Diretrizes de Especialistas para Design de PCBs RF e Micro-ondas

Atualmente, testemunhamos amplas aplicações de PCBs RF/Micro-ondas em numerosos dispositivos sem fio portáteis e indústrias comerciais, incluindo médica, comunicação, etc. Como circuitos RF (radiofrequência)/Micro-ondas são circuitos de parâmetros distribuídos que tendem a gerar efeito skin e efeito de acoplamento, interferência e radiação em circuitos são difíceis de controlar no design prático de placa de circuito impresso (PCB). Os problemas comumente ocorridos incluem interferência cruzada entre circuito digital e analógico, interferência de ruído causada por powers e problemas de interferência semelhantes causados por layout absurdo. Como resultado, como equilibrar vantagens e desvantagens no design de PCB e tentar reduzir interferências é um aspecto crucial para design de PCB RF/Micro-ondas.

Cada design difere, mas a experiência desempenha um papel ativo como um grande professor e o engenheiro de fabricação é capaz de fornecer soluções para as principais armadilhas. Diretrizes detalhadas de design de PCB concernentes a PCBs RF/Micro-ondas serão introduzidas e discutidas neste artigo.

Como Determinar Materiais de Substrato?

Como um estágio inicial no design de circuito, a seleção de material de substrato de PCB desempenha um papel tão chave no design de PCB RF/Micro-ondas que o material de substrato ideal contribui para excelente desempenho e alta confiabilidade de produtos finais. Ao considerar material de substrato em conformidade com seu design de PCB, alguns aspectos devem ser focados como permissividade relativa, tangente de perda, espessura, ambiente, etc. O conteúdo a seguir detalhará sua significância e abordagens ideais de seleção serão exibidas.

• Permissividade Relativa

Permissividade relativa refere-se à razão entre constante dielétrica e permissividade do vácuo. A permissividade relativa de materiais de substrato aplicados para design de PCB RF/Micro-ondas deve ser suficientemente alta para atender demandas de espaço e peso. Outras aplicações, como interconexão de alta velocidade, no entanto, exigem permissividade relativa extremamente baixa para produzir circuitos de alta impedância com largura de linha aceitável e tolerâncias de impedância.

Antes da determinação final de materiais de substrato, alguns parâmetros devem ser confirmados, incluindo largura de linha para uma certa faixa de espessura de placa, comprimento de onda da frequência de trabalho do circuito e dimensões aproximadas dos componentes principais. Um esboço do diagrama da placa de circuito deve ser desenhado para estabelecer permissividade relativa máxima e mínima aceitáveis.

Além disso, o desvio de permissividade relativa fornecido pelo fabricante de material de substrato deve ser baixo o suficiente para tornar o desempenho elétrico dentro de uma faixa de tolerância.

• Tangente de Perda

Perda dielétrica é uma função concernente à tangente de perda e permissividade relativa. Quanto a alguns materiais de substrato, a perda dielétrica por unidade de comprimento pode possivelmente ser compensada pela aplicação de linhas mais curtas que também podem reduzir perda de condutor, o que é vitamente importante quando a perda de condutor se torna óbvia em situações de alta frequência. Assim, quando parâmetros de perda de componente em alguns circuitos estão sendo estimados, é a perda por unidade de comprimento ou frequência que é estimada em vez de perda ordinária por unidade de comprimento de linha sob frequência dada.

Dentro de uma certa faixa de frequência, a perda de material de substrato deve ser baixa o suficiente para atender requisitos de potência de entrada/saída com problemas de dissipação de calor evitados. Além disso, a resposta de potência de alguns elementos de circuito (como filtros) deve manter uma característica de roll-off de frequência aguda para que o requisito de desempenho elétrico possa ser atendido. Naturalmente, a perda dielétrica pode impactar essa característica de frequência.

