À medida que as velocidades dos sinais continuam a aumentar, os materiais tradicionais utilizados nas placas de circuito impresso (PCB) estão a atingir os seus limites de desempenho. Embora o FR4 padrão continue a ser adequado para muitas aplicações, os equipamentos de rede modernos, as plataformas de computação de IA, os sistemas de armazenamento de alta velocidade e as infraestruturas de comunicação exigem frequentemente materiais com menor perda de sinal.
É aqui que os materiais para PCB de baixa perda assumem importância.
Os laminados de baixa perda são concebidos para reduzir a atenuação dielétrica, ajudando os sinais a percorrerem distâncias maiores, mantendo simultaneamente a sua integridade. Tornaram-se uma escolha comum em aplicações que operam a taxas de dados de vários gigabits e em altas frequências.
Índice
O que faz com que um material para PCB tenha baixas perdas?
A perda de sinal numa placa de circuito impresso (PCB) tem várias origens, incluindo a perda nos condutores, a rugosidade da superfície, as transições nos conectores e a perda dielétrica.
Entre estes fatores, a perda dielétrica é diretamente influenciada pelo próprio material do laminado.
Um material é geralmente considerado de baixa perda quando apresenta:
- Baixo fator de dissipação (Df)
- Constante dielétrica (Dk) estável
- Desempenho elétrico consistente em todas as gamas de frequências
- Perda de inserção reduzida
Conforme explicado em Valores de Dk e Df nos materiais de PCB, o fator de dissipação é um dos principais indicadores utilizados para avaliar o desempenho em termos de perda de sinal.
Por que razão o FR4 padrão tem limitações
O FR4 continua a ser o material mais utilizado na fabricação de placas de circuito impresso (PCB), uma vez que é económico e está facilmente disponível.
No entanto, o seu desempenho elétrico torna-se menos favorável à medida que as frequências e as taxas de transmissão de dados aumentam.
As características típicas do FR4 incluem:
- Dk: 4,2–4,8
- Df: 0,015–0,025
No caso de muitos produtos industriais e de consumo, estes valores são perfeitamente aceitáveis.
No entanto, aplicações como:
- Ethernet de 25G
- 56G PAM4
- Backplanes 112G
- Plataformas de servidores de alta velocidade
exigem frequentemente uma perda dielétrica inferior à que o FR4 convencional pode proporcionar.
Os leitores que ainda não estejam familiarizados com os materiais FR4 podem consultar Explicação sobre o material FR4 para placas de circuito impresso para obter mais informações.
Características dos materiais de baixa perda
Os laminados de baixa perda são concebidos para melhorar o desempenho na transmissão de sinais.
As características comuns incluem:
Fator de dissipação mais baixo
A vantagem mais significativa é a redução das perdas dielétricas.
Valores mais baixos de Df ajudam a:
- Minimizar a atenuação
- Melhorar os diagramas de olho
- Aumentar as distâncias de encaminhamento
- Reduzir os requisitos de equalização
Constante dielétrica estável
Os materiais de baixa perda costumam apresentar valores de Dk mais consistentes em gamas de frequências mais amplas.
Isto melhora:
- Controlo da impedância
- Sincronização dos sinais
- Correspondência de pares diferenciais
Melhoria do desempenho em altas frequências
Muitos sistemas de baixa perda estão otimizados para frequências em que o FR4 padrão começa a sofrer uma atenuação significativa.
Maior fiabilidade
Os sistemas de laminado de gama alta oferecem, muitas vezes, também um melhor desempenho térmico e mecânico.
Comparação típica do Df
A tabela seguinte apresenta uma comparação entre os materiais mais comuns utilizados em placas de circuito impresso.
| Material | Df típico |
|---|---|
| Padrão FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 de alto TG | 0,012–0,020 |
| FR4 de baixa perda | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| Materiais de PTFE | 0,0009–0,002 |
Quanto mais baixo for o valor de Df, menor será a perda dielétrica.
No entanto, a escolha dos materiais deve ter sempre em conta os requisitos gerais do projeto, em vez de se centrar numa única especificação.
Tipos comuns de materiais para PCB de baixa perda
Sistemas FR4 melhorados
Muitos fornecedores de laminados oferecem formulações melhoradas de FR4 concebidas para aplicações a velocidades mais elevadas.
Estes materiais proporcionam:
- Melhor desempenho do sinal
- Características de processamento conhecidas
- Custo mais baixo em comparação com os laminados de RF de gama alta
São frequentemente utilizados em produtos de redes e servidores.
Materiais cerâmicos à base de hidrocarbonetos
Estes laminados combinam sistemas de resinas de hidrocarbonetos com cargas cerâmicas.
