PCBs de Alta Frecuencia

¿Qué es una placa de circuito de alta frecuencia?

Una PCB de alta frecuencia es un tipo de placa de circuito impreso que utiliza sustratos especializados con constante dieléctrica baja (Dk) y pérdida dieléctrica baja (Df), como los series PTFE y Rogers. Requiere un control estricto de impedancia y un enrutamiento optimizado para reducir los parámetros parásitos. Está específicamente diseñada para escenarios de transmisión de señales de alta frecuencia que van desde 300 MHz hasta 3 GHz. Tarjetas de circuito impreso de alta precisión ampliamente compatibles con equipos en áreas como comunicaciones, industria militar, médica atención y electrónica de consumo.

Características de los PCB de alta frecuencia

Las características de los circuitos de comunicación de alta frecuencia están diseñadas en torno a los tres requisitos principales de baja pérdida, alta estabilidad y resistencia a interferencias en la transmisión de señales de alta frecuencia que van desde 300 MHz hasta 3 GHz. Cada característica corresponde a una selección específica de materiales, estándares de proceso y valores de aplicación. A continuación se muestra un desglose detallado:

La característica de baja pérdida del sustrato

Cuando se transmiten señales de alta frecuencia, se produce una pérdida de energía debido a las propiedades dieléctricas del sustrato. Esta es la diferencia principal entre los circuitos de alta frecuencia y los PCB convencionales.

Parámetros clave

· Baja constante dieléctrica (Dk): La constante dieléctrica determina la velocidad de transmisión de la señal. Cuanto menor sea el valor de Dk, mayor será la velocidad de transmisión de la señal y menor será el retardo de la señal. El valor de Dk de los PCB de alta frecuencia sustratos generalmente es estable entre 2,2 y 4,5 (el Dk de los sustratos FR-4 comunes es aproximadamente de 4,6 a 4,8), y es necesario garantizar la estabilidad del Dk bajo diferentes temperaturas y frecuencias para evitar la distorsión de la señal.

· Baja tangente de pérdida dieléctrica (Df): El valor de Df refleja directamente la pérdida de energía de la señal en el sustrato. Cuanto menor sea el valor de Df, menor será la pérdida. El valor de Df de los sustratos de PCB de alta frecuencia es generalmente inferior a 0.002 (el Df de fR-4 ordinario es de aproximadamente 0,02), lo que puede reducir eficazmente la atenuación de la señal y es especialmente adecuado para la transmisión de señales a larga distancia y de alta frecuencia.

Sustrato típico

· PTFE (Politetrafluoroetileno): Dk≈2.1, Df≈0.0009, resistencia a altas temperaturas (superior a 260℃), alta estabilidad química, es la primera opción para escenarios de alta exigencia como la industria militar y la comunicación satelital.

· Serie Rogers (por ejemplo RO4350B): Dk≈3.48, Df≈0.0037, con excelente estabilidad de impedancia, adecuado para estaciones base 5G y módulos de RF.

· Tablero de resina epoxi de alta frecuencia: Costo más bajo, Dk≈3.5-4.0, cumple con los requisitos básicos de componentes RF en electrónica de consumo.

Características de control de impedancia de alta precisión

Las señales de alta frecuencia son extremadamente sensibles a los cambios de impedancia. Una mala adaptación de impedancia puede provocar reflexión de señal, ondas estacionarias y distorsión, afectando directamente el rendimiento del equipo.

· Normas de control de impedancia: Los valores de impedancia comúnmente utilizados en PCB de alta frecuencia son 50Ω y 75Ω. La tolerancia de impedancia debe controlarse dentro del ±3% al ±5%.

· Método de implementación: Mediante el diseño preciso de cuatro parámetros clave: ancho de línea, espaciado entre líneas, grosor del sustrato y grosor de la lámina de cobre, y verificándolos con software de simulación electromagnética, se garantiza la consistencia de la impedancia. Por ejemplo, el valor de impedancia de una estructura de microstrip es directamente proporcional al ancho de la línea e inversamente proporcional al grosor del sustrato. Debe ajustarse repetidamente para alcanzar el valor objetivo.

