Propriedades do material PCB e seu impacto no desempenho de placas de alta frequência

Alguns dos parâmetros materiais mais importantes que afetam a atenuação da linha são:

Uma boa compreensão dessas propriedades e dos mecanismos de perda nas linhas de transmissão pode nos ajudar a escolher o material de PCB certo para nossa aplicação. A seleção do material é a primeira etapa no processo de design de PCB. Hoje, os projetistas de placas digitais de alta velocidade e produtos de RF podem escolher entre dezenas de materiais de PCB controlados e de baixa perda. Muitos fornecedores de laminados desenvolveram sistemas de resina proprietários.

Para uma linha de transmissão de baixas perdas, a perda dielétrica em dB por polegada é dada pela seguinte equação:

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

onde f é a frequência em GHz. Como pode ser visto, a perda dielétrica é determinada diretamente pela constante dielétrica e pela tangente de perda do material. Portanto, podemos usar um material com menor tan(δ) e εr para limitar ⍺d tanto quanto possível. Três opções de materiais recomendadas para transceptores de Gbps muito altos são Nelco 4000-13EPSI, Rogers 4350B e Panasonic Megtron 6. A Figura 1 abaixo compara a tangente de perda desses materiais com alguns outros materiais comuns.

Para entender melhor como o uso de um material com baixo Dk nos permite reduzir a espessura da placa, considere o stripline mostrado na Figura 2.

A aproximação mais popular para a impedância característica de um stripline, recomendada pelo IPC, é:

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0,8w+t} \big )\]

onde:

Para um Z0 fixo e largura de traço w, se usarmos um material com εr maior, então teremos que aumentar o espaçamento entre os planos. Em outras palavras, um εr maior pode aumentar a espessura total da placa. Em uma placa de alta densidade com muitas camadas de sinal, isso pode aumentar significativamente a espessura da placa. Uma placa mais espessa significa que seu projeto precisa de vias com proporção de aspecto maior. A proporção de aspecto de uma via é o seu comprimento dividido pelo seu diâmetro.

Por exemplo, se você tiver uma placa com espessura de 0,2” e diâmetro de broca de 0,02”, a proporção será de 10:1. Qual é a dificuldade de ter uma proporção grande? Lembre-se que para fornecer conectividade elétrica, o interior da via precisa ser coberto com cobre por meio de uma solução de revestimento. A Figura 3 mostra a seção transversal de um furo revestido com proporção de 15:1.

A maioria dos fabricantes de PCB tem a capacidade de criar vias com proporções variando entre 6:1 e 8:1. Com proporções mais altas, o revestimento torna-se cada vez mais difícil porque as porções internas do cilindro da via podem ter um revestimento de cobre mais fino. Isto pode até tornar o centro da via mais sujeito a fissuras sob tensões térmicas. Portanto, com proporções maiores, você pode ter que usar técnicas de fabricação de PCB mais caras e ter preocupações com a confiabilidade de sua placa final. A escolha de um material com menor Dk pode aliviar um pouco esses problemas.

A constante dielétrica de um material PCB é uma função da frequência. A Figura 4 abaixo mostra a dependência da frequência da constante dielétrica de alguns laminados de PCB comuns.

Quais são as consequências das variações Dk? A constante dielétrica afeta dois parâmetros importantes: a impedância característica e a velocidade da onda. A velocidade de propagação de um sinal através de uma linha de transmissão é dada por:

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

onde c é a velocidade da luz no vácuo.

Devido às variações de Dk, diferentes componentes de frequência do sinal podem experimentar velocidades de sinal ligeiramente diferentes, levando à dispersão do sinal. Além disso, à medida que Dk diminui com a frequência, a impedância característica da linha aumenta (Equação 2). Conseqüentemente, isso degrada as reflexões do sinal em frequências mais altas. Portanto, é desejável usar materiais que tenham uma resposta Dk versus frequência mais plana na faixa de frequência de interesse.

A Figura 4 mostra que a resposta Dk versus frequência da família de materiais FR4 exibe uma variação relativamente maior. É por isso que é recomendado evitar este tipo de material em aplicações de alta velocidade/alta frequência (outra razão para isso é a alta perda dielétrica da família FR4 de laminados de PCB). Observe que, infelizmente, a maioria dos fabricantes especifica os valores Dk apenas em algumas frequências específicas.