I materiali Rogers si riferiscono in genere a una serie di laminati rivestiti in rame (CCL) ad alte prestazioni prodotti dalla Rogers Corporation, che comprendono principalmente le serie Rogers RO4000, RO3000 e RT/duroid. Questi materiali non sono sistemi epossidici in fibra di vetro convenzionali, ma sono invece progettati specificamente per applicazioni ad alta frequenza, utilizzando resine idrocarburiche, PTFE riempito con ceramica o sistemi di resina modificata come nucleo.
Rispetto all’FR-4, la caratteristica distintiva dei materiali Rogers risiede nella loro costante dielettrica (Dk) e nel loro fattore di perdita dielettrica (Df) altamente stabili, che presentano variazioni minime con la frequenza, la temperatura o i cambiamenti ambientali.
Vantaggi chiave delle prestazioni elettriche dei materiali Rogers
1.Costante dielettrica (Dk) stabile e controllabile
La costante dielettrica (Dk) è il parametro fondamentale che determina la velocità di propagazione e l’impedenza caratteristica delle onde elettromagnetiche all’interno di un mezzo. Nei circuiti digitali e RF ad alta velocità, qualsiasi fluttuazione della Dk causa direttamente disallineamenti di impedenza, errori di temporizzazione e problemi di integrità del segnale.
I materiali Rogers presentano tipicamente una distribuzione Dk stabile nell’intervallo 2,2-3,5, ottenendo una variazione minima da lotto a lotto grazie a un rigoroso controllo della formulazione e dei processi di produzione. A differenza dei materiali FR-4 convenzionali, che mostrano una significativa deriva Dk in presenza di variazioni di frequenza e ambientali, i materiali Rogers mantengono proprietà dielettriche altamente costanti su un’ampia banda di frequenza.
Questo comportamento stabile e prevedibile del Dk offre una maggiore certezza ai progettisti durante i calcoli di impedenza, l’abbinamento delle coppie differenziali e la compensazione della lunghezza. È particolarmente adatto per progetti di circuiti SerDes ad alta velocità, front-end RF e onde millimetriche che richiedono una precisione di temporizzazione rigorosa, coerenza di fase e controllo del ritardo di propagazione.
2.Perdita dielettrica (Df) estremamente bassa
Il fattore di perdita dielettrica (Df) riflette direttamente la capacità di un materiale di convertire l’energia elettrica in calore all’interno di campi elettrici alternati, costituendo una fonte primaria di attenuazione del segnale ad alta frequenza. A frequenze GHz e persino millimetriche, le variazioni di Df spesso esercitano un’influenza decisiva sulle prestazioni del sistema.
I materiali Rogers utilizzano sistemi di resina a bassa perdita e riempitivi ad alta purezza, ottenendo un Df significativamente inferiore rispetto al FR-4 convenzionale. Ciò riduce efficacemente la perdita di inserzione e la distorsione del segnale causata dalla perdita dielettrica in condizioni di alta frequenza.
Ciò significa che, a parità di lunghezza delle tracce e condizioni strutturali, i materiali Rogers possono:
Ridurre significativamente l’attenuazione dell’ampiezza del segnale ad alta frequenza
Migliorare il rapporto segnale/rumore (SNR) del sistema
Estendere la distanza di trasmissione effettiva
Ridurre la dipendenza dai circuiti di amplificazione e equalizzazione del segnale
Di conseguenza, in applicazioni quali comunicazioni RF, radar a onde millimetriche e backplane ad alta velocità, il basso Df è diventato un motivo tecnico fondamentale per la scelta dei materiali Rogers.
3.Eccezionale uniformità alle alte frequenze
Nelle applicazioni ad alta frequenza, l’uniformità dei parametri dei materiali spesso si rivela più critica dei “valori assoluti” delle singole metriche. I materiali Rogers mantengono proprietà elettriche altamente stabili su gamme di frequenza variabili, eliminando le variazioni di non linearità Dk indotte dall’aumento delle frequenze.