Bajos parámetros parásitos y características antiinterferencias

En circuitos de alta frecuencia, la capacitancia y la inductancia parásitas de los conductores pueden crear fuentes adicionales de interferencia, provocando diafonía de señal o radiación electromagnética (EMI). Por lo tanto, los PCBs de alta frecuencia deben diseñarse y optimizarse para reducir los efectos parásitos.

Diseño de bajos parámetros parásitos

· Acortar la longitud de los conductores, reducir el enrutamiento innecesario y disminuir la inductancia parásita;

· Aumentar el espaciado entre las líneas de señal o utilizar bandas de aislamiento a tierra para reducir la capacitancia parásita;

· Adoptar estructuras especiales de líneas de transmisión, como líneas microstrip y líneas de cinta, para reducir el acoplamiento electromagnético entre las señales y el entorno exterior;

Capacidad antiinterferencias electromagnéticas (EMI)

· Aumentar el número de capas de tierra para formar una "cavidad de apantallamiento" y bloquear las interferencias electromagnéticas externas;

· Realizar un blindaje local en componentes sensibles para reducir la radiación de señales internas;

· Optimizar la disposición de la alimentación y el conexionado a tierra para reducir el impacto del ruido de alimentación en las señales de alta frecuencia.

Excelentes características de adaptabilidad física y ambiental

Los escenarios de aplicación de los PCB de alta frecuencia se encuentran principalmente en campos con requisitos ambientales estrictos, como el control industrial, la atención médica y la industria militar. Por lo tanto, el material base y el proceso deben cumplir con requisitos adicionales de rendimiento físico

· Resistencia a altas temperaturas: Algunos materiales base pueden soportar temperaturas superiores a 260 °C, cumpliendo así los requisitos de procesamiento del soldado por reflujo y soldadura por ola, y siendo al mismo tiempo adecuados para el funcionamiento prolongado de equipos en entornos de alta temperatura.

· Resistencia a los Químicos: El material base debe tener características de resistencia a ácidos, álcalis y humedad para evitar la deslaminación del sustrato y la oxidación de la lámina de cobre en entornos adversos.

· Estabilidad mecánica: La lámina de cobre tiene una fuerte fuerza de adherencia con el sustrato, lo que hace que sea menos propensa a deformarse o torcerse, garantizando la confiabilidad del equipo bajo condiciones de vibración y choque.

Características de alta precisión de fabricación

La precisión de la tecnología de procesamiento de PCBs de alta frecuencia es mucho mayor que la de los PCBs ordinarios. Los requisitos clave del proceso incluyen:

· Ancho de línea/espaciado fino: Puede lograr anchos y espaciados de línea de 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) o incluso más finos, satisfaciendo los requisitos de conexión de circuitos de alta densidad y alta frecuencia.

· Perforación precisa: El diámetro mínimo del orificio puede alcanzar 0,1 mm, y la tolerancia de posición del orificio se controla dentro de ±0,01 mm, evitando cambios de impedancia causados por desviaciones en la posición del orificio.

· Tratamiento superficial: Se emplean principalmente procesos de galvanizado con oro y plata para reducir la pérdida de señal en la superficie del conductor .

Substrato central

El substrato es la base de los PCB de alta frecuencia y afecta directamente la pérdida y estabilidad en la transmisión de señales. Los tipos y parámetros principales son los siguientes:

Material de lámina de cobre

Las señales de alta frecuencia presentan un efecto pelicular, por lo que la selección de la lámina de cobre debe tener en cuenta tanto la eficiencia de conducción como la planicidad superficial:

· Lámina de cobre electrolítico: Bajo costo, rugosidad superficial moderada, adecuado para la mayoría de escenarios de PCB de alta frecuencia;

· Lámina de cobre laminado: Superficie más suave, menor pérdida por efecto de la piel, adecuada para equipos de radiofrecuencia de alta frecuencia y alta sensibilidad;

· Espesor de la lámina de cobre: Comúnmente se usan 1 onza (35μm) o ½ onza (17.5μm). Una lámina de cobre delgada puede reducir la inductancia parásita y es más adecuada para cableado de alta densidad y alta frecuencia.

