Técnicas y reglas para la fabricación de PCB de muy alta frecuencia

Además de la industria electrónica, diversos sectores emplean tecnologías donde está en auge el uso de componentes de alta frecuencia y PCB. Los PCB estacionan el circuito y proporcionan una amplia gama de aplicaciones, contribuyendo así a los productos denominados de extremo a extremo en diversas industrias.

El motivo del amplio uso de PCB de alta frecuencia en el mundo de la ciencia, y en la electrónica en general, radica en las múltiples ventajas que observamos en ellos, entre las que se incluyen:

• Un coste moderadamente bajo; por consiguiente, pueden producirse en masa.
• Son reutilizables, por lo que pueden utilizarse varias veces
• Son muy duraderos, lo que aporta una gran vida útil al circuito
• Su tamaño compacto reduce el desperdicio de cables.

Los anteriores factores bien fundamentados son el motivo del aporte de seguridad en la ejecución del circuito electrónico/eléctrico.

La frecuencia y su relación con los PCB

Figura 1: Señales de baja y alta frecuencia

Fuente: Proto-Electronics

Cuando la frecuencia es baja, los parámetros de las señales permanecen en el rango de caracterización de los datos y el circuito opera desempeñando todas sus funcionalidades según su diseño. Sin embargo, según aumenta la velocidad del sistema, la más alta frecuencia tendrá repercusiones en las propiedades del circuito, dando lugar a que el sistema se vea comprometido. Por tanto, durante la señalización de E/S, esto puede afectar negativamente a la comunicación de datos a través de las líneas de transmisión del emisor al receptor.

Si la velocidad del circuito es baja, este se ve muy poco afectado. No obstante, al aumentar la velocidad, la más alta frecuencia toma el control y surgen problemas como diafonía, zumbidos, calentamiento, etc. que causan perturbaciones en la respuesta de la señal, lo que a su vez daña la integridad de la misma.

¿Por qué necesitamos PCB de alta frecuencia?

Los circuitos electrónicos se comportan de manera muy distinta a altas frecuencias. Esto se debe principalmente a un cambio en el comportamiento de los componentes pasivos (resistencias, inductores y condensadores).

Tiene también efectos parásitos en lo siguiente: -  

• Componentes activos
• Pistas del PCB
• Patrones de toma de tierra

Las señales son vulnerables al ruido y su tolerancia de impedancia es mucho más limitada si la comparamos con la de las placas de circuito convencionales. Las señales entre dos objetos se verán siempre perturbadas debido al ruido causado por la alta frecuencia. Esta precisa más energía, por lo que una onda de alta frecuencia tiene más energía que una onda de baja frecuencia con la misma amplitud.

Factores que afectan a los PCB de alta frecuencia

Es importante asegurarse de que los PCB que se fabriquen sean capaces de trabajar a altas frecuencias sin presentar disfunciones. Algunos factores importantes que afectan a los PCB que funcionan a altas frecuencias son:

Elección de los materiales:

Los PCB que operan a altas frecuencias están hechos de materiales que ayudan a la placa a mantener frecuencias más elevadas. Se tiene en cuenta que el material empleado en la fabricación de una placa debe tener una baja constante dieléctrica (Dk) y una baja tangente de pérdida dieléctrica (Df).

Los dieléctricos son materiales aislantes, malos conductores de la electricidad, pero con capacidad inherente de almacenamiento de carga eléctrica. La constante dieléctrica (Dk) representa la capacidad del material aislante para acumular carga eléctrica debido a la polarización dieléctrica. Estas cargas acumuladas dificultan la propagación de las señales y causan un retraso en la propagación que no es previsible en las operaciones de alta frecuencia.

El FR-4 - Retardante de llama tipo 4 - ha sido el material estándar para la fabricación de PCB, dado que se trata de un material rentable con el que resulta fácil trabajar. Es un material epoxídico reforzado con fibra de vidrio tejido. El FR-4 es un buen material aislante y robusto para la fabricación de PCB, pero muestra un defecto importante cuando trabaja a altas frecuencias. A altas frecuencias, la constante dieléctrica del material comienza a variar y, por tanto, aumenta la pérdida de señal.