• Espessura

A espessura do material de substrato está associada aos seguintes elementos de design:
a. Largura do traço. Para manter impedância característica dada, a espessura do material de substrato deve ser reduzida para atender ao requisito de diminuição da largura do traço. Traço de alta impedância em material de substrato fino talvez precise de largura de traço extremamente baixa quando se trata de fabricação.
b. Desempenho Mecânico. Circuitos construídos em material de substrato fino sem suporte podem empenar, curvar ou distorcer, o que não acontecerá com materiais rígidos e termofixos.
c. Estabilidade Dimensional. Em geral, materiais de substrato finos performam pior do que os grossos em termos de estabilidade dimensional. Além disso, materiais de substrato finos também trarão contratempos ao fabricante ou levarão a custo aumentado.
d. Custo. Em geral, materiais de substrato que são grossos por unidade de área são mais custosos do que aqueles que são finos por unidade de área.
e. Conformabilidade. Para placas de circuito que precisam dobrar em formas de dobra simples, como cilindro ou cone, placas finas são capazes de dobrar para raio de curvatura menor com materiais de substrato ou foil de cobre impedidos de serem destruídos.
f. Ruptura Dielétrica. Para placas paralelas, material dielétrico fino apresenta tensão de ruptura dielétrica proporcionalmente mais alta do que material grosso.
g. Capacidade de Manuseio de Potência. A capacidade de manuseio de potência de placas de circuito de alta frequência é limitada por dois aspectos que podem ser aliviados pela adição de espessura de material de substrato. Por um lado, alta potência pode ser parcialmente dissipada através de calor. Por outro lado, nível de potência de pico alto pode levar a incepção de corona para gerar eletricidade e encolher vida útil do material de substrato.

• Ambiente

A fabricação de placa de circuito impresso e ambiente operacional mantêm restrições à seleção de material de substrato. Os principais desempenhos de material que devem ser levados em consideração incluem:
a. Estabilidade de Temperatura. Temperaturas operacionais e técnicas mais altas e mais baixas devem ser garantidas e limite de temperatura deve ser indicado como "pico" ou "contínuo". Modificação de desempenho elétrico deve ser calculada em temperatura de pico e comparada com requisito de design. Placas de circuito não poderão funcionar durante a faixa de picos de temperatura intermitentes, então temperatura "contínua" deve ser aplicada para estimar desempenho. Dano permanente ocorrido no desempenho mecânico da placa de circuito deve ser verificado na faixa de temperatura limite "intermitente".
b. Resistência à Umidade e Química. Materiais de substrato devem absorver baixa quantidade de umidade para que o desempenho elétrico da placa de circuito não seja obviamente diminuído em ambiente de alta umidade. Afinal, soluções extras de proteção ambiental despertam custo extra de fabricação e compromisso de design. Técnicas a serem usadas precisam ser compatíveis com resistência química e resistência a solvente do material de substrato.
c. Desempenho Anti-Radiação. Quando PCBs RF/Micro-ondas são aplicados no espaço ou aplicações nucleares, materiais de substrato sofrerão massiva radiação ionizante. Influência no desempenho mecânico e elétrico do substrato por radiação ionizante deve ser assegurada e estimada. Além disso, seu efeito acumulativo deve ser assegurado e vida útil efetiva de operação da placa de circuito deve ser comparada com isso.

• Outras Regras de Design Concernentes a Material de Substrato

• Adesão do foil de cobre deve ser alta o suficiente para suportar aplicação e ambiente de fabricação para não causar dano permanente.
• Permissividade relativa muda com temperatura, o que possivelmente influenciará desempenho elétrico dentro da faixa de temperatura de trabalho.
• Confiabilidade de dispositivos de montagem superficial (SMDs) e furos metalizados (PTH) está associada com CTE também.
• Condutividade térmica do material de substrato afetará design com questão de gerenciamento térmico considerada.
• Ao decidir housing e montagem, empenamento de placa deve ser considerado antecipadamente.
• Desempenho mecânico provavelmente afetará design de montagem e assembly.
• Gravidade específica do material de substrato determina peso da placa de circuito.
• Coeficiente de expansão térmica (CTE) deve ser cuidadosamente considerado no processo de temperatura limite de ambiente e design de componentes de alta potência e aplicação de solda de refluxo ou outra fabricação de alta temperatura.
• Resistividade elétrica provavelmente será um elemento associado com desempenho elétrico, especialmente quando linhas de alta impedância transmitem alta tensão, circuito de amplificação de potência, por exemplo.

Como Processar Características Elétricas?

Características elétricas cruciais de alta frequência contêm impedância característica (Z₀), coeficiente de atenuação (α) e velocidade de transmissão de sinal (v). Impedância característica e velocidade de transmissão de sinal são determinadas por permissividade relativa efetiva enquanto perda de sinal pelo coeficiente de atenuação.

Entre todas as possíveis estruturas de transmissão, como stripline (definição de stripline será introduzida na Seção a abaixo), microstrip, pulso bipolar ou groove, stripline e microstrip são mais amplamente aplicados no design de circuito micro-ondas e geralmente dependem de material de base macio. Para tanto stripline quanto microstrip, a razão entre distância do ground e largura do condutor, espessura do condutor e distância entre condutores de acoplamento influenciam fortemente impedância característica e coeficiente de atenuação. Dentro de uma certa faixa de frequência e em uma estrutura de linha de transmissão, coeficiente de atenuação, permissividade relativa e impedância característica podem apresentar dependência de frequência.

