PCBs de Alta Frequência

PCB de alta frequência é um tipo de PCB que utiliza substratos dedicados com baixa constante dielétrica (Dk) e baixa perda dielétrica (Df), como PTFE e série Rogers. Requer controle rigoroso de impedância e roteamento otimizado para reduzir parâmetros parasitas. É especificamente projetado para cenários de transmissão de sinais de alta frequência variando de 300 MHz a 3 GHz. Placas de circuito impresso de alta precisão amplamente compatíveis com equipamentos em áreas como comunicação, indústria militar, médica cuidados e eletrônicos de consumo.

Características das PCBs de alta frequência

As características dos circuitos de comunicação de alta frequência são projetadas com base nos três requisitos principais de baixa perda, alta estabilidade e imunidade a interferências na transmissão de sinais de alta frequência variando de 300 MHz a 3 GHz. Cada característica corresponde a seleções específicas de materiais, padrões de processo e valores de aplicação. A seguir está uma análise detalhada:

A característica de baixa perda do substrato

Quando sinais de alta frequência são transmitidos, ocorre perda de energia devido às propriedades dielétricas do substrato. Essa é a diferença principal entre circuitos de alta frequência e PCBs comuns.
Parâmetros Chave

· Baixa constante dielétrica (Dk): A constante dielétrica determina a velocidade de transmissão do sinal. Quanto menor o valor de Dk, maior a velocidade de transmissão do sinal e menor o atraso do sinal. O valor de Dk dos substratos de PCB de alta frequência

é geralmente estável entre 2,2 e 4,5 (o Dk dos substratos FR-4 comuns é aproximadamente 4,6 a 4,8), sendo necessário garantir a estabilidade do Dk sob diferentes temperaturas e frequências para evitar distorção do sinal.

· Baixo ângulo de perda dielétrica (Df): O valor de Df reflete diretamente a perda de energia do sinal no substrato. Quanto menor o Df, menor a perda. O valor de Df dos substratos de PCB de alta frequência é geralmente inferior a 0,002 (o Df do

fR-4 comum é cerca de 0,02), o que pode reduzir efetivamente a atenuação do sinal e é especialmente adequado para transmissão de sinais de longa distância e alta frequência.

Substrato típico

· PTFE (Politetrafluoretileno): Dk≈2,1, Df≈0,0009, resistência a altas temperaturas (acima de 260 °C), alta estabilidade química, sendo a primeira opção para aplicações exigentes, como na indústria militar e comunicação por satélite.

· Série Rogers (como RO4350B): Dk≈3,48, Df≈0,0037, com excelente estabilidade de impedância, adequada para estações base 5G e módulos RF.

· Placa de resina epóxi de alta frequência: Custo mais baixo, Dk≈3,5-4,0, atendendo aos requisitos básicos de componentes RF em eletrônicos de consumo.

Características de controle de impedância de alta precisão

Sinais de alta frequência são extremamente sensíveis a variações de impedância. A falta de casamento de impedância pode causar reflexão do sinal, ondas estacionárias e distorção, afetando diretamente o desempenho dos equipamentos.

· Normas de controle de impedância: Os valores de impedância mais comuns em PCBs de alta frequência são 50 Ω (para transmissão RF/micro-ondas) e 75 Ω (para transmissão de vídeo/cabo coaxial). A tolerância de impedância deve ser controlada

dentro de ±3% a ±5% (a tolerância de impedância para PCBS comuns é geralmente ±10%).

· Método de implementação: Por meio do projeto preciso de quatro parâmetros principais – largura da trilha, espaçamento entre trilhas, espessura do substrato e espessura da folha de cobre – e verificação com software de simulação eletromagnética (como ADS, HFSS),

garante-se a consistência de impedância. Por exemplo, o valor de impedância de uma estrutura de linha microfita é diretamente proporcional à largura da trilha e inversamente proporcional à espessura do substrato. É necessário ajustá-lo repetidamente para

atingir o valor alvo.