Figura 2: Retardante de llama tipo 4 (FR-4)

Fuente: ProtoExpress

La tangente de pérdida dieléctrica (Df) es la medida del nivel de absorción de energía transportada por un campo electromagnético al pasar a través de un dieléctrico. Se define por tan (δ). A medida que las altas frecuencias viajan a través de un dieléctrico, la cantidad de energía absorbida por este aumenta, provocando la vibración de las moléculas a un ritmo mayor, lo que posteriormente da lugar a la pérdida de señal.

Gestión térmica del PCB

La gestión térmica es otro aspecto crítico de la tecnología del PCB que los diseñadores deben tener en mente. Cuando los PCB de alta frecuencia se alimentan con señales de alta frecuencia, el circuito experimentará pérdidas y, finalmente, el propio material del circuito comenzará a generar calor. Cuando las frecuencias más altas atraviesan el material, se producirá una mayor pérdida que acabará por aumentar el calor generado por el PCB. La Temperatura Máxima Operativa (MOT, por sus siglas en inglés) es el valor nominal máximo de un PCB por debajo del cual puede funcionar. Una vez que la temperatura del PCB supera el valor MOT, el rendimiento del PCB se ve amenazado.

La expansión del PCB es también uno de los principales efectos colaterales del sobrecalentamiento. Los dispositivos tienen cada vez un tamaño más reducido, y para estos, el espacio es una cuestión trivial en dichas condiciones, y el funcionamiento del PCB a mayor temperatura hará que se expanda y, por tanto, cause daños al PCB.

●      Absorción de humedad

     Los diferentes niveles de absorción de agua provocan humedad, que afecta a la constante dieléctrica y a la pérdida dieléctrica en el circuito. Incluso una cantidad mínima de humedad hace variar la conductancia eléctrica del circuito. Por tanto, deben seleccionarse materiales que aseguren que la absorción de agua sea mínima.

●      Adaptación de impedancias

Cuando se transmite la señal, la impedancia de la carga debe ser equivalente a la impedancia de la señal transmitida. Momentáneamente, no existe reflexión en la transmisión, lo que indica que la energía es absorbida por la carga. En los PCB de alta frecuencia, la adaptación de impedancias se relaciona con el estándar de la señal. La adaptación de impedancias, por lo tanto, debe garantizarse para una transmisión fluida de las señales.

●      Evitar la diafonía

Las señales que no se requieren en el funcionamiento del circuito, y que principalmente se producen debido al acoplamiento de los campos electromagnéticos, se conocen como diafonía.

Las diafonías en un PCB pueden reducirse con los siguientes métodos.

Separación de trazas y anchura mínima: La diafonía horizontal se produce cuando las trazas están demasiado cerca unas de otras. Esto puede solucionarse asegurándose de que se utiliza la mínima anchura posible para las trazas y que la distancia entre el centro de las dos trazas es al menos del triple de la anchura de la traza.

Figura 3: Traza y corriente

Fuente: Proto-Electronics

Capas adyacentes perpendiculares: La diafonía vertical se produce porque las capas adyacentes tienen trazas paralelas, lo que puede evitarse garantizando que, durante el enrutamiento, las trazas en las capas adyacentes sean perpendiculares entre sí. Por ejemplo, si la traza en una capa va de norte a sur, las trazas de las capas adyacentes pueden ir de este a oeste, haciendo que las trazas sean perpendiculares entre sí.

Figura 4: Direcciones alternativas de las trazas

Fuente: Proto-Electronics

Uso de un plano de tierra sólido: La inserción de un plano de tierra entre dos planos adyacentes reduce las posibilidades de acoplamiento lateral. También se resuelven problemas como la reducción del bucle de corriente del condensador de derivación, el control de la impedancia de las trazas, etc.

Aislamiento de las trazas portadoras de alta frecuencia y de las trazas que contienen señales asíncronas: Las señales de alta frecuencia tales como los relojes deben mantenerse a distancia de las demás trazas que transportan señales a fin de reducir el efecto de la diafonía. Las señales asíncronas, como las líneas de reinicio o interrupción, normalmente se mantienen cerca de las líneas de alimentación o de las líneas de conmutación, ya que rara vez se utilizan.

Uso de señales diferenciales: La diafonía puede minimizarse mediante el uso de señales diferenciales, donde las señales tienen la misma amplitud, pero distinta polarización, lo que forma una única señal de alta velocidad. Dado que el ruido electromagnético afecta a ambas líneas por igual, ya que en la recepción la señal se obtiene como la diferencia entre las dos líneas de tensión, el ruido externo no afecta a la señal. Los pares de señales diferenciales deberían mantenerse como mínimo a una distancia igual al triple de la anchura de la pista respecto de las otras trazas portadoras de señal.

