Selección de materiales para circuitos PCB y su influencia en las distintas bandas de frecuencia de la 5G

La transición al 5G será una decisión importante para muchas industrias, pero el cambio dependerá de sus aplicaciones y operaciones. Algunas industrias necesitan adoptar la nueva tecnología rápidamente para seguir siendo competitivas, mientras que otras pueden querer tomarse su tiempo. Sea cual sea su sector, debe tener en cuenta los posibles costes asociados al uso de nuevos materiales de alta velocidad. El tiempo de apilamiento de las placas de circuito impreso puede aumentar significativamente con los materiales de alta velocidad, por lo que merece la pena tomarse su tiempo para tomar la decisión correcta.

Constante dieléctrica

A la hora de elegir el material de las placas de circuito impreso, la constante dieléctrica es un factor importante. Determina la rapidez con la que el material se expande y contrae cuando se expone a un cambio de temperatura. La tasa de conductividad térmica de los materiales de PCB se mide normalmente en vatios por metro por Kelvin. Los diferentes materiales dieléctricos tendrán diferentes índices de conductividad térmica. El cobre, por ejemplo, tiene una conductividad térmica de 386 W/M-oC.

Al seleccionar los materiales de las placas de circuito impreso, recuerde que la constante dieléctrica efectiva del sustrato afecta a la velocidad de las ondas electromagnéticas. La constante dieléctrica del material del sustrato de la placa de circuito impreso y la geometría de la traza determinarán la rapidez con la que una señal puede viajar a través del circuito.

La constante dieléctrica es un factor clave a la hora de seleccionar los materiales de las placas de circuito impreso para las redes 5G. Una permitividad alta absorberá las señales electromagnéticas y degradará la sensibilidad de las comunicaciones. Por lo tanto, es crucial elegir materiales de PCB que tengan baja permitividad.

Grosor del rastro

El rango de frecuencias de la tecnología 5G es mayor que el de las anteriores técnicas de comunicación inalámbrica. Esto significa que las estructuras más cortas son susceptibles de ser excitadas por las señales. Normalmente, la longitud de onda de una sola traza de PCB es de un centímetro. Con esta gama de frecuencias, una sola traza puede ser una gran antena de recepción. Sin embargo, a medida que se amplía la gama de frecuencias, aumenta la susceptibilidad de una traza de PCB. Por tanto, es esencial determinar el mejor enfoque de apantallamiento.

Las bandas de frecuencia de la norma 5G se dividen en dos partes: la banda baja y la banda alta. La primera banda es la región de ondas milimétricas, mientras que la segunda se sitúa por debajo del umbral de los 6 GHz. La banda centrada en torno a 30 GHz y 77 GHz se utilizará para la red móvil.

La segunda banda es la baja, que se utiliza habitualmente en el sector energético para comunicarse con parques eólicos remotos, explotaciones mineras y campos petrolíferos. También se utiliza para conectar sensores inteligentes en la agricultura. La banda media 5G, que transmite entre 1,7 GHz y 2,5 GHz, ofrece un buen equilibrio entre velocidad y cobertura. Está diseñada para cubrir grandes áreas y ofrecer velocidades relativamente altas, que siguen siendo más rápidas que las que se pueden obtener con Internet en casa.

Coste

Cuando se trata de fabricar productos electrónicos, la elección de los materiales para las placas de circuito impreso es fundamental. Existen muchos retos cuando se fabrica en bandas de alta frecuencia, como la 5G. Afortunadamente, PCBA123 ha creado familias de materiales que cumplen los requisitos para este nuevo rango de frecuencias.

Las frecuencias portadoras más altas utilizadas en las redes 5G permitirán mayores velocidades de datos y menor latencia. Esto permitirá una mayor conectividad para un número mucho mayor de dispositivos. Esto significa que el 5G bien podría ser el estándar para el Internet de los objetos. Sin embargo, a medida que aumenta la banda de frecuencia, también lo hace la complejidad de los dispositivos.

Afortunadamente, hay algunas formas de reducir el coste de las placas de circuito impreso. Por ejemplo, una opción es utilizar polímeros de cristal líquido de bajas pérdidas, que tienen una Tg más baja. Aunque esta opción puede reducir los costes, puede introducir nuevos problemas de permitividad. Como alternativa, los fabricantes pueden utilizar cerámicas flexibles y poliimidas, más adecuadas para aplicaciones de baja temperatura.

Dilatación térmica

Los circuitos PCB de alta frecuencia requieren materiales con diferentes características de dilatación térmica. Aunque el FR-4 es el material más comúnmente utilizado en circuitos de alta frecuencia, también hay muchos otros materiales que pueden utilizarse para minimizar las pérdidas. Entre estos materiales se encuentran el politetrafluoroetileno puro (PTFE), el PTFE relleno de cerámica, la cerámica de hidrocarburos y el termoplástico de alta temperatura. Estos materiales varían en valores Dk, y el factor de pérdida se basa en los contaminantes de la superficie, la higroscopicidad del laminado y la temperatura de fabricación.

Los materiales de los circuitos PCB utilizados en las tecnologías 5G tienen que ser resistentes a mayores variaciones de temperatura. El aumento de la resistencia térmica permitirá procesar las placas de circuito utilizando las instalaciones de procesamiento de placas de circuito existentes. Además, las tecnologías 5G requerirán materiales de PCB de mayor calidad. Por ejemplo, Isola MT40 es un material con un bajo coeficiente de expansión térmica en la dirección del espesor, con un Dk/Df de 0,03, lo que indica que es apropiado para aplicaciones de alta frecuencia.

Para garantizar la integridad de la señal, los sistemas 5G necesitarán componentes de alta velocidad y alta frecuencia. Con una gestión térmica eficaz, estos componentes pueden diseñarse para funcionar a la mayor velocidad posible. La conductividad térmica, o TCR, es una propiedad que mide la constante dieléctrica de un sustrato en relación con la temperatura. Cuando un circuito funciona a alta frecuencia, genera calor y pierde rendimiento dieléctrico.