Limitaciones de los materiales FR4 en PCB de alta frecuencia
A pesar de las muchas ventajas de los materiales FR4, su rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia es insatisfactoria, como lo demuestra lo siguiente:
Estabilidad constante dieléctrica insuficiente
En condiciones de alta frecuencia, la constante dieléctrica (DK) de FR4 fluctúa con frecuencia, lo que puede dar como resultado una transmisión de señal retrasada o distorsionada.
Mayor pérdida dieléctrica
La tangente angular de pérdida dieléctrica (DF) del material FR4 es relativamente grande, y las señales de alta frecuencia pierden más durante la transmisión, lo que no es adecuado para la transmisión de señal de alta velocidad de alta velocidad y alto ancho y baja pérdida.
Baja conductividad térmica
Los circuitos de alta frecuencia generalmente van acompañados de densidades de alta potencia, y la conductividad térmica de FR4 no es suficiente para disipar el calor lo suficientemente rápido, lo que puede provocar insuficiencia térmica.
Limitaciones de integridad de la señal
Debido a las limitaciones de las propiedades eléctricas de los materiales FR4, los problemas como la reflexión de la señal y la diafonía son más prominentes en entornos de alta frecuencia.
Estrategias para optimizar el diseño de PCB de alta frecuencia de FR4
Para hacer uso completo de las ventajas del material FR4 en aplicaciones de alta frecuencia, mientras evita sus limitaciones, las siguientes estrategias de referencia:
Diseño razonable de la estructura laminada
A través de la optimización del diseño de apilamiento de PCB, reduzca el área del circuito de la señal, reduzca la interferencia electromagnética, mejore la integridad de la señal.
Seleccione materiales de variante de baja pérdida FR4.
Hay algunos materiales FR4 mejorados en el mercado con tangente de ángulo dieléctrico y ángulo de pérdida más bajo, que se adaptan mejor a los requisitos de alta frecuencia.
Control preciso de la impedancia de alineación
Las señales de alta frecuencia requieren una coincidencia de alta impedancia, y se puede lograr un mejor control de impedancia ajustando el ancho de la alineación, el espacio y el grosor dieléctrico.
Uso de escudos y capas de tierra
La introducción de capas de blindaje y conexión a tierra en el diseño de PCB de alta frecuencia puede suprimir efectivamente la interferencia irradiada y mejorar la compatibilidad electromagnética.
Optimización de simulación de señal
En las primeras etapas del diseño, a través del análisis de simulación de integridad de la señal, para encontrar problemas potenciales de antemano, para reducir el reelaboración más adelante.
FR4 Selección de material alternativo
En algunos escenarios extremos de alta frecuencia, FR4 puede no ser capaz de satisfacer la demanda, puede considerar los siguientes materiales alternativos:
Material de Rogers
El material de Rogers tiene una tangente de ángulo dieléctrico y de pérdida dieléctrico más bajo, adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y microondas, pero el costo es mayor.
Sustratos de cerámica
Los materiales cerámicos tienen alta conductividad térmica y propiedades eléctricas superiores, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta frecuencia y alta potencia.
Ptfe (politetrafluoroetileno) Materiales
Los materiales PTFE tienen excelentes propiedades dieléctricas y son particularmente adecuadas para los circuitos de RF y microondas.
Aplicaciones prácticas de PCB de alta frecuencia FR4
A pesar de ciertas limitaciones, el material FR4 todavía se usa ampliamente en las siguientes aplicaciones de alta frecuencia:
Módulos de comunicación inalámbrica: adecuado para equipos de comunicación inalámbrica de bajo costo, como módulos Wi-Fi, módulos Bluetooth.
Equipo de identificación de radiofrecuencia (RFID): utilizado en sistemas RFID de frecuencia media o baja frecuencia.
Sistemas electrónicos automotrices: FR4 sigue siendo el material convencional en algunos radar y sensores de automóviles.
Conclusión
El material FR4 sigue siendo uno de los materiales comúnmente utilizados en PCB de alta frecuencia debido a su economía superior y su desempeño integral. Sin embargo, frente a las necesidades exigentes de aplicaciones de alta frecuencia, los diseñadores deben tener en cuenta sus características eléctricas, rendimiento térmico y limitaciones de costos, y garantizar el rendimiento y la confiabilidad de los circuitos de alta frecuencia optimizando el diseño o seleccionando materiales alternativos . En el futuro, con el avance de la tecnología de materiales y el proceso de fabricación, se espera que el rendimiento de FR4 mejore aún más para satisfacer mejor la creciente demanda de electrónica de alta frecuencia.