Questa eccezionale uniformità alle alte frequenze mitiga efficacemente i seguenti rischi:
Disallineamento dell’impedenza alle alte frequenze
Aumento della riflessione del segnale e del rapporto di onda stazionaria
Accumulo di errori di fase
Maggiore complessità di debug del sistema
Per i sistemi RF a banda larga, le antenne multibanda e le soluzioni di comunicazione a modulazione di ordine elevato, l’uniformità alle alte frequenze dei materiali Rogers migliora significativamente la ripetibilità del sistema e l’affidabilità complessiva.
Caratteristiche termiche e meccaniche
Oltre ai vantaggi elettrici, i materiali Rogers sono stati sistematicamente ottimizzati per le proprietà termiche e meccaniche al fine di soddisfare le esigenze delle applicazioni ad alta affidabilità.
1.Basso coefficiente di espansione termica (CTE)
Nei PCB multistrato e nei sistemi elettronici ad alta affidabilità, il comportamento di espansione termica di un materiale influisce direttamente sull’integrità delle pareti dei via, sulla durata dei giunti saldati e sulla resistenza di incollaggio tra gli strati. I materiali Rogers presentano un coefficiente di espansione termica (CTE) nella direzione dell’asse Z molto simile a quello del rame, garantendo un’eccellente compatibilità con le strutture dei fori passanti rivestiti in rame.
Questa caratteristica riduce efficacemente le sollecitazioni meccaniche generate durante i cicli termici, minimizzando la probabilità di:
- Crepe nei fori metallizzati
- Guasti nei collegamenti degli strati interni
- Degrado dell’affidabilità dovuto alla fatica termica a lungo termine
Particolarmente adatto per PCB con un numero elevato di strati, ambienti con temperature elevate e dispositivi elettronici di comunicazione/industriali che funzionano in condizioni di funzionamento continuo a lungo termine.
2.Resistenza termica superiore
I materiali Rogers sono progettati per soddisfare i moderni requisiti di produzione elettronica, resistendo in modo affidabile ai processi di saldatura a rifusione senza piombo ad alta temperatura. Il sistema di materiali mantiene un’eccellente struttura dielettrica e resistenza di adesione tra gli strati anche in caso di ripetuti cicli di shock termico.
La stabilità termica superiore previene efficacemente:
- Delaminazione della scheda
- Deterioramento delle proprietà dielettriche
- Deriva dei parametri ad alta frequenza
- Riduzione dell’affidabilità dei giunti di saldatura
Ciò è particolarmente critico per i prodotti elettronici di alto valore e alta affidabilità.
3.Eccezionale stabilità dimensionale
Nei circuiti ad alta frequenza e a microonde, minime variazioni nella larghezza della linea, nella spaziatura o nello spessore dielettrico possono causare una significativa deviazione dell’impedenza. I materiali Rogers presentano un’eccezionale stabilità dimensionale con una deformazione minima durante la lavorazione e il trattamento termico.
Questa caratteristica li rende particolarmente adatti per:
- Strutture di trasmissione ad alta frequenza come microstrip e stripline
- Progetti di circuiti con larghezza di linea e passo fini
Strutture RF e antenne ad alta precisione
I materiali Rogers trovano ampia applicazione in questi settori:
Apparecchiature di comunicazione RF e a microonde (stazioni base, amplificatori di potenza, antenne)
Radar automobilistici (radar a onde millimetriche 77GHz/79GHz)
Comunicazioni satellitari ed elettronica aerospaziale
Backplane ad alta velocità e moduli di interfaccia in server e apparecchiature di rete
Imaging medico e strumentazione di prova ad alta precisione
I materiali Rogers dimostrano notevoli vantaggi tecnici nelle applicazioni PCB ad alta frequenza, alta velocità e alta affidabilità, grazie alla loro costante dielettrica stabile e controllabile, alla perdita dielettrica estremamente bassa e all’eccezionale uniformità ad alta frequenza. Con l’aumento delle frequenze di comunicazione, l’accelerazione della velocità di trasmissione dei dati e la rapida diffusione delle tecnologie di interconnessione ad alta velocità e a onde millimetriche, i materiali FR-4 tradizionali faticano a soddisfare pienamente le esigenze prestazionali dei sistemi elettronici di fascia alta. In questo contesto, i materiali Rogers, con il loro design dedicato alle applicazioni ad alta frequenza, sono diventati substrati chiave indispensabili in settori quali le comunicazioni RF, i radar automobilistici, l’aerospaziale e i data center ad alta velocità.