Baixos parâmetros parasitas e características antiperturbação

Em circuitos de alta frequência, a capacitância e indutância parasitas dos fios podem criar fontes adicionais de interferência, levando a crosstalk de sinal ou radiação eletromagnética (EMI). Portanto, os PCBS de alta frequência precisam ser projetados

e otimizados para reduzir os efeitos parasitas.

Projeto com baixos parâmetros parasitas

Encurtar o comprimento do fio, reduzir o roteamento indireto e diminuir a indutância parasita;

Aumentar o espaçamento entre as linhas de sinal ou usar faixas de isolamento com aterramento para reduzir a capacitância parasita;

São adotadas estruturas especiais de linhas de transmissão, como linhas microstrip e linhas de fita, para reduzir o acoplamento eletromagnético entre sinais e o ambiente externo.

Capacidade anti-interferência eletromagnética (EMI)

Aumentar o número de camadas de aterramento para formar uma "cavidade de blindagem" e bloquear interferências eletromagnéticas externas;

Realizar blindagem local em componentes sensíveis (como chips RF) para reduzir a radiação de sinais internos;

Otimizar o layout da alimentação e do aterramento para reduzir o impacto do ruído da alimentação sobre sinais de alta frequência.

Excelentes características de adaptabilidade física e ambiental

Os cenários de aplicação de PCBS de alta frequência estão principalmente em áreas com requisitos ambientais rigorosos, como controle industrial, cuidados médicos e indústria militar. Portanto, o material básico e o processo precisam atender

requisitos adicionais de desempenho físico

· Resistência a altas temperaturas: Alguns materiais básicos (como PTFE, Rogers) suportam temperaturas acima de 260 °C, atendendo aos requisitos de processamento de soldagem por refluxo e soldagem por onda, além de serem adequados

para a operação prolongada de equipamentos em ambientes de alta temperatura.

· Resistência química: O material básico deve apresentar características de resistência a ácidos e álcalis e resistência à umidade, para evitar a delaminação do material básico e a oxidação da folha de cobre em ambientes agressivos.

· Estabilidade mecânica: A folha de cobre possui uma forte força de adesão com o substrato, tornando menos provável a deformação ou empenamento, garantindo a confiabilidade do equipamento em condições de vibração e choque.

Características de alta precisão de fabricação

A precisão da tecnologia de processamento de PCBs de alta frequência é muito maior do que a dos PCBs comuns. Os requisitos principais do processo incluem:

· Largura/espaçamento finos de trilhas: Pode alcançar larguras e espaçamentos de 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) ou até menores, atendendo aos requisitos de fiação de circuitos de alta densidade e alta frequência.

· Perfuração precisa: O diâmetro mínimo do furo pode chegar a 0,1 mm, e a tolerância da posição do furo é controlada dentro de ±0,01 mm, evitando alterações de impedância causadas por desvios na posição dos furos.

· Tratamento superficial: São amplamente adotados processos de douração e prateação para reduzir a perda de sinal na superfície do condutor (o efeito pelicular faz com que sinais de alta frequência se concentrem na superfície do condutor, e um tratamento superficial liso

pode reduzir essa perda).

Substrato do núcleo

O substrato é a base dos PCBs de alta frequência e afeta diretamente a perda e a estabilidade na transmissão de sinais. Os tipos e parâmetros mais comuns são os seguintes:

Material de folha de cobre

Sinais de alta frequência possuem um efeito pelicular (os sinais concentram-se na superfície do condutor para transmissão), portanto, a seleção da folha de cobre deve levar em conta tanto a eficiência de condução quanto a planicidade da superfície:

Folha de cobre eletrolítico: Baixo custo, rugosidade superficial moderada, adequada para a maioria dos cenários de PCB de alta frequência;

Folha de cobre laminado: Superfície mais lisa, menor perda por efeito pelicular, adequada para equipamentos de rádio frequência de alta frequência e alta sensibilidade;

Espessura da folha de cobre: As mais comuns são 1 onça (35μm) ou ½ onça (17,5μm). Folhas mais finas reduzem a indutância parasita e são mais adequadas para fiação de alta densidade e alta frequência.

