Che cos’è un PCB in alta frequenza? Un PCB in alta frequenza (High Frequency PCB) è un circuito stampato (PCB) speciale progettato specificamente per gestire e trasmettere segnali ad alta frequenza (in genere superiori a 100 MHz, con bande di microonde e onde millimetriche che operano a frequenze ancora più elevate). Le sue caratteristiche principali risiedono nell’uso di materiali specifici e design specializzati per garantire la stabilità, l’integrità e la bassa perdita della trasmissione del segnale ad alta frequenza.
Caratteristiche dei PCB in alta frequenza:
- La costante dielettrica (DK) deve essere bassa e sufficientemente stabile; in generale, è preferibile che sia bassa, poiché un valore elevato di DK può causare un ritardo nella propagazione del segnale.
- Il fattore di perdita dielettrica (DF) deve essere minimo, poiché influisce principalmente sulla qualità della trasmissione del segnale; un DF più basso riduce di conseguenza l’attenuazione del segnale.
- Il coefficiente di espansione termica dovrebbe essere il più possibile simile a quello della lamina di rame, poiché eventuali discrepanze potrebbero causare delaminazione durante i cicli termici.
- L’assorbimento d’acqua deve essere basso in ambienti umidi, poiché un assorbimento elevato influisce negativamente su DK e DF.
- Sono essenziali un’eccellente resistenza termica, resistenza chimica, resistenza agli urti e resistenza alla delaminazione.
Materiali per nuclei PCB in alta frequenza
Materiali FR-4 ad alta frequenza
I materiali FR-4 ad alta frequenza derivano dai substrati FR-4 standard attraverso la modifica e l’ottimizzazione della resina. La sua costante dielettrica (Dk) varia da 3,8 a 4,5, con un fattore di perdita (Df) compreso tra 0,015 e 0,025. Presenta un’eccellente resistenza alla temperatura, con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) non inferiore a 170 °C. In termini di costo, è solo dal 20% al 30% più alto rispetto al laminato FR-4 standard.
Questo materiale è adatto principalmente per apparecchiature ad alta frequenza che operano nelle bande di frequenza medio-basse. Trova ampia applicazione nei moduli periferici per router WiFi 6 e stazioni base 4G. Un produttore di router ha sostituito con successo il laminato FR-4 ad alta frequenza con materiali di alta qualità, ottenendo una riduzione dei costi del 15% pur mantenendo la piena conformità ai requisiti di prestazione delle apparecchiature.
Scheda in politetrafluoroetilene (PTFE)
Le schede in politetrafluoroetilene (PTFE) presentano caratteristiche prestazionali eccezionali. La loro costante dielettrica è eccezionalmente bassa, compresa tra 2,0 e 2,3, mentre il loro fattore di perdita è minimo, compreso tra 0,001 e 0,003. Ciò riduce al minimo la perdita di segnale durante la trasmissione. Inoltre, presentano una tolleranza termica eccezionalmente ampia, funzionando in modo stabile da -260 °C a 260 °C. Tuttavia, questo materiale presenta delle difficoltà nella lavorazione e ha un costo elevato, tipicamente da 3 a 5 volte superiore a quello dei laminati FR-4 ad alta frequenza.
Viene impiegato principalmente in applicazioni ad altissima frequenza o in scenari che richiedono una precisione eccezionale. Settori come le stazioni base a onde millimetriche 5G, le comunicazioni satellitari e le apparecchiature radar si affidano tutti ai laminati in PTFE. In un determinato progetto aerospaziale, l’uso di laminati in PTFE ha aumentato la distanza di trasmissione del segnale del 20%.
Serie RT/duroid (RT5880, RT5870, ecc.), serie TLE, serie RF e serie TLX di Taconic. Vantaggi: costante dielettrica estremamente bassa (Dk: 2,2-3,5), perdita dielettrica minima (Df: 0,0009-0,002) e prestazioni altamente stabili. Svantaggi: costo elevato, resistenza meccanica leggermente inferiore e processi di foratura e metallizzazione complessi.
Pannello in resina idrocarburica
Le caratteristiche prestazionali dei pannelli in resina idrocarburica si collocano tra quelle dei pannelli in politetrafluoroetilene (PTFE) e dei pannelli FR-4 ad alta frequenza. La loro costante dielettrica (Dk) varia da 3,0 a 3,5, con un fattore di perdita (Df) compreso tra 0,003 e 0,008. Questo materiale presenta una lavorabilità favorevole, consentendo operazioni di foratura simili a quelle dei laminati FR-4 standard. In termini di costi, rappresenta una riduzione del 40% rispetto ai laminati in politetrafluoroetilene (PTFE).
