Circuitos de alta velocidad, como evitar la pérdida de inserción con una óptima selección de materiales

Esto hace que cada vez sea más exigente no solo el diseño, sino la fabricación de estos circuitos con el fin de obtener un buen rendimiento de trabajo y mantenga la integridad y robustez en estas frecuencias, ya que por ejemplo un circuito no solo tendrá que trabajar a frecuencias de unidades de Ghz, sino que también tendrá que hacerlo a decenas de Ghz (hasta 30Ghz p. ej.). Un problema común en este tipo de circuitos es la perdida de inserción.

La pérdida de inserción ocurre cuando hay una pérdida de señal al pasar a través de componentes, sistemas y materiales. Este problema también puede denominarse atenuación, cuando se habla de la pérdida de potencia en una línea de transmisión. Mejorar la pérdida de inserción durante la selección del 'Stack up' asegura que la PCB opere dentro de las especificaciones cuando reciba señales en gamas de frecuencia altas. Para hacer frente a estos problemas, la selección de los materiales adecuados para los núcleos, los prepregs y las láminas de cobre se vuelven esenciales en la construcción de un Stack up acorde a las necesidades del circuito.

Hay dos causas principales de pérdida de inserción en la que influye la selección de materiales: pérdidas en cobre y pérdidas dieléctricas.

• Pérdidas en cobre: las pérdidas de cobre ocurren cuando las superficies conductoras hacen que la energía se disipe. Este problema viene dado por la metalización y el tipo de material conductor utilizado (cobre).
• Pérdidas dieléctricas: las pérdidas dieléctricas ocurren cuando los materiales dieléctricos utilizados hacen que la energía se disipe.

No existe un Stack up perfecto y o universal para todos los PCBs, cada PCB tiene sus necesidades y limitaciones, las cuales se deberán tener en cuenta en el momento de definirlo.

Cuando se trata de lidiar con la pérdida de inserción además de dimensionar correctamente los anchos de pista, grosor, distancia entre estas en el caso de los pares diferenciales, en función del dieléctrico utilizado para obtener un buen control de la impedancia requerida en estas pistas, influyen otros factores relacionados con el tipo y grosor de la laminación, y el ancho de la lámina de cobre, e incluso el tejido de mallado del Prepreg o Core, pueden tener un impacto en la perdida de inserción de la PCB. Estas variaciones, en mayor o menor medida puede mejorar esta pérdida, dependiendo de la cantidad de señal que necesita llegar al final de la línea de transmisión. Para reducir y mitigar la pérdida de señal, se deben abordar cuatro parámetros al seleccionar los materiales y especificaciones apropiadas: efecto piel, composición del tejido de fibra de vidrio, constante dieléctrica relativa y tangente de pérdida.

Este efecto está relacionado directamente con la rugosidad de la superficie del cobre. La conducción se realiza en el área más cercana al dieléctrico desde el cual se propagan las ondas electromagnéticas. A medida que la frecuencia incrementa, la corriente va fluyendo cada vez más cerca de su superficie, este efecto junto con la rugosidad del cobre, puede causar flujos de corriente desiguales a lo largo de los campos, ralentizando de la señal y aumentando la constante dieléctrica del circuito, por lo que acabamos obteniendo pérdidas de inserción.

Para abordar este problema, la selección de material deberá enfocarse en láminas de cobre con perfil bajo o muy bajo.

Tanto los Prepreg como los cores constan de fibras de vidrio entrelazadas, las cuales en el proceso de producción será impregnada con resina. Estos entramados de fibra de vidrio tendrán diferentes espesores y densidades.

Cuando el entramado es denso (como en el caso de 1086 o 2116 en la imagen), la constante dieléctrica será más uniforme. Sin embargo, puede haber casos en que exista alguna dificultad en cambiar a un entramado más denso como se recomienda, en este caso existe la posibilidad de disponer el entramado en ángulo de 5 a 15º, de esa manera se puede obtener una constante dieléctrica más uniforme en el circuito.

Cada capa aislante (dieléctrico) que compone un Stack up tiene una constante dieléctrica, y esta puede cambiar en función de la frecuencia de la señal que se le introduzca al circuito. Las frecuencias más altas requerirán materiales con constantes dieléctricas más bajas y resistentes al aumento de temperatura. La pérdida de inserción en este caso suele ocurrir por que la PCB recibe un rango amplio de frecuencias, teniendo un valor de constante dieléctrica diferente para cada frecuencia, esto hará que el material tenga una impedancia distinta para cada frecuencia de señal introducida, lo que puede provocar que se reflejen o distorsionen señales.

De ahí la importancia de que circuitos diseñados para trabajar con rangos amplios de frecuencia o frecuencias más altas requieran que los materiales que lo compongan tengan una constante dieléctrica más baja y con una respuesta lo más uniforme posible en frecuencia.

Si los materiales dieléctricos absorben señal, esto quiere decir que está llegando menos señal al destino deseado. En líneas de transmisión basado en transceptores esta pérdida se denomina factor de disipación ya que los materiales tendrán una tasa de absorción de ondas electromagnéticas. Un material ideal para hacer frente al factor de disipación es un material de baja perdida, Hay que tener en cuenta que los materiales con menor perdida, serán más costosos, pudiendo afectar considerablemente la producción del stack up.

No hay un Stack up universal que valga para todos los circuitos, Se tiene que tratar cada PCB de manera particular teniendo en cuenta las necesidades del circuito y su funcionalidad, teniendo esto claro se podrá trabajar sobre los siguientes aspectos para plasmar el circuito sobre una buena base o Stack up:

• Minimizar la rugosidad de la superficie del cobre (efecto piel) seleccionando cobre de perfil bajo o muy bajo.
• Seleccionar los Prepreg y o cores con mallado más estrecho para obtener constantes dieléctricas más estables en la superficie del circuito, o indicar que la construcción del Stack up se haga inclinando el material entre 5 y 10º.
• Seleccionar materiales con constantes dieléctricas bajas y estables en amplios rangos de frecuencia.Usar materiales dieléctricos con menos perdida.

Os recomendamos no comprometáis vuestro diseño a una referencia de material en concreto, si no, si es posible, con unas características de material. Si se compromete vuestro diseño con una referencia de un fabricante en concreto, es probable que en algún momento no presente stock o pueda quedarse obsoleta. Mientras que, si lo comprometéis a unas características de material, tendréis varias opciones con menor riesgo de falta de estocaje de material y un abanico más amplio de fábricas donde se podrán realizar la fabricación.

NCAB podría asesorar al cliente durante la fase de diseño en la elección de materiales, espesores de cobre, acabados superficiales, etc aportando soluciones a cada necesidad personal.

No dude en ponerse en contacto con NCAB Group Iberia al teléfono +34 915 398 877 para cualquier consulta sobre PCB.