PCBs de Alta Frequência

O que é uma placa de circuito 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 das PCBs 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 PCBs 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 (Politetrafluoroetileno): 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, adequado 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 comumente utilizados para PCBs de alta frequência são 50Ω e 75Ω. A tolerância de impedância deve ser controlada dentro de ±3% a ±5%.

· Método de implementação: Ao projetar com precisão quatro parâmetros principais — largura da trilha, espaçamento entre trilhas, espessura do substrato e espessura da folha de cobre — e verificá-los com software de simulação eletromagnética, 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 dos fios, reduzir rotas sinuosas e diminuir a indutância parasita;

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

· Adotar estruturas especiais de linha de transmissão, como linhas microstrip e linhas de fita, para reduzir o acoplamento eletromagnético entre os 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 para reduzir a radiação de sinal interna;

· Otimizar o layout de alimentação e aterramento para reduzir o impacto do ruído da alimentação em 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 suportam temperaturas acima de 260 °C, atendendo aos requisitos de processamento da soldagem por refluxo e soldagem por onda, e ao mesmo tempo sendo adequados para para a operação prolongada de equipamentos em ambientes de alta temperatura.

· Resistência a Químicos: O material básico deve possuir características de resistência a ácidos, álcalis e umidade, para evitar a delaminação do substrato e a oxidação da folha de cobre em ambientes adversos.

· Estabilidade mecânica: A folha de cobre tem uma forte força de aderência com o substrato, tornando menos provável empenar ou deformar, garantindo a confiabilidade do equipamento sob 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 de linha/espaçamento fino: Pode alcançar larguras de linha e espaçamentos de 3mil/3mil (0,076 mm/0,076 mm) ou ainda mais finos, atendendo aos requisitos de fiação de circuitos de alta densidade e alta frequência.

· Perfuração precisa: O diâmetro mínimo do furo pode atingir 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 do furo.

· Tratamento de superfície: São amplamente adotados processos de galvanização com ouro e prata para reduzir a perda de sinal na superfície do condutor .

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

Os sinais de alta frequência apresentam efeito pelicular, 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, adequado para a maioria dos cenários de PCB de alta frequência;

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

· Espessura da folha de cobre: Comumente utilizadas são 1oz (35μm) ou ½oz (17,5μm). Uma folha de cobre mais fina pode reduzir a indutância parasita e é mais adequada 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.

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.