Articolo di: Guglielmo Martinelli , Chief Commercial Officer, Tecnometal srl
Trezzano Rosa (MI) Gennaio 2022
I PCB ad alta frequenza sono sempre più importanti nella produzione di Apparecchiature Elettroniche, in particolare nelle applicazioni ad alte prestazioni.
Con la crescente complessità dell'elettronica e le necessità di velocità di trasmissione del segnale più elevate, crescerà sempre di più l’importanza dei PCB ad elevata frequenza che diverranno essenziali nello sviluppo di applicazioni ad alte prestazioni.
Vediamo di seguito alcuni importanti aspetti di questo vasto argomento.
Requisiti del PCB
I PCB ad alta frequenza devono essere in grado di sostenere trasmissioni con perdite di segnale minime e garantire un'elevata velocità del flusso del segnale.
Minore è la perdita e meglio è.
La perdita varia in funzione della frequenza, più alta è la frequenza maggiore è la perdita
Il motivo per cui si manifesta la perdita di segnale ed aumenta con l’incremento della frequenza è che il cambiamento di campo elettromagnetico (RF) fa vibrare le molecole nel dielettrico e più velocemente vibrano, maggiore sarà la perdita.
Propietà
Le principali proprietà che devono soddisfare questi tipi di PCB sono:
-Basso fattore di dissipazione (Df)
il fattore di dissipazione dei PCB ad alta frequenza varia tra 0,0019 e 0,025. Ciò garantisce integrità di trasmissione del segnale ed una minima perdita.
-Bassa costante dielettrica (Dk)
con una costante dielettrica bassa e stabile, i PCB garantiscono una trasmissione di frequenza regolare ed un ritardo del segnale minimo.
-Basso assorbimento di umidità
con un basso tasso di assorbimento di umidità, questi PCB sono adatti per resistere e prevenire gli effetti negativi tipici dell’umidità.
Per una corretta scelta del PCB i progettisti devono valutare attentamente diversi aspetti, in particolare:
Calcolo della frequenza del segnale PCB
Stack-Up del PCB e Glass-Style
Isolamento adeguato ad evitare interferenze
Introduzioni di piani di alimentazione e di massa
Misure di prevenzione delle interferenze tra i segnali.
Valutazione del laminato più idoneo
Di grande importanza quest’ultimo aspetto per le tante soluzioni proposte dai fabbricanti di laminati in funzione delle possibili caratteristiche applicative.
I principali parametri da valutare per queste applicazioni sono :
Costante dielettrica (Dk) o Permittività relativa (Er)
è il comportamento di un dielettrico in presenza di un campo elettrico, quantifica la tendenza del materiale a contrastare l'intensità del campo elettrico ,varia a seconda della frequenza del segnale di cui vi è la necessità.
Il rapporto tra la permeabilità elettrica del materiale e la permeabilità elettrica dello spazio libero (vuoto) è la permeabilità relativa (Er).
I data sheet riportano la percentuale di contenuto di resina specifica (solitamente il 50%) del materiale.
La percentuale di resina effettiva nel dielettrico o nel prepreg varia in base alla loro composizione (glass style) e il Dk varierà in funzione di queste percentuali.
In definitiva la percentuale di rame e lo spessore del prepreg definiranno la costante dielettrica di un laminato.
L'Er per i laminati maggiormente utilizzati è normalmente compreso tra 3.0 e 4,5.
Per specifiche applicazioni ad elevate frequenze vengono utilizzati materiali con valori di Er più bassi.
Tangente di perdita (tanδ) o fattore di dissipazione (Df) (Loss tangent or Dissipation factor)
La tangente di perdita o fattore di perdita è la tangente dell'angolo di fase tra le correnti resistive e reattive nel dielettrico.
Questa caratteristica valuta la qualità dell’integrità del segnale del materiale, tipicamente per applicazioni ad alta frequenza.
In pratica misura di quanta energia in un segnale RF viene persa nel dielettrico del PCB Valori bassi di Df danno come risultato un substrato “veloce” mentre valori alti danno come risultato un substrato “lento”.
Per materiali ad alta frequenza con valori di Df molto bassi si ha una variazione molto bassa in frequenza
Signal Loss - Perdita di Segnale
La perdita di segnale complessiva è data dalla perdita di segnale del dielettrico più la perdita sul rame.
La perdita sul rame si verifica a causa della resistenza delle tracce (piste) in rame al flusso di corrente.
È detta anche skin-loss o effetto pelle perché si manifesta vicino alla superficie delle tracce in rame.
Tale perdita è dovuta fondamentalmente a 3 cause :
larghezza della pista in rame. Maggiore è la pista, minore la perdita
rugosità del rame
conducibilità del rame base
La perdita di segnale aumenta con l’aumentare della frequenza
Correlazione tra la Perdita di segnale e la frequenza operativa
Imagine Sourc e Photexpress
Quali materiali scegliere
La selezione dei materiali è una fase fondamentale per tutti i progetti di apparecchiature elettroniche
L'obiettivo è selezionare il materiale giusto sia per i processi di lavorazioni sia per le esigenze elettriche e di prestazione.
Categorie di materiali per PCB
Di seguito un breve riepilogo per orientarsi nella scelta del laminato di base per un PCB ad con applicazioni in frequenza
Bassa Velocità e perdita alta. La costante dielettrica (Dk) rispetto alla risposta in frequenza non è molto stabile, si hanno materiali con una perdita dielettrica maggiore, sono adatti per applicazioni fino a 2 GHz.
Velocità media e perdita media. I materiali a velocità media hanno una curva Dk più stabile ed una perdita dielettrica circa la metà di quella dei materiali a velocità normale. Questi sono adatti per applicazioni fino a 3- 4 GHz.
Alta velocità e bassa perdita: questi materiali hanno Dk più stabile, Inoltre generano meno rumore indesiderato. Questi materiali sono adatti per applicazioni fino a 20 GHz.
Velocità molto alta e perdita molto bassa: i materiali per applicazioni RF / microonde hanno la Dk più stabile rispetto alla risposta in frequenza e la minima perdita dielettrica. Sono adatti per applicazioni fino a 60 GHz.
PCB material categories Vs. loss tangent at 10GHz
Source Protoexpress
Per aiutare a determinare quale tipo di materiale si adatta meglio alle diverse esigenze, consigliamo di riferirsi ai diversi standard IPC sulla materia .
In particolare su quest’ argomento lo Standard IPC-4103B.
Tecnometal srl poi fornisce ai propri clienti un valido supporto tecnico per un’analisi ed una valutazione profilata dell’ applicazione
Articolo di Guglielmo Martinelli
CCO Tecnometal srl
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