I laminati ad alta frequenza presentano vantaggi unici nella progettazione dei PCB e consentono di affrontare le sfide delle applicazioni ad alta frequenza per ottenere dispositivi che lavorano ad alta velocità. I laminati ad alta frequenza offrono diversi vantaggi, che li rendono la scelta ideale per i sistemi di comunicazione avanzati, aerospaziali e digitali
La domanda di PCB per applicazioni ad alta frequenza è in costante aumento per via dell’aumento delle prestazioni dei dispositivi elettronici. Le schede tradizionali subiscono degradazione del segnale a frequenze superiori a poche centinaia di MHz, dovuta a rumore e interferenze elettromagnetiche. Quando i segnali attraversano un PCB, vari fattori come resistenza, capacità e induttanza possono causare distorsioni o perdite di potenza del segnale. Per superare questo problema, vengono utilizzati laminati ad alta frequenza, appositamente progettati per funzionare a frequenze molto elevate rispetto alle convenzionali schede in FR4. I laminati ad alta frequenza sono materiali progettati per supportare un alto livello dell'integrità del segnale, con basse perdite dielettriche e prestazioni stabili alle frequenze di lavoro.
Vantaggi dell'utilizzo di laminati ad alta frequenza
I laminati per alta frequenza sono materiali dielettrici avanzati utilizzati nella fabbricazione dei circuiti stampati atti a funzionare in modo efficiente a radiofrequenze (RF) e microonde, di solito superiori a 500 MHz. Questi materiali contribuiscono a ridurre al minimo la perdita e la distorsione del segnale, che diventano critiche all'aumentare delle frequenze del segnale. Questi laminati offrono basse costanti dielettriche (Dk), infatti i materiali di cui sono costituiti resistono all'ingresso di acqua, garantendo proprietà dielettriche stabili anche in condizioni ambientali umide; presentano anche un basso fattore di dissipazione (Df), che si traduce in una minore attenuazione del segnale durante la trasmissione. Queste caratteristiche sono fondamentali nelle applicazioni che operano a frequenze superiori a 1 GHz, come antenne RF e sistemi radar. Sono proprietà queste che garantiscono una migliore integrità del segnale, una riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e migliori prestazioni termiche (sempre rapportati a FR4).
Questi laminati mantengono un controllo costante dell'impedenza che influisce sulla propagazione del segnale, riducendo al minimo la distorsione e i ritardi; ciò garantisce una trasmissione dati accurata.
Anche le prestazioni termiche risentono di un positivo miglioramento; sono circuiti realizzati con materiali progettati per resistere a temperature piuttosto elevate e per offrire un’alta conduttività termica, rendendoli adatti ad applicazioni con cicli termici impegnativi o carichi continui ad alta potenza.
Aumenta anche la flessibilità di progettazione, molte opzioni di laminati ad alta frequenza supportano strutture multistrato, rigido-flessibili e ibride, consentendo progetti salvaspazio molto complessi senza compromettere le prestazioni elettriche.
Non ultimo va considerato che riducendo il riscaldamento e il degrado del segnale, i laminati ad alta frequenza contribuiscono a realizzare assemblaggi elettronici più duraturi e affidabili, riducendo i tassi di guasto e le esigenze di manutenzione.
Laminati per alta frequenza
I PCB ad alta frequenza (HF PCB) utilizzano principalmente materiali speciali come PTFE a base composita (Teflon) e substrati composti da ceramica e idrocarburi, come ad esempio i materiali prodotti da Rogers e utilizzati da Safe-PCB (come Rogers 4350B).
In particolare, Safe-PCB realizza circuiti fino a 18 strati, sia full-Rogers che mixed utilizzando RO4350B con Shengyi S1000-2M.
Sono disponibili sul mercato anche altri laminati prodotti da aziende come Isola e Panasonic che garantiscono basse perdite dielettriche e una bassa costante dielettrica (Dk), fondamentali per il mantenimento dell'integrità del segnale. Sebbene a volte vengano utilizzati materiali tradizionali come FR-4, questi non sono adatti per applicazioni che richiedono frequenze superiori a 1 GHz.
Un substrato a base di ceramica e idrocarburi è un materiale ad alte prestazioni, progettato per applicazioni elettroniche complesse, in particolare circuiti ad alta frequenza e microonde; combina i vantaggi delle resine a base di idrocarburi (HCR) e dei riempitivi ceramici con un rinforzo in fibra di vetro.
In un substrato a base di PTFE il materiale principale è il politetrafluoroetilene (PTFE), noto per le sue eccellenti proprietà di isolamento elettrico, i compositi in PTFE sono rinforzati con riempitivi come microfibre di vetro o ceramiche per ottenere le specifiche prestazioni richieste.
