O que é uma PCB Rogers?

Com o desenvolvimento da tecnologia eletrônica, a produção de produtos eletrônicos exige cada vez mais materiais, como materiais de alta frequência.

Tomemos como exemplo o Rogers PCB. O material do Rogers PCB é um tipo de placa de alta frequência produzida pela Rogers Company, diferente da resina epóxi para placas de circuito impresso convencionais. Não possui fibra de vidro no meio e é um material de alta frequência à base de cerâmica. Quando a frequência de operação do circuito é superior a 500 MHz, a gama de materiais disponíveis para os engenheiros de projeto é bastante reduzida.

O material PCB da Rogers possui excelente constante dielétrica e estabilidade térmica, e seu coeficiente de expansão térmica da constante dielétrica é muito consistente com o da folha de cobre, o que pode ser usado para melhorar as deficiências do substrato de politetrafluoroetileno PTFE. É muito adequado para projetos de alta velocidade, bem como para aplicações comerciais de micro-ondas e RF.

Devido à sua baixa absorção de água, ele pode ser usado como uma escolha ideal em ambientes de alta umidade, fornecendo aos clientes do setor de placas de alta frequência materiais da melhor qualidade e recursos relacionados, além de controlar fundamentalmente a qualidade do produto.

Em termos gerais, a placa de circuito impresso de alta frequência Rogers PCB pode ser definida como uma placa de circuito impresso com frequência acima de 1 GHz. Seu desempenho físico, precisão e parâmetros técnicos são muito exigentes, sendo frequentemente utilizada em sistemas de comunicação, sistemas anticolisão de automóveis, sistemas de satélite, sistemas de rádio e outros campos.

Classificação da série de materiais de placas de circuito impresso da Rogers

Material da placa PCB Rogers série RO3000®:

Baseados em materiais de circuito PTFE com preenchimento cerâmico, os modelos são RO3003G2™, RO3003™, RO3203™, RO3035™, RO3006™, RO3010™ e RO3210™. Material para placas de circuito impresso da Rogers, série RO4000®: o laminado de hidrocarboneto com preenchimento cerâmico e o pré-impregnado Ro4000 são uma série de produtos líder no setor. Os modelos incluem: RO4003C, RO4350b, RO4360G2, RO4830, RO4835T, RO4533, RO4534, RO4535, RO4725JXR e RO4730G3.

Material da placa PCB Rogers RT/duroid® Laminado:

O material do circuito de alta frequência RT/Duroid® é um laminado composto contendo PTFE (fibra de vidro aleatória ou cerâmica), adequado para aplicações de alta confiabilidade, aeroespaciais e de defesa nacional. Inclui: RT/duroid® 5880, RT/duroid® 5880lz, RT/duroid® 5870, RT/duroid® 6002, RT/duroid® 6202, etc.

Material da placa PCB Rogers série TMM®:

Materiais compostos baseados em cerâmicas, hidrocarbonetos e polímeros termoendurecíveis, números de modelo: TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i e TMM13i, etc.

Análise detalhada dos parâmetros do PCB da Rogers

1. O substrato da placa PCB da Rogers tem baixa absorção de água, e alta absorção de água causará constante dielétrica e perda dielétrica quando estiver molhado.

2. Os coeficientes de expansão térmica do substrato da placa PCB Rogers e da folha de cobre devem ser consistentes, caso contrário, a folha de cobre será separada durante a troca de calor e frio.

3. A perda dielétrica (Df) do substrato da placa PCB Rogers deve ser pequena, o que afeta principalmente a qualidade da transmissão do sinal. Quanto menor a perda dielétrica, menor a perda de sinal.

4. A constante dielétrica (Dk) do substrato da placa PCB Rogers deve ser pequena e estável. Em geral, quanto menor, melhor; a taxa de transmissão do sinal é inversamente proporcional à raiz quadrada da constante dielétrica do material. Uma constante dielétrica alta pode facilmente causar atrasos na transmissão do sinal.