Quando o tamanho da seção transversal de stripline ou microstrip é maior que o comprimento de onda no dielétrico, outro modo de transmissão (superior) torna-se significativo, o que enfraquece o desempenho elétrico das linhas de transmissão. À medida que a velocidade e frequência do sinal aumentam, as dimensões das linhas de transmissão devem ser proporcionalmente diminuídas para evitar modos de ordem superior, exigindo aplicação de materiais de substrato mais finos com impedância característica mantida.

• Stripline

Stripline é uma estrutura de linha de transmissão, incluindo uma linha de sinal e dois grounds mais largos que são paralelos à linha de sinal que é presa entre eles. A figura abaixo demonstra um stripline típico em uma vista seccional extraída do IPC-2252.

Fórmula para impedância característica de stripline são classificadas em dois aspectos: linhas de sinal estreitas e linhas de sinal largas.

a. Linhas de sinal estreitas

Z₀ refere-se à impedância característica (ohms);
εᵣ refere-se à permissividade relativa;
b refere-se à distância entre grounds (m);
w refere-se à largura da linha de sinal (m).

Valor de Y atende à fórmula:

Nesta fórmula, , t refere-se à espessura do cobre (m).

b. Linhas de sinal largas

Nesta fórmula, C_f refere-se à capacitância de franja e conforma à seguinte fórmula:

• Stripline Assimétrica

Quando a linha de sinal é colocada entre grounds (ou powers) mas não na posição central, fórmulas de cálculo de stripline têm que ser modificadas. No processo de modificação, é necessário considerar diferenças de acoplamento entre linhas de sinal e grounds mais próximo e mais distante. Se as linhas de sinal estiverem na faixa de um terço do centro, desvios despertados pela suposição de que as linhas de sinal estão no centro serão muito pequenos.

Quando o acoplamento é altamente requerido entre linhas de sinal, estrutura de stripline assimétrica tem que ser dependida, comprometendo duas linhas de sinal que estão localizadas em superfícies diferentes e separadas por dielétrico. Acoplamento é realizado através de linhas paralelas ou linhas cruzadas. Quando se trata de design de circuito de alta frequência, acoplamento não é necessário, a estrutura de linhas de sinal cruzadas verticalmente não funciona.

• Microstrip

Microstrip também é um tipo de estrutura de linha de transmissão, incluindo uma linha de sinal e ground que é paralela à linha de sinal.

Fórmula de impedância característica de microstrip é baseada em um modelo simples de microstrip contendo apenas um dielétrico que é um condutor sem espessura. A fórmula segue como Fórmula 7.

Nesta fórmula, fórmula 8, o segundo "0" e "1" após Z referem-se a denotar espessura zero do condutor e um tipo de dielétrico. Assim, a precisão deste modelo é melhor que 0,01% quando o valor de u é menor que 1. Quando o valor de u é menor que 1000, a precisão é melhor que 0,03%.

Como Arranjar Outros Aspectos Significativos?

• Características Usinadas

a. Dimensões e Tolerâncias

Entre elementos de design, dimensão e design de tolerância são vitamente importantes. Em design de campo, toleranciamento bilateral e toleranciamento de posição real são geralmente aplicados.

Dimensões e tolerâncias de posição real que são simplesmente marcadas fazem fabricantes arranjarem desvios dentro de posições e dimensões em qualquer proporção, o que geralmente leva a maior fabricabilidade. Como resultado, designers garantem requisitos de funcionalidade e fornecem aos fabricantes liberdade suficiente pela qual desvio líder pode ser arranjado no processo de fabricação onde a precisão é a mais baixa.

Capacidade de tolerância de posição depende principalmente de tipo de material, espessura e tamanho geral de componentes. Um diâmetro de posição real de 0,254mm (0,01 polegada) é o mais comumente visto e o mais fácil de ser obtido. Quando requisito de tolerância é requerido para ser maior que 0,152mm (0,006 polegada), fabricabilidade será comprometida. Quando é adequadamente requerido, no entanto, a condição de material máximo deve ser requerida para permitir que fabricantes equilibrem entre erro de abertura e erro de posição para aumentar fabricabilidade.

Quando um via é fabricado de acordo com seu diâmetro mínimo, tolerância de posição real é requerida para ser usada por condição de material máximo que é simplesmente marcada. No entanto, via fabricado por um diâmetro maior e aceitável é geralmente posicionado com precisão menor, o que ainda garante ser adequado e funcionar. Assim, vias maiores podem obter tolerância de posição suficiente, igual a valor aditivo aceitável ao diâmetro de via mínima. Com tolerância extra adicionada à tolerância de posição real, tolerância de inspeção é gerada.