Questi materiali offrono un equilibrio ottimale tra bassa perdita dielettrica, costante dielettrica stabile, eccellente conduttività termica e compatibilità con i processi di produzione standard dei PCB, rendendoli un'alternativa di fascia alta al tradizionale FR-4.
Panoramica sull'integrità del segnale
Perdite e attenuazioni del segnale sono problemi comuni, soprattutto nelle applicazioni di circuiti stampati ad alta velocità e alta frequenza. I segnali elettrici vengono distorti a causa di vari problemi come interferenze elettromagnetiche, interferenze a radiofrequenza, diafonia e così via.
Con la riduzione delle dimensioni dei componenti elettronici e l'aumento della complessità di progettazione, l'aspetto dell'integrità del segnale è diventato estremamente cruciale
L'integrità del segnale è una misura di come varia un segnale elettrico dal momento in cui entra nel circuito fino a quando ne esce. Il segnale è visualizzato sotto forma di onda; una variazione eccessiva nella forma d'onda indica segnali persi o distorti, che non raggiungono adeguatamente la fine del circuito o subiscono interruzioni.
La chiave per superare la maggior parte dei problemi di integrità del segnale risiede nella competenza del progettista di PCB. I progressi nella progettazione dei PCB hanno contribuito a migliorare l'integrità del segnale affrontandone le cause.
Il primo nodo è costituito dal disadattamento di impedenza. Il disadattamento di impedenza causa riflessioni del segnale, con conseguente perdita di dati ed errori. In parole semplici il problema sorge quando l'impedenza caratteristica delle tracce del PCB non corrisponde all'impedenza della sorgente o della destinazione.
Fondamentale allo scopo, un buon PCB dovrebbe avere una larghezza di traccia controllata; inoltre, vanno considerati materiali con un'adeguata rigidità dielettrica nel rispetto della distanza tra le tracce. L'impedenza controllata delle tracce aiuta a prevenire la distorsione del segnale.
Problemi di EMI
Alto punto importante è evitare problemi di interferenza elettromagnetica; nelle applicazioni ad alta frequenza, tracce o via possono fungere da antenne che catturano involontariamente i segnali. Ciò causa l'accoppiamento con i segnali provenienti da altri dispositivi posti nei dintorni. Alcuni componenti montati su un circuito stampato sono sensibili alle interferenze elettromagnetiche più di altri, mentre altri possono produrle. Questa interferenza di segnali ostacola il funzionamento della scheda e più in generale del dispositivo. Ancora una volta, la soluzione risiede in una corretta progettazione del PCB, per evitare interferenze elettromagnetiche prodotte internamente, i componenti sensibili devono essere posizionati lontano dalle fonti di EMI, è possibile anche schermarli. Schermatura e una corretta messa a terra e sono essenziali per ridurre il rumore esterno e le interferenze. Un piano di massa aiuta a mantenere un riferimento costante per i segnali, riducendo l'accoppiamento del rumore.
Le fluttuazioni di tensione sono strettamente legate a problemi di integrità del segnale e possono influire significativamente sui circuiti analogici e su quelli misti. Questi problemi di variazioni dell'alimentazione possono portare al degrado del segnale, causando un comportamento irregolare o un malfunzionamento.
Il problema può essere superato posizionando condensatori di disaccoppiamento e di bypass vicino ai pin di alimentazione dei componenti sensibili per filtrare il rumore ad alta frequenza. Anche in questo caso un buon piano di massa aiuta a garantire che la corrente di ritorno abbia un percorso a bassa resistenza, un rumore ridotto e quindi una migliore integrità dell'alimentazione.
La diafonia (cross-talk) è un altro grave e comune problema nelle applicazioni ad alta velocità. Ciò si verifica quando i segnali ad alta velocità che transitano in tracce contigue accoppiano i loro campi elettrici e magnetici generando segnali indesiderati. Ci sono vari tipi di accoppiamento: conduttivo, capacitivo e induttivo.
Per superare il problema, si cerca di evitare di far passare segnali ad alta frequenza vicino a quelli più sensibili e si interpongono piani di massa tra i layer di segnale in modo che agiscano da schermi per prevenire le interferenze elettromagnetiche. La segnalazione differenziale, in cui due segnali vengono trasmessi con polarità opposte, può contribuire a ridurre la diafonia.
La chiave per superare i problemi di integrità del segnale risiede dunque nelle competenze del progettista di PCB. In sintesi, i progettisti devono considerare la lunghezza delle tracce, l'uso di piani di massa, l'impedenza controllata, l'ottimizzazione di vie e stack di strati, la segnalazione differenziale e il corretto posizionamento delle resistenze e delle capacità. Safe-PCB completa la competenza del progettista affiancandolo nel percorso col suo approfondito know how di fabbricazione e di conoscenza dei materiali.
