Limitações dos materiais FR4 em PCBs de alta frequência
Apesar das muitas vantagens dos materiais FR4, seu desempenho em aplicações de alta frequência é insatisfatório, como evidenciado pelo seguinte:
Estabilidade constante dielétrica insuficiente
Sob condições de alta frequência, a constante dielétrica (DK) de FR4 flutua com frequência, o que pode resultar em transmissão de sinal atrasada ou distorcida.
Maior perda dielétrica
A tangente angular de perda dielétrica (DF) do material FR4 é relativamente grande e os sinais de alta frequência perdem mais durante a transmissão, o que não é adequado para a transmissão de sinal de alta velocidade de alta largura de banda e baixa perda.
Baixa condutividade térmica
Os circuitos de alta frequência geralmente são acompanhados por densidades de alta potência, e a condutividade térmica do FR4 não é suficiente para dissipar o calor com rapidez suficiente, o que pode levar à falha térmica.
Limitações de integridade do sinal
Devido às limitações das propriedades elétricas dos materiais FR4, problemas como reflexão de sinal e diafonia são mais proeminentes em ambientes de alta frequência.
Estratégias para otimizar o design de PCB de alta frequência FR4
Para fazer pleno uso das vantagens do material FR4 em aplicações de alta frequência, evitando suas limitações, as seguintes estratégias para referência:
Design razoável da estrutura laminada
Através da otimização do projeto de empilhamento de PCB, reduza a área do laço do sinal, reduza a interferência eletromagnética, aumente a integridade do sinal.
Selecione materiais variantes FR4 de baixa perda.
Existem alguns materiais FR4 aprimorados no mercado com menor tangente dielétrica de constante e ângulo de perda, que são mais adequados aos requisitos de alta frequência.
Controle preciso da impedância de alinhamento
Sinais de alta frequência requerem correspondência de alta impedância, e melhor controle de impedância pode ser alcançado ajustando a largura do alinhamento, o espaçamento e a espessura dielétrica.
Uso de escudos e camadas de terra
A introdução de camadas de blindagem e aterramento em design de PCB de alta frequência pode efetivamente suprimir a interferência irradiada e melhorar a compatibilidade eletromagnética.
Otimização de simulação de sinal
Nos estágios iniciais do design, através da análise de simulação de integridade do sinal, para encontrar possíveis problemas com antecedência, para reduzir o retrabalho posteriormente.
Seleção de material alternativo FR4
Em alguns cenários extremos de alta frequência, o FR4 pode não ser capaz de atender à demanda, você pode considerar os seguintes materiais alternativos:
Rogers Material
O material Rogers possui uma tangente dielétrica e ângulo de perda menor, adequado para aplicações de alta frequência e microondas, mas o custo é maior.
Substratos de cerâmica
Os materiais cerâmicos têm alta condutividade térmica e propriedades elétricas superiores, tornando -as ideais para aplicações de alta frequência e alta potência.
PTFE (Politetrafluoroetileno) Materiais
Os materiais PTFE têm excelentes propriedades dielétricas e são particularmente adequadas para circuitos de RF e microondas.
Aplicações práticas de PCBs FR4 de alta frequência
Apesar de certas limitações, o material FR4 ainda é amplamente utilizado nas seguintes aplicações de alta frequência:
Módulos de comunicação sem fio: Adequado para equipamentos de comunicação sem fio de baixo custo, como módulos Wi-Fi, módulos Bluetooth.
Equipamento de identificação de radiofrequência (RFID): usado em sistemas RFID de média frequência ou baixa frequência.
Sistemas eletrônicos automotivos: FR4 ainda é o material principal em alguns radares de carro e sensores.
Conclusão
O material FR4 ainda é um dos materiais usados em PCB de alta frequência devido à sua economia superior e desempenho abrangente. No entanto, diante das necessidades exigentes de aplicações de alta frequência, os designers precisam levar em consideração suas características elétricas, desempenho térmico e restrições de custo e garantir o desempenho e a confiabilidade dos circuitos de alta frequência, otimizando o projeto ou selecionando materiais alternativos . No futuro, com o avanço da tecnologia do material e do processo de fabricação, espera-se que o desempenho do FR4 seja melhorado para atender melhor à crescente demanda por eletrônicos de alta frequência.