Quando condição de material mínimo é aplicada, tolerância é estabelecida de acordo com diâmetro máximo. "Independente do tamanho da característica" refere-se à aplicação de marca de tolerância sem tolerância extra e tolerância de dimensão característica é determinada de acordo com fabricabilidades aceitáveis diferentes.

Embora tanto dimensão de posição real quanto tolerância possam ser aplicadas em qualquer caso que possa ser imaginado, elas são melhor aplicadas a características similares a posições de furo, bolsos e outros eixos X e Y.

b. Furos Metalizados (PTH)

Diâmetro mínimo de abertura é determinado pela espessura de todo o material. Razão de aspecto é geralmente aplicada para indicar um coeficiente de dificuldade, que é a razão entre espessura do material e diâmetro de abertura. Por exemplo, quando razão de aspecto é 5:1 e placa de circuito stripline apresenta espessura de 3,3mm (0,13 polegada), demonstra que o diâmetro mínimo de abertura é 0,66mm (0,026 polegada).

Em geral, uma razão de aspecto de aproximadamente 3 é mais fácil de ser fabricada enquanto 5 é mais difícil e 10 é extremamente difícil e às vezes até falha em ser fabricada. Simplificando, furos metalizados com alta razão de aspecto tendem a ser fabricados mais facilmente em material fino enquanto furos de perfuração com alta razão de aspecto tendem a ser fabricados mais dificilmente. Quando se trata de perfurar furos com diâmetro menor que 0,33mm (0,013 polegada), broca quebrada e rugosidade de via serão um problema prático. Além disso, furos com alta razão de aspecto são difíceis de serem limpos, ativados e metalizados. Devido à dispersibilidade da solução, a metalização é distribuída desigualmente dentro de um furo. Dispersibilidade limitada reduz transmissão de material de átomos e moléculas dentro dos furos e torna a distribuição original de corrente de galvanização complexa.

Diâmetro do furo pode ser regulado para ser pré-metalização e pós-metalização. Metalização faz o diâmetro do furo encolher duas vezes a espessura galvanizada. Erro de abertura após metalização é limitado por erro que ocorre durante perfuração do furo e metalização. Embora tolerância mais rigorosa possa ser alcançada, uma zona de tolerância de 0,13-0,25mm (0,005-0,01 polegada) é a mais comumente vista. Em geral, custo e nível de dificuldade aumentam com a redução da tolerância de diâmetro de abertura. Uma regra empírica diz: se razão de aspecto é maior que 4:1, diâmetro de via deve ser aumentado para 0,10mm (0,04 polegada) ou mais.

Diâmetro de abertura através de metalização falha em ser previsto com precisão devido à distribuição de densidade de corrente galvanizada. Diferença em termos de densidade de corrente local leva a espessura metalizada a ser influenciada por diâmetro de abertura, densidade de furo, circuito ambiente e forma de ground. Geralmente, dimensão do furo pré-metalização e espessura mínima de metalização são reguladas para aumentar fabricabilidade. Quando furos metalizados proíbem ground ou interconexão interna como modo, é adequado determinar furo metalizado mínimo. Quando furos são considerados como componentes de terminal, tolerância bilateral deve ser considerada em dimensões de furo.

Quando estanho/chumbo galvanizado precisa ser fundido ou refluxado, dimensões do furo têm que ser indicadas como aquelas pré-solda de refluxo. No estágio de solda de refluxo, cada detalhe de design como dimensão de pad, dimensão do furo e espessura de material e espessura de circuito afetarão o fluxo de solda e dimensões após solda de refluxo. Furos metalizados após limitação modular não podem ser parcial ou totalmente fechados por metal.

• Metalização

a. Designs de Borda Metalizada

Em PCBs multicamadas, borda metalizada tem sido uma tecnologia aceitável para reduzir furos metalizados de supressão de modo. Design de borda metalizada deve conter três a quatro conectores de 6,4mm (0,25 polegada) de largura que são responsáveis por conectar abas na placa inteira. Como resultado, numerosas abas podem ser fabricadas como forma de placa inteira. Borda metalizada tem que sobrepor largura de pelo menos 1,3mm (0,050 polegada) da camada superior ou inferior para adesão mecânica mais forte. Espessura de metalização deve ser de pelo menos 0,025mm (0,001 polegada).

b. Galvanização de Cobre

Antes da galvanização, todas as superfícies metálicas e dielétrico exposto são cobertos com uma camada de revestimento sem galvanização ou condutividade. Então a espessura necessária de cobre deve ser galvanizada na placa inteira ou gráficos.