Atualmente, o layout global do 5G está se acelerando. A arquitetura distribuída tradicional de estações base 3G/4G pode ser dividida em BBU, RRU e sistemas alimentadores de antena, nos quais a RRU e os sistemas alimentadores de antena são conectados pelo alimentador. Como o risco de perda de transmissão aumenta com a alta frequência, a arquitetura de sistemas integrados de RRU e alimentadores de antena pode reduzir a perda de sinal no alimentador e melhorar a eficiência da transmissão. A alta integração significa que um grande número de componentes dispersos são substituídos por placas de circuito impresso (PCB), o que, em última análise, aumenta o uso unitário de PCB.

Algumas propriedades do material PCB da Rogers

 Na prototipagem rápida de PCB, a Rogers PCB é uma placa de circuito especial com um certo limite técnico, sendo difícil de operar e de alto custo. Fábricas de protótipos de PCB em geral são muito problemáticas para fabricar ou, devido ao pequeno número de pedidos dos clientes, não querem ou raramente o fazem.

O material RO4350B para PCB da Rogers permite que engenheiros de RF projetem circuitos de forma conveniente, como casamento de redes, controle de impedância de linhas de transmissão, etc. Devido à sua baixa perda dielétrica, o RO4350B apresenta mais vantagens do que materiais comuns para placas de circuito em aplicações de alta frequência. A flutuação de sua constante dielétrica com a temperatura é quase a mais baixa entre materiais similares. Em uma ampla faixa de frequência, sua constante dielétrica é bastante estável, 3.48, e o valor de projeto recomendado é 3.66. A folha de cobre LoPra™ pode reduzir a perda de inserção, tornando o material adequado para aplicações de banda larga.

O material da PCB RO4003 da Rogers pode ser removido com uma escova de náilon tradicional. Antes da galvanoplastia de cobre sem eletricidade, nenhum tratamento especial é necessário. A placa deve ser tratada com um processo tradicional de resina epóxi/vidro. Geralmente, não é necessário remover o furo de perfuração, pois o sistema de resina de alta TG (280 °C + [536 °F]) não muda de cor facilmente durante o processo de perfuração. Se a mancha for causada por operações de perfuração agressivas, a resina pode ser removida por um ciclo de plasma padrão de CF4/O2 ou por um processo de permanganato alcalino duplo.

Os requisitos de cozimento dos materiais RO4000 são equivalentes aos da resina epóxi/vidro. Geralmente, o equipamento que não cozinha a resina epóxi/placa de vidro não precisa cozinhar a placa RO4003. Para instalar a resina epóxi/vidro cozido como parte do processo convencional, recomendamos o cozimento a 300 °F, 250 °F (121 °C-149 °C) por 1 a 2 horas. O RO4003 não contém retardante de chamas. É compreensível que placas embaladas em unidades de infravermelho (IR) ou operando em uma velocidade de transmissão muito baixa possam atingir temperaturas superiores a 700 °F (371 °C). O RO4003 pode começar a queimar nessas altas temperaturas. O sistema que ainda utiliza o dispositivo de refluxo infravermelho ou outro equipamento que pode atingir essas altas temperaturas deve tomar as precauções necessárias para garantir que não haja risco.

O RO3003 é um compósito de PTFE com preenchimento cerâmico para materiais de circuitos de alta frequência, utilizado em aplicações comerciais de micro-ondas e radiofrequência. Esta série de produtos foi projetada para proporcionar excelente estabilidade elétrica e mecânica a preços competitivos. O material Ro3003 da Rogers PCB possui excelente estabilidade da constante dielétrica em toda a faixa de temperatura, incluindo a eliminação da variação da constante dielétrica quando o material de vidro PTFE é utilizado à temperatura ambiente. Além disso, o coeficiente de perda do laminado Ro3003 é de apenas 0.0013 a 10 GHz.

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O que é o material FR4?

Antes de decidir entre PCBs FR4 ou Rogers, é crucial descobrir qual material FR4 é necessário. O material FR4 é um substrato muito comum para placas de circuito, feito pela laminação de tecido de fibra de vidro com resina epóxi. Suas maiores vantagens são o baixo custo e a boa resistência mecânica, por isso é amplamente utilizado em diversos produtos eletrônicos em geral, como placas-mãe de computadores e placas de circuito de TV.

