Che cosa è un PCB Rogers?

Con lo sviluppo della tecnologia elettronica, la produzione di prodotti elettronici richiede sempre più materiali, come ad esempio i materiali ad alta frequenza.

Prendiamo ad esempio il circuito stampato Rogers. Il materiale per circuiti stampati Rogers è un tipo di circuito stampato ad alta frequenza prodotto dalla Rogers Company, diverso dalla resina epossidica convenzionale. Non presenta fibra di vetro al centro ed è un materiale ad alta frequenza a base ceramica. Quando la frequenza operativa del circuito supera i 500 MHz, la gamma di materiali a disposizione dei progettisti si riduce notevolmente.

Il materiale per PCB Rogers presenta un'eccellente costante dielettrica e stabilità in temperatura, e il suo coefficiente di dilatazione termica della costante dielettrica è molto simile a quello del foglio di rame, il che può essere utilizzato per superare i difetti del substrato in PTFE politetrafluoroetilene. È particolarmente adatto per la progettazione ad alta velocità, nonché per applicazioni commerciali a microonde e RF.

Grazie al suo basso assorbimento d'acqua, può essere utilizzato come scelta ideale in ambienti ad alta umidità, offrendo ai clienti del settore delle schede ad alta frequenza materiali e risorse correlate della migliore qualità e, fondamentalmente, controllando la qualità del prodotto.

In generale, le schede PCB ad alta frequenza Rogers possono essere definite come circuiti stampati PCB con frequenza superiore a 1 GHz. Le loro prestazioni fisiche, la precisione e i parametri tecnici sono molto esigenti e vengono spesso utilizzate in sistemi di comunicazione, sistemi anticollisione per autoveicoli, sistemi satellitari, sistemi radio e altri settori.

La classificazione delle serie di materiali per schede PCB Rogers

Materiale per schede PCB Rogers serie RO3000®:

Basati su materiali circuitali in PTFE caricato con ceramica, i modelli sono RO3003G2™, RO3003™, RO3203™, RO3035™, RO3006™, RO3010™, RO3210™. Materiale per schede PCB Rogers serie RO4000®: il laminato e preimpregnato di idrocarburi caricati con ceramica Ro4000 è una serie di prodotti leader nel settore. I modelli includono: RO4003C, RO4350b, RO4360G2, RO4830, RO4835T, RO4533, RO4534, RO4535, RO4725JXR e RO4730G3.

Materiale per schede PCB Rogers RT/duroid® Laminato:

Il materiale per circuiti ad alta frequenza RT/Duroid® è un laminato composito contenente riempitivo in PTFE (fibra di vetro o ceramica), adatto per applicazioni ad alta affidabilità, aerospaziali e di difesa nazionale. Tra i materiali disponibili: RT/duroid® 5880, RT/duroid® 5880lz, RT/duroid® 5870, RT/duroid® 6002, RT/duroid® 6202, ecc.

Materiale per schede PCB Rogers serie TMM®:

Materiali compositi a base di ceramiche, idrocarburi e polimeri termoindurenti, numeri di modello: TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i e TMM13i, ecc.

Analisi dettagliata dei parametri del PCB Rogers

1. Il substrato della scheda PCB Rogers ha un basso assorbimento d'acqua; un assorbimento d'acqua elevato causerà costante dielettrica e perdita dielettrica quando è bagnato.

2. I coefficienti di dilatazione termica del substrato della scheda PCB Rogers e del foglio di rame devono essere coerenti, altrimenti il foglio di rame si separerà durante il passaggio da caldo a freddo.

3. La perdita dielettrica (Df) del materiale di substrato del circuito stampato Rogers deve essere ridotta, il che influisce principalmente sulla qualità della trasmissione del segnale. Minore è la perdita dielettrica, minore è la perdita di segnale.

4. La costante dielettrica (Dk) del substrato del circuito stampato Rogers deve essere piccola e stabile. In generale, più è piccola, meglio è; la velocità di trasmissione del segnale è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica del materiale. Una costante dielettrica elevata può facilmente causare ritardi nella trasmissione del segnale.

Attualmente, la distribuzione globale del 5G sta accelerando. L'architettura distribuita tradizionale delle stazioni base 3G/4G può essere suddivisa in sistemi BBU, RRU e feeder d'antenna, in cui i sistemi RRU e feeder d'antenna sono collegati tramite il feeder. Poiché il rischio di perdita di trasmissione aumenta con l'aumentare della frequenza, l'architettura integrata di sistemi RRU e feeder d'antenna può ridurre la perdita di segnale sul feeder e migliorare l'efficienza di trasmissione. L'elevata integrazione implica la sostituzione di un gran numero di componenti sparsi con schede PCB, il che in definitiva aumenta l'utilizzo unitario di PCB.

