Propiedades de los materiales de PCB y su impacto en el rendimiento de las placas de alta frecuencia

Jun 10, 2023

Algunos de los parámetros materiales más importantes que afectan la atenuación de la línea son:

Una buena comprensión de estas propiedades y los mecanismos de pérdida en las líneas de transmisión puede ayudarnos a elegir el material de PCB adecuado para nuestra aplicación. La selección del material es el primer paso en el proceso de diseño de PCB. Hoy en día, los diseñadores de placas digitales de alta velocidad y productos de RF pueden elegir entre docenas de materiales de PCB de baja pérdida y Dk controlado. Muchos proveedores de laminados han desarrollado sistemas de resina patentados.

Para una línea de transmisión de bajas pérdidas, la pérdida dieléctrica en dB por pulgada viene dada por la siguiente ecuación:

\[\alpha_d \text{(dB por pulgada)} = 2,32 f \ tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

donde f es la frecuencia en GHz. Como puede verse, la pérdida dieléctrica está directamente determinada por la constante dieléctrica y la tangente de pérdida del material. Por lo tanto, podemos usar un material con tan (δ) y εr más bajos para limitar ⍺d tanto como sea posible. Tres opciones de materiales recomendadas para transceptores de muy altos Gbps son Nelco 4000-13EPSI, Rogers 4350B y Panasonic Megtron 6. La Figura 1 a continuación compara la tangente de pérdida de estos materiales con algunos otros materiales comunes.

Para comprender mejor cómo el uso de un material de bajo Dk nos permite reducir el espesor del tablero, considere la línea de corte que se muestra en la Figura 2.

La aproximación más popular para la impedancia característica de una línea de banda, recomendada por el IPC, es:

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0.8w+t} \big )\]

dónde:

Para un Z0 fijo y un ancho de traza w, si usamos un material con εr mayor, entonces tenemos que aumentar el espacio entre los planos. En otras palabras, un εr mayor puede aumentar el espesor total del tablero. En una placa de alta densidad con muchas capas de señal, esto puede aumentar significativamente el grosor de la placa. Una placa más gruesa significa que su diseño necesita vías con una relación de aspecto mayor. La relación de aspecto de una vía es su longitud dividida por su diámetro.

Por ejemplo, si tiene una tabla con un grosor de 0,2" y un diámetro de broca de 0,02", entonces la relación de aspecto es 10:1. ¿Cuál es la dificultad de tener una relación de aspecto grande? Recuerde que para brindar conectividad eléctrica, el interior de la vía debe cubrirse con cobre mediante una solución de enchapado. La Figura 3 muestra la sección transversal de un orificio chapado con una relación de aspecto de 15:1.

La mayoría de los fabricantes de PCB tienen la capacidad de crear vías con una relación de aspecto que oscila entre 6:1 y 8:1. Con relaciones de aspecto más altas, el enchapado se vuelve cada vez más difícil porque las porciones internas del cilindro vía pueden tener un recubrimiento de cobre más delgado. Esto puede incluso hacer que el centro de la vía sea más propenso a agrietarse bajo tensiones térmicas. Por lo tanto, con relaciones de aspecto más grandes, es posible que tenga que utilizar técnicas de fabricación de PCB más costosas y tener problemas de confiabilidad con su placa final. La elección de un material de menor Dk puede aliviar en cierta medida estos problemas.

La constante dieléctrica de un material de PCB es función de la frecuencia. La Figura 4 a continuación muestra la dependencia de la frecuencia de la constante dieléctrica de algunos laminados de PCB comunes.

¿Cuáles son las consecuencias de las variaciones de Dk? La constante dieléctrica afecta dos parámetros importantes: la impedancia característica y la velocidad de onda. La velocidad de propagación de una señal a través de una línea de transmisión está dada por:

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

donde c es la velocidad de la luz en el vacío.

Debido a las variaciones de Dk, diferentes componentes de frecuencia de la señal pueden experimentar velocidades de señal ligeramente diferentes, lo que lleva a la dispersión de la señal. Además, a medida que Dk disminuye con la frecuencia, la impedancia característica de la línea aumenta (Ecuación 2). En consecuencia, esto degrada los reflejos de la señal en frecuencias más altas. Por lo tanto, es deseable utilizar materiales que tengan una respuesta de frecuencia Dk más plana en el rango de frecuencia de interés.

La Figura 4 muestra que la respuesta Dk versus frecuencia de la familia de materiales FR4 exhibe una variación relativamente mayor. Es por eso que se recomienda evitar este tipo de material en aplicaciones de alta velocidad/alta frecuencia (otra razón para esto es la alta pérdida dieléctrica de la familia FR4 de laminados de PCB). Tenga en cuenta que, lamentablemente, la mayoría de los fabricantes especifican los valores Dk sólo en unas pocas frecuencias específicas.

El material de PCB es un compuesto de fibra/resina que puede utilizar diferentes densidades de tejido (Figura 5).

La constante dieléctrica de la resina es menor que la de la fibra. Es por eso que aumentar el contenido de resina reduce el Dk efectivo del laminado de PCB. La Figura 6 muestra cómo cambia la constante dieléctrica del laminado FR408HR con el contenido de resina.

Por lo tanto, además de la frecuencia de medición, el proveedor del laminado también debe especificar el contenido de resina correspondiente. La Tabla 1 proporciona la constante dieléctrica de un laminado Hi Tg FR4 para diferentes construcciones y contenidos de resina en dos frecuencias diferentes (1 MHz y 1 GHz).

