Seleção de materiais para circuitos PCB e sua influência em diferentes bandas de frequência de 5G

A transição para o 5G será uma decisão importante para muitas indústrias, mas a transição dependerá das suas aplicações e operações. Algumas indústrias precisam de adotar a nova tecnologia rapidamente para se manterem competitivas, enquanto outras podem querer levar o seu tempo. Independentemente da indústria em que se encontra, deve considerar os potenciais custos associados à utilização de novos materiais de alta velocidade. O tempo de empilhamento das placas de circuito impresso pode aumentar significativamente com os materiais de alta velocidade, pelo que vale a pena tomar o tempo necessário para tomar a decisão correcta.

Constante dieléctrica

Quando se trata da seleção de materiais para PCB, a constante dieléctrica é uma consideração importante. Determina a rapidez com que o material se expande e contrai quando exposto a uma mudança de temperatura. A taxa de condutividade térmica dos materiais PCB é normalmente medida em watts por metro por Kelvin. Diferentes materiais dieléctricos terão diferentes taxas de condutividade térmica. O cobre, por exemplo, tem uma condutividade térmica de 386 W/M-oC.

Ao selecionar os materiais da placa de circuito impresso, lembre-se de que a constante dieléctrica efectiva do substrato afecta a velocidade das ondas electromagnéticas. A constante dieléctrica do material do substrato da placa de circuito impresso e a geometria do traço determinarão a rapidez com que um sinal pode atravessar o circuito.

A constante dieléctrica é uma consideração fundamental na seleção de materiais PCB para redes 5G. Uma elevada permissividade absorverá os sinais electromagnéticos e degradará a sensibilidade das comunicações. Por conseguinte, é crucial escolher materiais PCB com baixa permissividade.

Espessura do traço

A gama de frequências da tecnologia 5G é maior do que a das técnicas de comunicação sem fios anteriores. Isto significa que as estruturas mais curtas são susceptíveis de serem excitadas pelos sinais. Normalmente, o comprimento de onda de um único traço de PCB é de um centímetro. Com esta gama de frequências, um único traço pode ser uma óptima antena de receção. No entanto, à medida que a gama de frequências se alarga, a suscetibilidade de um traço de PCB aumenta. Assim, é essencial determinar a melhor abordagem de blindagem.

As bandas de frequência da norma 5G estão divididas em duas partes - a banda baixa e a banda alta. A primeira banda é a região das ondas milimétricas, enquanto a segunda banda está abaixo do limiar dos 6 GHz. A banda centrada em torno de 30 GHz e 77 GHz será utilizada para a rede móvel.

A segunda banda é a banda baixa, que é normalmente utilizada no sector da energia para comunicar com parques eólicos remotos, operações mineiras e campos petrolíferos. É também utilizada para ligar sensores inteligentes na agricultura. A banda média 5G, que transmite em torno de 1,7 GHz a 2,5 GHz, proporciona um bom equilíbrio entre velocidade e cobertura. Foi concebida para cobrir grandes áreas e oferecer velocidades relativamente elevadas, que continuam a ser mais rápidas do que as que se podem obter com a Internet doméstica.

Custo

Quando se trata de fabricar produtos electrónicos, a escolha de materiais para PCB é fundamental. Existem muitos desafios quando se fabrica em bandas de alta frequência, como o 5G. Felizmente, a PCBA123 criou famílias de materiais que cumprem os requisitos para esta nova gama de frequências.

As frequências portadoras mais elevadas utilizadas nas redes 5G permitirão taxas de dados mais elevadas e menor latência. Isto permitirá uma maior conetividade para um número muito maior de dispositivos. Isto significa que o 5G pode muito bem ser o padrão para a Internet das Coisas. No entanto, à medida que a banda de frequência aumenta, também aumenta a complexidade dos dispositivos.

Felizmente, existem algumas formas de reduzir o custo dos PCB. Por exemplo, uma opção é utilizar polímeros de cristais líquidos de baixa perda, que têm uma Tg mais baixa. Embora esta opção possa reduzir os custos, pode introduzir novos problemas de permissividade. Em alternativa, os fabricantes podem utilizar cerâmicas flexíveis e poliimidas, que são mais adequadas para aplicações a baixas temperaturas.

Expansão térmica

Os circuitos PCB de alta frequência requerem materiais com diferentes características de expansão térmica. Embora o FR-4 seja o material mais comum utilizado em circuitos de alta frequência, existem também muitos outros materiais que podem ser utilizados para minimizar as perdas. Entre estes materiais encontram-se o politetrafluoroetileno (PTFE) puro, o PTFE com enchimento cerâmico, a cerâmica de hidrocarbonetos e o termoplástico de alta temperatura. Estes materiais variam em valores Dk e o fator de perda baseia-se nos contaminantes da superfície, na higroscopicidade do laminado e na temperatura de fabrico.

Os materiais dos circuitos PCB utilizados nas tecnologias 5G têm de ser resistentes a variações de temperatura mais elevadas. O aumento da resistência térmica permitirá que as placas de circuito sejam processadas utilizando as instalações de processamento de placas de circuito existentes. Além disso, as tecnologias 5G exigirão materiais PCB de maior qualidade. Por exemplo, o Isola MT40 é um material com um baixo coeficiente de expansão térmica na direção da espessura, com um Dk/Df de 0,03, o que indica que é adequado para aplicações de alta frequência.

Para garantir a integridade do sinal, os sistemas 5G exigirão componentes de alta velocidade e alta frequência. Com uma gestão térmica eficaz, estes componentes podem ser concebidos para funcionar à velocidade mais elevada possível. A condutividade térmica, ou TCR, é uma propriedade que mede a constante dieléctrica de um substrato em relação à temperatura. Quando um circuito está a funcionar a alta frequência, gera calor e perde desempenho dielétrico.