Alcune proprietà dei materiali PCB Rogers

 Nella prototipazione rapida di PCB, il PCB Rogers è un circuito stampato speciale con una certa soglia tecnica, difficile da gestire e costoso. Le fabbriche di prototipazione PCB generica sono troppo complesse da realizzare o, a causa del numero limitato di ordini dei clienti, non vogliono farlo o lo fanno raramente.

Il materiale RO4350B per PCB Rogers consente agli ingegneri RF di progettare circuiti in modo pratico, come l'adattamento di rete, il controllo di impedenza delle linee di trasmissione, ecc. Grazie alla sua bassa perdita dielettrica, il RO4350B offre maggiori vantaggi rispetto ai normali materiali per circuiti stampati nelle applicazioni ad alta frequenza. La fluttuazione della sua costante dielettrica con la temperatura è quasi la più bassa tra materiali simili. In un'ampia gamma di frequenze, la sua costante dielettrica è piuttosto stabile, pari a 3.48, e il valore di progetto raccomandato è 3.66. Il foglio di rame LoPra™ può ridurre la perdita di inserzione. Ciò rende il materiale adatto alle applicazioni a banda larga.

Il materiale RO4003 del circuito stampato Rogers PCB può essere rimosso con una tradizionale spazzola in nylon. Prima di galvanizzare il rame senza elettricità, non è necessario alcun trattamento speciale. La scheda deve essere trattata con un tradizionale processo a base di resina epossidica/vetro. Generalmente, non è necessario rimuovere il foro di foratura poiché il sistema di resina ad alta TG (280°C+[536°F]) non cambia facilmente colore durante il processo di foratura. Se la macchia è causata da operazioni di foratura aggressive, la resina può essere rimossa con un ciclo plasma CF4/O2 standard o con un processo a doppio permanganato alcalino.

I requisiti di cottura dei materiali RO4000 sono equivalenti a quelli della resina epossidica/vetro. Generalmente, le apparecchiature che non cuociono la lastra di resina epossidica/vetro non necessitano di cuocere la lastra di RO4003. Per l'installazione di resina epossidica/vetro cotto nell'ambito del processo convenzionale, si consiglia la cottura a 300 °F, 250 °F (121 °C-149 °C) per 1-2 ore. RO4003 non contiene ritardanti di fiamma. È ovvio che le schede confezionate in unità a infrarossi (IR) o funzionanti a una velocità di trasmissione molto bassa possono raggiungere temperature superiori a 700 °F (371 °C). RO4003 può iniziare a bruciare a queste alte temperature. Il sistema che utilizza ancora il dispositivo di riflusso a infrarossi o altre apparecchiature in grado di raggiungere queste alte temperature deve adottare le precauzioni necessarie per garantire che non vi siano rischi.

RO3003 è un composito in PTFE caricato con ceramica per materiali per circuiti ad alta frequenza, utilizzato in applicazioni commerciali a microonde e radiofrequenza. Questa serie di prodotti è progettata per offrire un'eccellente stabilità elettrica e meccanica a prezzi competitivi. Il materiale Ro3003 di Rogers PCB presenta un'eccellente stabilità della costante dielettrica in tutto l'intervallo di temperatura, eliminando anche la variazione della costante dielettrica quando il materiale in vetro PTFE viene utilizzato a temperatura ambiente. Inoltre, il coefficiente di perdita del laminato Ro3003 è di soli 0.0013-10 GHz.

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Che cos'è il materiale FR4?

Prima di decidere se scegliere PCB FR4 o Rogers, è fondamentale capire di quale materiale FR4 si ha bisogno. Il materiale FR4 è un substrato molto comune per i circuiti stampati, ottenuto laminando un tessuto in fibra di vetro con resina epossidica. I suoi principali vantaggi sono il basso costo e la buona resistenza meccanica, che lo rendono ampiamente utilizzato in vari prodotti elettronici generici, come schede madri per computer e circuiti stampati per TV.

Tuttavia, quando il circuito deve trasmettere segnali ad alta frequenza, il materiale FR4 sembra alquanto inadeguato. Infatti, la sua costante dielettrica varia con la frequenza, il che comporta una notevole perdita di segnale e un degrado delle prestazioni.