Materiais de tratamento superficial

O tratamento superficial de PCBs de alta frequência precisa reduzir a resistência de contato, prevenir a oxidação da folha de cobre e evitar afetar a transmissão de sinais de alta frequência

· Revestimento de ouro (ENIG): Superfície lisa, alta resistência à oxidação, baixa resistência de contato, pequeno impacto na perda de sinal de alta frequência, adequado para interfaces RF de alta precisão.

· Revestimento de prata: Possui melhor condutividade elétrica do que o revestimento de ouro e menor perda, mas é propenso à oxidação e precisa ser combinado com um revestimento anti-oxidação. É adequado para circuitos de micro-ondas de alta frequência.

· Máscara de solda orgânica (OSP): Tem baixo custo e processo simples, mas sua resistência a altas temperaturas é mediana. É adequado para PCBs de alta frequência em eletrônicos de consumo sensíveis ao custo.

O núcleo do projeto de PCB de alta frequência é garantir a integridade, baixa perda e desempenho anti-interferência de sinais na faixa de 300 MHz a 3 GHz. É necessário controlar rigorosamente múltiplas dimensões, como seleção do substrato, controle de impedância, layout de roteamento e blindagem de terra. As precauções específicas são as seguintes:

Seleção precisa de materiais básicos

Dê prioridade à escolha de substratos dedicados com baixo Dk (2,2-4,5) e baixo Df (< 0,002) (como PTFE, Rogers RO4350B), e evite usar substratos FR-4 comuns para prevenir atenuação excessiva de sinais de alta frequência.

É necessário confirmar a estabilidade do valor de Dk do substrato dentro da faixa de temperatura e frequência de operação para evitar deriva de impedância causada por mudanças ambientais.

O controle de impedância é rigoroso em todo o processo

A relação entre largura da trilha, espaçamento entre trilhas, espessura do substrato e impedância é calculada previamente por meio de software de simulação eletromagnética (como ADS, HFSS). As impedâncias alvo mais comuns são

50Ω (para transmissão RF) e 75Ω (para transmissão de vídeo).

A tolerância de impedância deve ser controlada dentro de ±3% a ±5%. Ao rotear, evite mudanças bruscas na largura da trilha e curvas em ângulo reto para prevenir reflexão de sinal causada por descontinuidade de impedância.

As linhas de sinal de alta frequência devem ser dispostas o máximo possível como linhas de microfita superficiais ou linhas de fita internas para reduzir as flutuações de impedância causadas por meios não uniformes.

Otimizar os parâmetros parasitas para o layout de roteamento

Encurtar o comprimento das trilhas de alta frequência: Evitar circuitos longos, reduzir a indutância parasita e minimizar atrasos e radiação do sinal.

Aumentar o espaçamento entre linhas de sinal: O espaçamento entre linhas de alta frequência deve ser ≥3 vezes a largura da linha, ou deve ser utilizada uma faixa de isolamento com terra para reduzir a capacitância parasita e a interferência entre sinais.

Evitar linhas paralelas e cruzadas: O roteamento paralelo é propenso a interferência por acoplamento. O cruzamento de rotas precisa ser isolado por meio de uma camada de terra ou deve-se adotar um método de cruzamento vertical.

Disposição de componentes próximos: Dispositivos de alta frequência, como chips RF, antenas e conectores, devem ser dispostos próximos uns dos outros para reduzir o comprimento dos caminhos de alta frequência.

O design de aterramento e blindagem melhora a capacidade antiinterferência

Para placas multicamada, é aconselhável priorizar o design de camadas completas de terra: a camada de terra pode servir como caminho de retorno do sinal, reduzindo a impedância do laço e simultaneamente blindando a interferência de sinal entre camadas.

Placas de camada única devem ser revestidas em uma grande área para reduzir a resistência de aterramento.

Blindagem local de componentes sensíveis: Para componentes principais como amplificadores RF e osciladores, podem ser projetadas tampas metálicas de blindagem para bloquear interferências eletromagnéticas (EMI) externas e radiações de sinal internas.

Isolamento entre terra digital e terra de alta frequência: O terra do sinal de alta frequência e o terra do circuito digital precisam ser conectados em um único ponto para evitar que ruídos digitais se acoplem ao caminho do sinal de alta frequência.