Espesor

Construcción

Contenido de resina

uno a 1MHz

es @ 1GHz

.002

1x106

69,0%

3.84

3.63

.003

1x1080

62,0%

4.00

3.80

.004

1x2113

54,4%

4.19

4.00

.004

1 x 106 + 1 x 1080

57,7%

4.11

3.91

.004

1x2116

43,0%

4.54

4.37

.005

1 x 106 + 1 x 2113

52,8%

4.24

4.05

005

1x2116

51,8%

4.26

4.08

.006

1 x 1080 + 1 x 2113

52,2%

4.25

4.06

.006

1 x 106 + 1 x 2116

50,8%

4.29

4.11

.006

2x2113

43,5%

4.52

4.35

.007

2x2113

49,6%

4.33

4.14

.008

1x7628

44,4%

4.49

4.32

.010

2x2116

51,8%

4.26

4.08

.014

2x7628

38,8%

4.69

4.53

Esta tabla muestra claramente que un espesor de laminado determinado puede tener diferentes constantes dieléctricas. Por ejemplo, la constante dieléctrica de un laminado de 0,004” de espesor puede variar de 4,11 a 4,54. La razón es que las variantes disponibles para un laminado de 0,004” de espesor utilizan diferentes estilos de vidrio tejido y tienen diferentes proporciones de vidrio a resina.

Como se muestra en la Figura 5, los núcleos y laminados de PCB están hechos de vidrio tejido impregnado con resina. Esto hace que el material sea intrínsecamente no homogéneo y anisotrópico. En otras palabras, ciertas áreas del tablero pueden estar dominadas por vidrio mientras que otras regiones son ricas en resina. Esto puede causar problemas en aplicaciones exigentes. Para comprender mejor esto, considere los dos rastros que se muestran a continuación.

En la figura anterior, el trazo 1 está sobre un haz de fibras, mientras que el trazo 2 está sobre un área rica en resina. Esto muestra que, según la ubicación, dos pistas en el mismo tablero pueden experimentar diferentes constantes dieléctricas efectivas. Como resultado, la velocidad de la señal para las dos rutas en la misma placa podría no ser la misma, lo que puede provocar una sincronización sesgada en una placa de alta velocidad. Hay varios estilos diferentes de tejido de vidrio, algunos de los cuales se muestran en la Figura 5. Como puede ver, la falta de uniformidad del material depende del tipo de tejido de vidrio y del tamaño de los espacios en el tejido. Un material escasamente tejido, como la tela de vidrio 106 y 1080, produce una mayor desviación de sincronización en comparación con estilos de tejido más apretados. La EMI exacerbada y los problemas de pérdidas son otros dos efectos no deseados de los materiales escasamente tejidos.

Además de usar estilos de tejido de vidrio con una distribución más uniforme del vidrio, también podemos usar algunas técnicas de enrutamiento de trazas para tener un Dk más consistente en todos los ámbitos. Por ejemplo, podemos enrutar las trazas en ángulo con respecto a la deformación/relleno de la fibra y/o usar un estilo de enrutamiento en zig-zag para mitigar en cierta medida el efecto del tejido de vidrio. Tenga en cuenta que un enrutamiento en zig-zag consume un valioso espacio en la placa y aumenta la pérdida debido al uso de pistas más largas, aunque solo resuelve parcialmente el problema. Para obtener más información sobre este efecto, consulte esta presentación de Isola.

La Figura 8 a continuación compara el rendimiento de pérdida versus frecuencia de algunos materiales de PCB. Como puede ver, ciertos materiales generan significativamente menos pérdidas que otros. Esta información podría ayudarnos a decidir qué material podría funcionar mejor a velocidades más altas. A medida que avanzamos hacia frecuencias cada vez más altas, se deben emplear materiales que tengan menos pérdidas y proporcionen una respuesta Dk versus frecuencia más plana.

La Figura 9 a continuación muestra cómo el uso de un sistema laminado de PCB con tangente de baja pérdida puede aumentar el costo de la PCB. Como punto de referencia, el FR406 en esta figura es el material Hi Tg FR-4 fabricado por Isola Corporation.

En este punto vale la pena mencionar que, contrariamente a la creencia popular, el término "FR4" no especifica un laminado de PCB en particular con una constante dieléctrica conocida ni ninguna otra métrica de rendimiento. Los materiales FR4 son una amplia clase de materiales impregnados de resina de tejido de vidrio que se utilizan como sustratos de PCB. Existe una base histórica para su uso como designador de laminado. En los primeros años de la tecnología de PCB, había dos opciones de materiales originales: poliimida y materiales a base de epoxi. El término FR4 fue el nombre utilizado para referirse a este último grupo. FR4 pasó a significar "no poliimida", pero no especifica una constante dieléctrica ni ninguna otra métrica de rendimiento.

Los datos proporcionados por los proveedores de laminados junto con las ecuaciones de pérdidas de primer orden que hemos discutido en artículos anteriores nos permiten tener una evaluación inicial del desempeño del material en la frecuencia de interés. Sin embargo, cabe señalar que cuando las pérdidas son importantes para nosotros, normalmente necesitamos herramientas analíticas para tener una estimación más precisa de las pérdidas del material específico que se utiliza en el rango de frecuencia operativa. Si hay mucho dinero en juego, es posible que no podamos confiar ni siquiera en el rendimiento simulado. En este caso, será mejor que construyamos una placa de prueba con el circuito real para examinar el rendimiento real del material. También es importante asegurarse de que se utilice el mismo laminado durante todo el ciclo de producción, desde el prototipo hasta la producción completa.

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