Materiali per PCB FR4 o Rogers: quale scegliere?

Ecco la tabella di confronto tra il materiale dielettrico FR4 e il materiale per PCB Rogers, che mostra le differenze nelle proprietà chiave, nelle prestazioni e nell'idoneità all'applicazione:

Nella scelta tra il materiale dielettrico FR4 e il materiale per PCB Rogers, il fattore più importante è dove verrà utilizzato il circuito:

FR4: Se si lavora su prodotti elettronici generici e a bassa frequenza con un budget limitato, allora FR4 è già una buona scelta.

Circuito stampato Rogers: Tuttavia, se il circuito deve gestire segnali RF, microonde o segnali digitali ad alta velocità (come le comunicazioni 5G o i sistemi radar), è meglio utilizzare i PCB Rogers perché offrono prestazioni più stabili e una minore perdita di segnale.

Naturalmente, a volte entrambi i materiali possono essere utilizzati insieme, combinando il materiale per circuiti stampati Rogers e il materiale dielettrico FR4 sulla stessa scheda. In questo modo, è possibile garantire prestazioni elevate e al contempo risparmiare sui costi. È un approccio comune in molte applicazioni avanzate.

Rogers PCB e PTFE PCB: PCB ad alta frequenza

Nei campi delle radiofrequenze (RF) e delle microonde, il PCB in PTFE (politetrafluoroetilene PCB) è un circuito stampato ad alta frequenza di grande importanza. Le sue caratteristiche più importanti sono la bassissima perdita di segnale, le elevate prestazioni di trasmissione e la resistenza alle alte temperature. Per questo motivo, viene spesso utilizzato in dispositivi con requisiti di alte prestazioni, come radar, comunicazioni satellitari, stazioni base 5G, moduli di comunicazione ad alta frequenza, ecc.

Molti materiali di alta qualità per PCB Rogers sono in realtà sviluppati a base di PTFE. Ad esempio, le serie RT/duroid e RO3000 di Rogers appartengono tutte alla famiglia dei PCB in PTFE. Questi materiali mantengono una costante dielettrica stabile in ambienti ad alta frequenza, con perdite di trasmissione del segnale molto basse, il che li rende particolarmente adatti per circuiti ad alta velocità e RF.

Al contrario, i PCB FR4 tradizionali offrono prestazioni inferiori alle alte frequenze: le loro costanti dielettriche sono instabili e i segnali sono soggetti ad attenuazione, rendendo impossibile la produzione di prodotti ad alte prestazioni. Pertanto, se si lavora a progetti ad alta frequenza o ad alta affidabilità, come il 5G o i radar, sarebbe più appropriato scegliere materiali per circuiti stampati Rogers o PCB in PTFE.

La banda ad alta frequenza costringe i materiali PCB a diventare ad alta frequenza

Attualmente, la diffusione globale del 5G sta accelerando. L'architettura distribuita tradizionale delle stazioni base 3G/4G può essere suddivisa in sistemi BBU, RRU e feeder d'antenna, in cui i sistemi RRU e feeder d'antenna sono collegati tramite il feeder. Poiché il rischio di perdita di trasmissione aumenta con l'aumentare della frequenza, l'architettura integrata di sistemi RRU e feeder d'antenna può ridurre la perdita di segnale sul feeder e migliorare l'efficienza di trasmissione. L'elevata integrazione consente di sostituire un gran numero di componenti sparsi con schede PCB, il che in definitiva aumenta l'utilizzo unitario di PCB.

L'era 5G deve utilizzare la banda ad alta frequenza (il 3GPP ha specificato che la gamma di frequenza supportata dal 5GNR è 450 MHz-52.6 GHz) perché:

1. Dopo l'iterazione delle prime quattro generazioni di tecnologie di comunicazione, le risorse nella banda a bassa frequenza sono state occupate e non ci sono molte risorse disponibili per lo sviluppo del 5G;

2. Maggiore è la frequenza, maggiore è la quantità di informazioni che possono essere caricate, più ricche sono le risorse e, di conseguenza, maggiore è la velocità di trasmissione (ad esempio, solo cinque canali da 20 MHz possono essere suddivisi in 100 MHz, mentre 50 canali da 20 MHz possono essere suddivisi in 1 GHz). A causa del fenomeno di risonanza causato dal carico e dall'influenza dell'effetto della linea di trasmissione, maggiore è la frequenza delle onde elettromagnetiche, maggiore sarà l'attenuazione. 

