiais Rogers
Os laminados Rogers estão entre os materiais mais reconhecidos utilizados no fabrico de placas de circuito impresso (PCB) para RF e micro-ondas.
As famílias de produtos mais comuns incluem:
- Rogers 4350B
- Rogers 4003C
- Rogers 5880
As vantagens incluem:
- Valores Dk estáveis
- Baixa perda dieléctrica
- Excelente desempenho de alta frequência
- Boa estabilidade do processo
As aplicações incluem:
- Sistemas de radar
- Amplificadores de RF
- Circuitos de antena
- Equipamento de comunicação por satélite
Os próximos artigos irão analisar materiais específicos de Rogers com maior pormenor.
Materiais à base de PTFE
O PTFE continua a ser um dos sistemas dielétricos com menores perdas disponíveis para o fabrico de placas de circuito impresso.
As características incluem:
- Df extremamente baixo
- Excelente desempenho de RF
- Comportamento elétrico estável
Os materiais de PTFE são frequentemente encontrados em:
- Sistemas de micro-ondas
- Eletrónica aeroespacial
- Equipamento de comunicações militares
- Equipamento de ensaio de alta frequência
Embora o desempenho seja excelente, os materiais de PTFE requerem, normalmente, um processamento mais especializado em comparação com os laminados à base de FR4.
Megtron e Materiais Digitais de Alta Velocidade
O crescimento da computação em nuvem e das infraestruturas de IA aumentou a procura por laminados avançados de alta velocidade.
Materiais como:
- Megtron 6
- Megtron 7
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Sistemas de alta velocidade da Nelco
têm-se tornado cada vez mais comuns em:
- Hardware de centros de dados
- Servidores de IA
- Plataformas de networking
- Sistemas de computação de alto desempenho
Estes materiais estão otimizados para a integridade do sinal digital, em vez de aplicações puramente de RF.
Seleção de materiais por aplicação
Aplicações diferentes exigem, muitas vezes, estratégias diferentes em termos de materiais.
Eletrónica de consumo
Material típico:
- Padrão FR4
Consideração principal:
- Eficiência de custos
Sistemas de controlo industrial
Material típico:
- FR4
- FR4 de alto TG
Consideração principal:
- Fiabilidade
Redes de alta velocidade
Material típico:
- Laminados de baixa perda
- Megtron
- Materiais de alta velocidade Isola
Consideração principal:
- Integridade do sinal
Sistemas de RF e micro-ondas
Material típico:
- Rogers
- PTFE
- Taconic
Consideração principal:
- Baixa perda dieléctrica
Aeroespacial e Defesa
Material típico:
- PTFE
- Laminados avançados de RF
- Conjuntos de materiais híbridos
Consideração principal:
- Desempenho em condições de funcionamento exigentes
Conjuntos de materiais híbridos
Nem todos os projetos exigem um único sistema de laminado em toda a placa de circuito impresso.
Muitos produtos avançados utilizam configurações híbridas que combinam:
- FR4
- Materiais de baixa perda
- Laminados Rogers
As vantagens incluem:
- Custos de material reduzidos
- Maior facilidade de fabrico
- Desempenho elétrico otimizado
As construções híbridas são especialmente comuns em produtos de RF que incluem circuitos digitais e de micro-ondas.
Erros comuns na seleção de materiais
Concentrar-se apenas no Dk
O Dk é importante, mas também é necessário ter em conta o Df, o desempenho térmico e a facilidade de fabrico.
Escolher o material com menor perda disponível
O material mais caro não constitui, por si só, a melhor solução global.
Ignorar os requisitos de fabrico
Certos materiais exigem processos especializados de perfuração, laminação e manuseamento.
Especificação excessiva de materiais
Muitos projetos conseguem atingir os seus objetivos utilizando laminados de baixa perda, sem necessidade de recorrer a substratos de RF de alta qualidade.
FAQ
R: O melhor material depende da aplicação. O Rogers, o PTFE e os laminados de baixa perda estão entre as opções mais utilizadas.
R: Sim, para algumas aplicações de RF de baixa frequência. As frequências mais elevadas exigem frequentemente materiais com menor perda dielétrica.
R: O Df afeta diretamente a perda de inserção e a atenuação do sinal, tornando-o fundamental para circuitos de RF e de alta velocidade.
R: Muitos produtos 5G utilizam Rogers, PTFE ou laminados avançados de baixa perda, dependendo da frequência de funcionamento e dos requisitos de desempenho.
R: Nem sempre. A escolha do material deve basear-se na taxa de transmissão de dados, no comprimento do canal, nos requisitos de integridade do sinal e no custo global do projeto.