Materiales para tratamiento superficial

El tratamiento superficial de los PCB de alta frecuencia debe reducir la resistencia de contacto, prevenir la oxidación del cobre y evitar afectar la transmisión de las señales de alta frecuencia

· Chapado en oro (ENIG): Superficie lisa, fuerte resistencia a la oxidación, baja resistencia de contacto, poco impacto en la pérdida de señal de alta frecuencia, adecuado para interfaces RF de alta precisión.

· Chapado en plata: Tiene una mejor conductividad eléctrica que el chapado en oro y menor pérdida, pero es propenso a la oxidación y necesita combinarse con un recubrimiento antioxidante. Es adecuado para circuitos de microondas de alta frecuencia.

· Máscara de soldadura orgánica (OSP): Tiene bajo costo y proceso sencillo, pero su resistencia a altas temperaturas es media. Es adecuado para PCBs de alta frecuencia en electrónica de consumo sensible al costo.

La baja atenuación de señal garantiza la calidad de transmisión

Al utilizar sustratos especializados con baja constante dieléctrica (Dk) y baja pérdida dieléctrica (Df), como los de la serie PTFE y Rogers, se puede reducir eficazmente la pérdida de energía de las señales de alta frecuencia que oscilan entre 300 MHz y 3 GHz durante la transmisión se puede evitar la distorsión de la señal, y se pueden satisfacer los requisitos para comunicaciones y transmisiones de datos a larga distancia y alta frecuencia.

El control de impedancia de alta precisión mejora la integridad de la señal

Al diseñar con precisión el ancho de línea, el espaciado entre líneas y el grosor del sustrato, la tolerancia de impedancia se controla dentro de ±3% a ±5%, logrando un acoplamiento estable de impedancias estándar como 50Ω/75Ω, evitando la reflexión de la señal y los fenómenos de onda estacionaria, y garantizando el funcionamiento confiable de circuitos de alta frecuencia como RF y microondas.

Fuerte capacidad antiinterferencias, adecuado para entornos electromagnéticos complejos

La estructura de cableado optimizada (como líneas microstrip y líneas de cinta) y el diseño de conexión a tierra multicapa pueden reducir la capacitancia e inductancia parásita, así como la diafonía de señales y la radiación electromagnética (EMI). En combinación con apantallamiento metálico local, puede resistir interferencias electromagnéticas externas y es adecuado para escenarios con altos requisitos de compatibilidad electromagnética, como equipos de control industrial e instrumentos médicos.

Excelente adaptabilidad ambiental, cumpliendo condiciones de trabajo severas

El sustrato de alta frecuencia dedicado presenta resistencia a altas temperaturas (superior a 260 ℃), resistencia a la corrosión química y resistencia a la humedad. Combinado con un proceso estable de unión de láminas de cobre, puede mantener un rendimiento estable en entornos adversos como vibraciones y ciclos de altas y bajas temperaturas, cumpliendo los requisitos de funcionamiento prolongado de calidad automotriz y militar equipos.

Soporte de alta integración que facilita el diseño miniaturizado

Soporta el procesamiento de anchos y espaciados de líneas finas de 3 mil/3 mil y menores, así como diámetros de orificios pequeños. Puede lograr un cableado de alta densidad, cumpliendo con los requisitos de diseño de productos miniaturizados y altamente integrados, como módulos RF y componentes para estaciones base 5G, ahorrando espacio en el equipo.