O design da alimentação e do filtro reduz o ruído

Circuitos de alta frequência são sensíveis ao ruído da fonte de alimentação. Portanto, capacitores de filtro de alta frequência (como capacitores cerâmicos de 0,1μF + capacitores de tântalo de 10μF) devem ser conectados em paralelo na extremidade de entrada da fonte de alimentação e

ao lado dos pinos de alimentação do chip para filtrar o ruído de alta frequência na fonte de alimentação.

O roteamento da alimentação deve ser curto e largo para reduzir a impedância dos fios e evitar o acoplamento de ruído da alimentação com sinais de alta frequência.

O processo de fabricação é compatível com o tratamento superficial

Selecione uma tecnologia de processamento que suporte linhas finas/espaçamento entre linhas (3mil/3mil e abaixo) e perfuração precisa (tolerância do diâmetro do furo ±0,01mm) para atender aos requisitos de precisão de PCBs de alta frequência.

Para tratamento de superfície, são preferidos os banhos de ouro e prata: A superfície do banho de ouro é lisa e possui baixa resistência de contato. O banho de prata apresenta boa condutividade elétrica e baixa perda por efeito pelicular, tornando-o adequado para aplicações de alta

frequência. Evite usar processos OSP com más propriedades antioxidantes na região central de alta frequência.

O projeto térmico é adaptado aos requisitos de alta temperatura

Alguns substratos de alta frequência (como PTFE) possuem baixa condutividade térmica. Portanto, é necessário projetar racionalmente o caminho de dissipação de calor ou utilizar juntas térmicas condutivas para evitar a deformação do substrato e

a degradação de desempenho causada pelo calor gerado por dispositivos de alta potência.

Baixa atenuação de sinal garante a qualidade de transmissão

Ao utilizar substratos dedicados com baixa constante dielétrica (Dk) e baixa perda dielétrica (Df), como os das séries PTFE e Rogers, a perda de energia de sinais de alta frequência na faixa de 300 MHz a 3 GHz durante a transmissão pode ser efetivamente

reduzida, a distorção do sinal pode ser evitada, e as exigências para comunicação e transmissão de dados em longas distâncias e alta frequência podem ser atendidas.

O controle de impedância de alta precisão melhora a integridade do sinal

Ao projetar com precisão a largura da trilha, o espaçamento entre trilhas e a espessura do substrato, a tolerância de impedância é controlada dentro de ±3% a ±5%, alcançando o casamento estável de impedâncias padrão como 50Ω/75Ω, evitando reflexão do sinal

e fenômenos de onda estacionária, garantindo o funcionamento confiável de circuitos de alta frequência como RF e micro-ondas.

Alta imunidade a interferências, adequado para ambientes eletromagnéticos complexos

A estrutura de fiação otimizada (como linhas microstrip e linhas de fita) e o design de aterramento multicamada podem reduzir a capacitância e indutância parasitas, bem como diafonia de sinal e radiação eletromagnética (EMI). Em combinação

com blindagem metálica local, pode resistir à interferência eletromagnética externa e é adequado para cenários com requisitos elevados de compatibilidade eletromagnética, como equipamentos de controle industrial e instrumentos médicos.

Excelente adaptabilidade ambiental, atendendo a condições de trabalho severas

O substrato de alta frequência dedicado apresenta resistência a altas temperaturas (acima de 260 °C), resistência à corrosão química e à umidade. Combinado com um processo estável de ligação da folha de cobre, pode manter desempenho estável

em ambientes adversos, como vibração e ciclos de alta e baixa temperatura, atendendo aos requisitos de operação prolongada de padrão automotivo e militar

equipamentos.

Suporte à alta integração facilita o design miniaturizado

Suporta o processamento de linhas finas e espaçamentos de 3mil/3mil e abaixo, bem como pequenos diâmetros de furos. Pode alcançar fiação de alta densidade, atendendo aos requisitos de projeto de produtos miniaturizados e altamente integrados, como módulos RF

e componentes de estações base 5G, além de economizar espaço no equipamento.