No entanto, quando seu circuito precisa transmitir sinais de alta frequência, o material FR4 parece um tanto inadequado, pois sua constante dielétrica varia com a frequência, o que leva a grandes perdas de sinal e degradação do desempenho.

Materiais para PCB FR4 ou Rogers: qual devemos escolher?

Aqui está a tabela de comparação entre o material dielétrico FR4 e o material PCB da Rogers, mostrando diferenças nas principais propriedades, desempenho e adequação à aplicação:

Ao escolher entre o material dielétrico FR4 e o material de PCB Rogers, o fator mais importante é onde seu circuito será usado:

FR4: Se você estiver trabalhando com produtos eletrônicos de baixa frequência e uso geral com um orçamento limitado, o FR4 já é bom o suficiente.

PCB Rogers: Mas se o seu circuito precisa lidar com sinais de RF, micro-ondas ou sinais digitais de alta velocidade (como comunicação 5G ou sistemas de radar), é melhor usar PCBs Rogers porque eles oferecem desempenho mais estável e menor perda de sinal.

É claro que, às vezes, ambos os materiais podem ser usados ​​juntos — combinando o material da placa de circuito Rogers e o material dielétrico FR4 na mesma placa. Dessa forma, você garante o desempenho e, ao mesmo tempo, economiza custos. É uma abordagem comum em muitas aplicações avançadas.

Rogers PCB e PCB de PTFE: PCBs de alta frequência

Nas áreas de radiofrequência (RF) e micro-ondas, a PCB de PTFE (PCB de politetrafluoretileno) é uma placa de circuito impresso de alta frequência muito importante. Suas características mais marcantes são a perda de sinal extremamente baixa, o alto desempenho de transmissão e a capacidade de suportar altas temperaturas. Por isso, é frequentemente utilizada em alguns dispositivos com requisitos de alto desempenho, como radares, comunicações via satélite, estações rádio-base 5G, módulos de comunicação de alta frequência, etc.

Muitos materiais de PCB de alta qualidade da Rogers são, na verdade, desenvolvidos com base em PTFE. Por exemplo, as séries RT/duroid e RO3000 da Rogers pertencem a PCBs de PTFE. Esses materiais conseguem manter uma constante dielétrica estável em ambientes de alta frequência, com baixíssima perda de transmissão de sinal, tornando-os altamente adequados para circuitos de alta velocidade e RF.

Em contraste, os PCBs FR4 tradicionais apresentam desempenho inferior em altas frequências: suas constantes dielétricas são instáveis ​​e os sinais são propensos à atenuação, impossibilitando a produção de produtos de alto desempenho. Portanto, se você estiver trabalhando em projetos de alta frequência ou alta confiabilidade, como 5G ou radar, seria mais apropriado escolher materiais de placa de circuito Rogers ou PCBs de PTFE.

A banda de alta frequência força os materiais de PCB a se tornarem de alta frequência

Atualmente, o layout global do 5G está se acelerando. A arquitetura distribuída tradicional de estações base 3G/4G pode ser dividida em BBU, RRU e sistemas alimentadores de antena, nos quais a RRU e os sistemas alimentadores de antena são conectados pelo alimentador. Como o risco de perda de transmissão aumenta com a alta frequência, a arquitetura de sistemas integrados de RRU e alimentadores de antena pode reduzir a perda de sinal no alimentador e melhorar a eficiência da transmissão. A alta integração faz com que um grande número de componentes dispersos sejam substituídos por placas de circuito impresso (PCB), o que, em última análise, aumenta o uso unitário de PCB.

A era 5G deve fazer uso da banda de alta frequência (o 3GPP especificou que a faixa de frequência suportada pelo 5GNR é de 450 MHz a 52.6 GHz) porque:

1. Após a iteração das quatro primeiras gerações de tecnologias de comunicação, os recursos na banda de baixa frequência foram ocupados e não há muitos recursos disponíveis para o desenvolvimento do 5G;

2. Quanto maior a frequência, mais informações podem ser carregadas, mais ricos os recursos e, portanto, maior a taxa de transmissão (por exemplo, apenas cinco canais de 20 MHz podem ser divididos em 100 MHz, enquanto 50 canais de 20 MHz podem ser divididos em 1 GHz). Devido ao fenômeno de ressonância causado pela carga e à influência do efeito da linha de transmissão, quanto maior a frequência das ondas eletromagnéticas, mais severa será a atenuação. 