Em geral, galvanização de painel é uma seleção ideal se uniformidade de espessura é rigorosamente requerida. Afinal, imagem não afetará distribuição de galvanização. Além disso, quando metalização grossa é necessária, galvanização de painel é capaz de afundar grande quantidade de metal com ponte não formada entre imagens. Inversamente, galvanização de imagem só pode ser considerada como seleção ideal quando tolerância de largura/espacamento de traço requer alta rigorosidade porque foil de cobre que precisa ser removido é reunido por material de substrato com mesmo nível de espessura.

Desempenho mecânico de cobre galvanizado determina resistência a choque térmico e resistência a ciclo térmico de furo metalizado. No processo de montagem de solda e circulação de temperatura ambiental, rachaduras são possivelmente geradas em furos metalizados. Cobre tem que ter maleabilidade suficiente para suportar choque de alta temperatura e resistir a falha de fadiga causada por temperatura ambiental mais baixa. Quando se trata de alta confiabilidade, sistema de galvanização de cobre ácido é sugerido ser aplicado por fabricantes de PCB, pois cobre galvanizado é capaz de atingir maleabilidade de pelo menos 20% e resistência à tração de pelo menos 2,76x10⁸Pa.

Espessura de galvanização geralmente decide espessura mínima de parede de furo metalizado que é geralmente regulada para ser 0,0025mm (0,001 polegada). Lembre-se que parede de furo de 0,0025mm (0,001 polegada) causará espessura de 0,004-0,005mm (0,0015-0,002 polegada) de outras superfícies. Se tecnologia de solda de imagem galvanizada não for aplicada, espessura de galvanização excederá 0,05mm (0,002 polegada), despertando questões concernentes à precisão de corrosão.

Em galvanização de painel e galvanização de imagem, tipos de furos influenciam distribuição de metal. Furos independentes recebem soldagem mais rápida do que furos densos. Nível de uniformidade de espessura de metal em componentes é determinado pela porcentagem de metal coberto em área de galvanização. Quando furos e imagem não são uniformemente distribuídos, tolerância de espessura será maior. Uma espessura típica de galvanização de cobre é ±0,013mm (0,005 polegada). Uma vez que tolerância é ±0,005mm (0,0002 polegada) ou menor, fabricabilidade será reduzida.

Se espessura de metalização ou espessura geral do produto final é regulada, tolerância deve ser uma soma de tolerância de galvanização e espessura de foil de cobre e/ou tolerância dielétrica. Espessura de foil de cobre é determinada por peso de cobre por unidade de área.

Foil de cobre RA apresenta tolerância de espessura menor do que foil de cobre eletrolítico. Portanto, algumas pequenas mudanças ocorrem na espessura do foil de cobre mas requisitos ainda podem ser atendidos. Foi descoberto que mudanças de espessura para ±0,005mm (0,0002 polegada) em foil de cobre de 0,5 a 1oz.

A espessura geral de metalização é obtida através de análise microscópica após polimento e corrosão. Amostra interna é colocada ao redor de componentes e será cortada do painel. Amostra interna fornece o melhor indicador para espessura de componente. Se amostra interna não for aplicada, amostra pode ser adicionada à área lateral ou componentes podem ser aplicados para teste destrutivo.

• Corrosão (Etching)

A precisão final de fabricação é a soma de desvios de imagem e corrosão.

Fenda é mais difícil que linhas para ser imagem e corroída. Se possível, é necessário regular fendas para serem mais largas que linhas em circuitos de alta densidade. Quando largura de linhas e fenda é menor que 0,10mm (0,004 polegada), fabricabilidade será reduzida.

É dramaticamente difícil obter linhas que são duas vezes menores que espessura de foil de cobre. Significa que linhas de 0,035mm (0,0014 polegada) funcionam perfeitamente para foil de cobre de 0,5oz [0,017mm (0,00067 polegada)] enquanto linhas de 0,070mm (0,0028 polegada) funcionam perfeitamente para foil de cobre de 1oz [0,035mm (0,00014 polegada)]. Em geral, é melhor reduzir espessura de foil de cobre requerida.

Linhas estreitas separadas por gaps largos são mais fáceis de serem corroídas do que linhas finas densas. Quando linhas mudam direções, ângulos agudos são mais difíceis de serem corroídos do que transição curva ou ângulo de 45°.

Em resumo, excelente determinação de material de substrato, modificação razoável e científica de características elétricas e arranjo de outros aspectos significativos, definitivamente levarão a um design preciso de PCB RF/Micro-ondas baseado no qual produtos finais confiáveis podem ser plenamente esperados.

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