As vantagens incluem:
- Menos perdas
- Propriedades dielétricas estáveis
- Boa capacidade de fabrico
Vários materiais de RF populares utilizam esta abordagem.
Materiais à base de PTFE
O PTFE apresenta algumas das perdas dielétricas mais baixas existentes na fabricação de placas de circuito impresso.
As aplicações incluem:
- Sistemas de radar
- Comunicação por satélite
- Amplificadores de RF
- Circuitos de micro-ondas
Um artigo dedicado a Material de PTFE para PCB vamos analisar estes materiais com mais pormenor.
Laminados digitais de alta velocidade
Produtos como:
- Série Megtron
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Materiais de alta velocidade da Nelco
foram concebidos especificamente para os sistemas digitais modernos.
Estes materiais preenchem a lacuna entre o FR4 convencional e os substratos especializados para RF.
Aplicações que beneficiam de materiais de baixa perda
Equipamento para centros de dados
Os switches e routers modernos funcionam a velocidades de transmissão de dados cada vez mais elevadas.
A perda de sinal torna-se um fator crítico de conceção à medida que o comprimento dos canais aumenta.
Os materiais de baixa perda ajudam a manter a qualidade do sinal em todo o sistema.
As próximas edições irão incluir Materiais para placas de circuito impresso (PCB) destinadas a equipamentos de centros de dados.
Servidores de IA
A infraestrutura de IA requer comunicação de alta velocidade entre processadores, aceleradores e dispositivos de memória.
Os laminados de baixa perda contribuem para:
- Elevada largura de banda
- Latência reduzida
- Integridade de sinal melhorada
Sistemas de telecomunicações
As aplicações incluem:
- Redes óticas
- Infraestrutura 5G
- Equipamento de backhaul
- Hardware de comunicação sem fios
Sistemas de armazenamento de alta velocidade
As plataformas de armazenamento empresarial recorrem frequentemente a materiais de baixa perda para suportar interfaces de alta velocidade e percursos de sinal longos.
Considerações sobre os custos
Uma das razões pelas quais o FR4 padrão continua a ser popular é o custo.
Os materiais de baixa perda aumentam, em geral, os custos de fabrico das placas de circuito impresso devido a:
- Aumento dos preços do laminado
- Requisitos de empilhamento mais complexos
- Esforço adicional de engenharia
Os benefícios em termos de desempenho têm de justificar o custo adicional.
Em muitos casos, apenas camadas específicas requerem materiais de baixa perda, o que permite aos projetistas utilizarem configurações híbridas que equilibram o desempenho e o orçamento.
Materiais de baixa perda e conceção de empilhamento
A escolha dos materiais não pode ser dissociada do planeamento da disposição das camadas.
Os fatores que devem ser avaliados em conjunto incluem:
- Contagem de camadas
- Espessura do núcleo
- Seleção de pré-impregnados
- Rugosidade do cobre
- Impedância alvo
Conforme discutido em Materiais para núcleos e pré-impregnados de PCB, o espaçamento dielétrico influencia diretamente a impedância e o comportamento do sinal.
Uma disposição de camadas bem concebida contribui, muitas vezes, tanto para o desempenho como o próprio material.
Escolher o material certo
Ao avaliar laminados de baixa perda, os engenheiros devem ter em conta:
Taxa de transmissão de dados
Taxas de transmissão de dados mais elevadas aumentam, em geral, a importância de uma baixa perda dielétrica.
Frequência de funcionamento
Os projetos de RF e micro-ondas requerem frequentemente materiais especializados.
Comprimento do canal
Os percursos de sinal mais longos beneficiam normalmente mais da utilização de materiais de baixa perda.
Requisitos de fabrico
Alguns materiais requerem processos especializados de perfuração, laminação ou manuseamento.
Orçamento
A escolha dos materiais deve estar em consonância com os objetivos de desempenho do produto e com as expectativas do mercado.
O objetivo não é escolher o material com menor perda disponível, mas sim o material mais adequado para a aplicação.
FAQ
R: Um material para PCB de baixa perda é um laminado concebido para reduzir a atenuação dielétrica e melhorar a integridade do sinal em altas frequências ou em taxas de transmissão de dados elevadas.
R: Ajudam a minimizar a degradação do sinal, permitindo que os sinais percorram distâncias maiores com melhor qualidade.
R: Nem sempre. Alguns materiais de baixa perda são concebidos para sistemas digitais de alta velocidade, em vez de aplicações de RF.
R: Em alguns casos, sim. No entanto, as taxas de transmissão de dados muito elevadas exigem frequentemente materiais com menor perda dielétrica.
R: As áreas das redes, das telecomunicações, da computação com IA, dos centros de dados, do setor aeroespacial e da eletrónica industrial avançada recorrem frequentemente a materiais para placas de circuito impresso (PCB) de baixa perda.