Adatto per applicazioni quali stazioni base macro 5G, moduli ottici e router di fascia alta, un produttore di apparecchiature per telecomunicazioni ha impiegato con successo laminati in resina idrocarburica per raggiungere il duplice obiettivo di mantenere gli standard di prestazione e controllare i costi.
Schede in polifenilene ossido (PPE/PPO)
Le schede in polifenilene ossido (PPE/PPO) possiedono caratteristiche prestazionali distintive. La loro costante dielettrica (Dk) varia da 2,4 a 3,0, con un fattore di perdita (Df) compreso tra 0,005 e 0,01, oltre a un’eccellente resistenza all’umidità. In termini di costo, è inferiore del 20% rispetto ai laminati in resina idrocarburica, anche se la sua resistenza alla temperatura è relativamente più debole, con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) compresa tra 120 e 150 °C.
Questo laminato viene utilizzato principalmente nei moduli ad alta frequenza per l’elettronica di consumo, come le sezioni RF 5G degli smartphone e i moduli di trasmissione video dei droni. Un certo produttore di telefoni cellulari ha ridotto efficacemente i costi delle schede RF adottando laminati in polifenilene ossido (PPE/PPO).
Laminati riempiti con ceramica
I laminati riempiti con ceramica presentano una costante dielettrica (Dk) stabile, regolabile nell’intervallo 2,5-6,0, con un basso coefficiente di temperatura non superiore a 50 ppm/°C. Ciò li rende particolarmente adatti per applicazioni che richiedono un controllo preciso dell’impedenza. Tuttavia, questi fogli presentano una notevole fragilità e un peso considerevole.
Sono utilizzati principalmente nei radar automobilistici (77 GHz) e nei gateway IoT industriali. In seguito all’adozione di fogli con riempitivo ceramico, un certo produttore automobilistico ha garantito che le fluttuazioni di impedenza del radar rimanessero entro il 3% nell’intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e 125 °C.
Quando si selezionano materiali di substrato adatti per PCB in alta frequenza, è necessario dare priorità ai seguenti fattori chiave:
- Prestazioni di produzione:
Ciò comprende molteplici caratteristiche di laminazione, adattabilità alla temperatura, resistenza al CAF (filamento anodico conduttivo) e resistenza termica, resistenza meccanica e coesione (che garantiscono un’elevata affidabilità) e classificazione di sicurezza antincendio. - Caratteristiche prestazionali adatte al prodotto (che coprono le proprietà elettriche e la stabilità, ecc.):
I materiali devono presentare una bassa perdita di segnale, parametri Dk (costante dielettrica)/Df (fattore di perdita dielettrica) stabili, caratteristiche di bassa dispersione e variazioni minime dei parametri con la frequenza e i cambiamenti ambientali. Lo spessore del materiale e le tolleranze del contenuto adesivo devono essere precisi (facilitando un controllo accurato dell’impedenza). Per lunghezze di traccia estese, si consiglia l’uso di fogli di rame a bassa rugosità. Inoltre, la progettazione di PCB ad alta velocità si basa in larga misura sulla simulazione durante le fasi iniziali, con i risultati della simulazione che forniscono indicazioni fondamentali per la progettazione. Il “Laboratorio congiunto Xingsen Technology-Agilent (alta velocità/RF)” ha affrontato efficacemente la sfida del settore rappresentata dalle discrepanze tra i risultati della simulazione e quelli dei test effettivi. Attraverso un’ampia verifica a ciclo chiuso delle simulazioni e delle misurazioni fisiche, ha raggiunto un’elevata coerenza tra i due utilizzando metodologie uniche. - Tempestività della fornitura dei materiali:
I cicli di approvvigionamento per numerosi laminati ad alta frequenza possono essere lunghi, fino a 2-3 mesi. Mentre i laminati ad alta frequenza standard come RO4350 sono disponibili a magazzino, la maggior parte dei materiali PCB in alta frequenza richiede la fornitura da parte del cliente. Di conseguenza, è essenziale comunicare in anticipo con i fornitori per garantire la pronta disponibilità dei materiali per i laminati ad alta frequenza. - Considerazioni sui costi:
Le decisioni devono essere in linea con la sensibilità al prezzo del prodotto, chiarendo se il prodotto è destinato ai mercati di consumo o alle applicazioni nelle telecomunicazioni, settori medico, industriale o militare. - Conformità normativa:
Assicurarsi che i materiali siano conformi alle normative ambientali dei diversi paesi, come la direttiva RoHS (Restriction of Hazardous Substances) e gli standard relativi all’assenza di alogeni.
Le prestazioni dei PCB in alta frequenza sono influenzate da molteplici fattori, tra cui la scelta dei materiali, la lavorazione e il costo. Solo attraverso una valutazione completa e una scelta appropriata dei materiali è possibile produrre PCB in alta frequenza di alta qualità, dando così un forte impulso al progresso della tecnologia ad alta frequenza.