Per ottenere una trasmissione efficiente ad alta frequenza, è necessario controllare la perdita di segnale sul ricetrasmettitore e sui dispositivi di trasmissione, e i relativi dispositivi di supporto saranno sostituiti da piastre ordinarie in passato con piastre ad alta frequenza (come il materiale Rogers PCB RO4350). Nello specifico, l'antenna terminale utilizzava originariamente FPC (circuito stampato flessibile) con PI come materiale principale, ma a causa della costante dielettrica (Dk, la capacità del mezzo di bloccare gli elettroni) e della perdita dielettrica (Df, la capacità del mezzo di trasmissione di convertire l'energia elettrica in energia termica) entrambe elevate, quindi l'efficienza di trasmissione è bassa. Pertanto, la tendenza a sostituire PI con polimeri a cristalli liquidi (LCP) con Dk e Df inferiori sta diventando sempre più diffusa. 

Attualmente, l'LCP è stato introdotto nei telefoni cellulari Apple e si prevede che i materiali LCP diventeranno materiali di uso comune in futuro. Prendendo Apple come esempio, il singolo modulo LCP di iPhone X costa circa 4-5 dollari per antenna.

La stazione base necessita anche di materiali ad alta frequenza (come il materiale Rogers PCB RO4350). Attualmente, la soluzione più diffusa prevede l'utilizzo di politetrafluoroetilene (PTFE) o PCB in idrocarburi (con ottime proprietà dielettriche). Il costo unitario aumenta di circa 1.5-3 volte. È necessaria una scheda AC ad alta frequenza presso la RRU della stazione base 3G/4G. Tra questi, i materiali ad alta frequenza (come il materiale Rogers PCB RO4350) sono necessari per i PCB degli amplificatori di potenza RF. La domanda di schede PCB ad alta frequenza (come il materiale Rogers PCB RO4350) per schede AC a media e alta frequenza per AAU 5G aumenterà, e la quantità di materiali ad alta frequenza utilizzati nelle schede PCB aumenterà, aumentando così il valore di ogni singola scheda.

Il circuito stampato ad alta frequenza (PCB) è un tipo speciale di laminato rivestito in rame con substrato per microonde ad alta frequenza, noto anche come circuito stampato per microonde ad alta frequenza, che può essere trasformato in un PCB ad alta frequenza mediante ulteriore lavorazione. Il circuito stampato Rogers, realizzato con il materiale ad alta frequenza Rogers PCB, è ampiamente utilizzato nelle stazioni base e nelle antenne per comunicazioni aeronautiche, con un'elevata domanda e promettenti prospettive di mercato.

In qualità di fornitore leader mondiale di piastre speciali, Rogers Board detiene una quota di mercato globale superiore al 50% e vanta 20 anni di esperienza nel settore delle antenne a radiofrequenza per stazioni base. L'azienda ha istituito un terzo centro di ricerca e sviluppo negli Stati Uniti, focalizzato sulla ricerca e sviluppo di prodotti 5G, e ha lanciato una scheda ad alta frequenza per antenne RF 5G. Con l'espansione della scala commerciale del 5G, l'azienda si appresta a inaugurare una flessibilità ad alte prestazioni.

Il mercato è consapevole che il 5G ha una forte domanda di schede ad alta frequenza, ma non sa che la maggiore elasticità della domanda riguarda le schede PCB Rogers per le antenne delle stazioni base. Poiché la banda di frequenza dell'applicazione 5G è superiore a quella del 4G, è necessario adattarsi alle schede PCB Rogers per onde millimetriche e il trend di sviluppo delle antenne si orienterà verso la multi-ricezione, la multi-trasmissione e la miniaturizzazione. Il numero di porte per antenna è aumentato dalle tradizionali 4 e 8 porte a 64 e 128 porte, e la domanda di schede PCB Rogers per applicazioni di antenna è aumentata drasticamente.

Dopo una ricerca di settore, si stima prudentemente che il costo di approvvigionamento dei materiali di inizializzazione per un'antenna 5G sia 3-4 volte superiore a quello di un'antenna multimodale 4G, e che il numero di schede PCB Rogers utilizzate nelle antenne multi-ricevitore e multi-trasmettitore sia superiore a quello delle antenne multimodali. Pertanto, lo spazio di mercato di una scheda ad alta frequenza per un'antenna per stazione base 5G si espande di almeno 4-6 volte. Con l'avvento dell'era commerciale del 5G, il mercato delle schede PCB Rogers offre ampie prospettive.