Para realizar uma transmissão eficiente em alta frequência, é necessário controlar a perda de sinal no transceptor e nos dispositivos de transmissão, e os dispositivos de suporte correspondentes serão substituídos por placas de alta frequência (como o material Rogers PCB RO4350). Especificamente, a antena terminal originalmente utilizava FPC (placa de circuito impresso flexível) com PI como material principal, mas devido à constante dielétrica (Dk, a capacidade do meio de bloquear elétrons) e à perda dielétrica (Df, a capacidade do meio de transmissão de converter energia elétrica em energia térmica), a eficiência de transmissão é baixa. Portanto, a tendência de substituir o PI por polímero de cristal líquido (LCP) com Dk e Df mais baixos está se tornando cada vez mais proeminente. 

Atualmente, o LCP foi introduzido em celulares da Apple, e espera-se que os materiais do LCP se tornem materiais populares no futuro. Tomando a Apple como exemplo, o módulo LCP individual no iPhone X custa cerca de 4 a 5 dólares por antena.

A estação base também precisa de materiais de alta frequência (como o material Rogers PCB RO4350). Atualmente, o esquema principal é usar politetrafluoretileno (PTFE) ou PCB de hidrocarboneto (com propriedades dielétricas muito boas). O custo unitário aumenta em cerca de 1.5 a 3 vezes. Uma placa CA de alta frequência é necessária na RRU da estação base 3G/4G. Entre eles, materiais de alta frequência (como o material Rogers PCB RO4350) são necessários para a PCB de amplificadores de potência de RF. A demanda por placas PCB de alta frequência (como o material Rogers PCB RO4350) para placas CA de média e alta frequência 5G AAU aumentará, e a quantidade de materiais de alta frequência usados ​​na placa PCB aumentará, aumentando assim o valor de uma única placa.

A placa PCB de alta frequência é um tipo especial de laminado revestido de cobre com substrato de micro-ondas de alta frequência, também chamada de placa PCB de micro-ondas de alta frequência, que pode ser transformada em PCB de alta frequência por processamento adicional. A placa PCB Rogers, feita com material de alta frequência da Rogers PCB, é amplamente utilizada em estações base de comunicação e antenas de aviação, com alta demanda e perspectivas de mercado promissoras.

Como fornecedora líder mundial de placas especiais, a Rogers Board detém uma participação de mercado global de mais de 50% e possui 20 anos de experiência no setor de radiofrequência para antenas de estação base. A empresa estabeleceu um terceiro centro de P&D nos Estados Unidos, com foco em P&D de produtos 5G, e lançou uma placa de alta frequência para RF de antenas 5G. Com a expansão da escala comercial do 5G, a empresa está prestes a inaugurar a flexibilidade de alto desempenho.

O mercado sabe que o 5G tem uma grande demanda por placas de alta frequência, mas desconhece que a maior elasticidade da demanda reside nas placas Rogers PCB para antenas de estações base. Como a banda de frequência da aplicação 5G é maior que a do 4G, é necessário adaptar-se à placa Rogers PCB de ondas milimétricas, e a tendência de desenvolvimento da antena se voltará para multirrecepção, multitransmissão e miniaturização. O número de portas de antena aumentou das tradicionais 4 e 8 portas para 64 e 128 portas, e a demanda por placas Rogers PCB para aplicações de antena aumentou drasticamente.

Após pesquisas do setor, estima-se, de forma conservadora, que o custo de aquisição de materiais de inicialização para uma antena 5G seja de 3 a 4 vezes maior que o de uma antena multimodo 4G, e que o número de placas de circuito impresso Rogers usadas em antenas multirreceptoras e multitransmissoras seja maior do que o de antenas multimodo. Portanto, o mercado de placas de alta frequência para antenas de estação base 5G se expande em pelo menos 4 a 6 vezes. Com o advento da era comercial do 5G, o mercado de placas de circuito impresso Rogers tem uma ampla perspectiva.