Uso de un material de baja constante dieléctrica: Los PCB fabricados con un material de baja constante dieléctrica presentan una diafonía mínima, ya que la inductancia y la capacitancia mutuas entre las trazas se reducen.

Técnicas de gestión térmica para PCB de alta frecuencia

Matrices de vías térmicas: La gestión eficaz del calor se efectúa mediante la incorporación de matrices de vías sobre las áreas rellenas de cobre. Con ello, puede disiparse el calor en el aire a través de las vías. Así, el diámetro de la vía debe ser grande, del orden de 0,1 mm, para que el calor se disipe eficazmente. Cuanto mayor sea el número de vías, mayor será la disipación térmica.

Figura 5: Matrices de vías térmicas para un componente QFN

Fuente: Cdntwrk

Uso de trazas más anchas: Las trazas de cobre más anchas contribuyen a maximizar la disipación térmica. También ayudan a reducir los focos de calor en el circuito del PCB. Al realizar trazas más anchas, debe prestarse atención a que estas no sean demasiado anchas, ya que de lo contrario se acabará produciendo una diafonía.

Uso de disipadores térmicos y ventiladores de refrigeración: Si el calor producido por los PCB es superior al que puede ser disipado sin problemas, se utilizan disipadores térmicos y ventiladores de refrigeración. Los disipadores térmicos normalmente se unen a elementos como CPU, MCU, esto es, los dispositivos que producen más calor. A continuación, se suelen dejar expuestos al aire o se atornillan al PCB. El ventilador de refrigeración se utiliza en lugares donde el PCB se encuentra en una ubicación cerrada, a fin de ayudar a que el aire caliente se disipe eficazmente en el entorno circundante.

Además de las técnicas antes mencionadas, es aconsejable separar los elementos que producen calor de aquellos que son sensibles al calor, para no causarles ningún daño. Mediante software de análisis del PCB, pueden identificarse los potenciales focos de calor en el mismo. En caso de montaje vertical del PCB, hay que asegurarse que los componentes que generan calor se coloquen hacia la parte superior.

Altium Designer, PADS Standards, ANSYS, etc. son algunos de los programas de simulación que pueden ayudar a identificar la distribución térmica del PCB.

Selección de materiales para PCB de alta frecuencia

Para la producción de placas de circuito impreso de alta frecuencia, se requieren materiales especiales que proporcionen señales de alta velocidad. Algunos de estos materiales son los siguientes: -

Rogers 4350B HF: Similar al FR4, este material también tiene un bajo coste de fabricación. Ofrece asimismo una excelente estabilidad dimensional.

Taconic TLX: Este material consta de fibra de vidrio PTFE, es físicamente un material estable que proporciona las mejores propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas. No obstante, el único problema que presenta es que es difícil de fabricar.

Taconic RF-35 cerámico: Se trata de un material de bajo coste fabricado con PTFE relleno de cerámica y vidrio. Es fácil de fabricar, pero su resistencia al desprendimiento es moderada, tiene un perfecto rendimiento eléctrico, así como una baja disipación de energía.

Rogers RO3001: Consta de un film adhesivo con una constante dieléctrica comparativamente baja. Es también muy resistente a los productos químicos y a las altas temperaturas.

ARLON 85N: El ARLON 85N tiene una resistencia térmica muy elevada. Está hecho de resina de poliamida pura.

Constante dieléctrica de los materiales seleccionados

La constante dieléctrica (D_k) del material seleccionado debe ser lo más pequeña posible. La velocidad de transmisión de la señal es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del material. Existe un retardo que se produce cuando el material seleccionado tiene una constante dieléctrica elevada; la pérdida dieléctrica (D_C) debe ser también pequeña. La pérdida de señal será mínima dependiendo de lo pequeña que sea la pérdida dieléctrica.

La tabla anterior muestra la comparación de la constante dieléctrica del material del sustrato, la pérdida dieléctrica, la temperatura (T) y la resistencia a la migración de iones, la resistencia a la humedad, la fabricabilidad y el coste. Según el resultado, el material C se emplea en este tipo de placa de circuito impreso multicapa de alta frecuencia y alta velocidad.

31.05.2022