¿Qué es un circuito impreso de alta frecuencia?

A PCB de alta frecuencia es una placa de circuito impreso (PCB) especial que se utiliza para señales de alta frecuencia electromagnética. Estas placas son para frecuencias de radio superiores a unos 300 MHz (longitud de onda < 1 m) y para frecuencias de microondas superiores a unos 3 GHz (longitud de onda < 0,1 m). Se fabrican en laminados revestidos de cobre para microondas. La producción puede utilizar algunos pasos estándar de PCB rígidos o utilizar métodos especiales para estos materiales.

Con los rápidos avances tecnológicos, cada vez hay más dispositivos que funcionan en la banda de microondas (>1 GHz) e incluso en rangos de ondas milimétricas (>30 GHz). Esto significa que las frecuencias aumentan y las necesidades de materiales también. Los materiales de base deben tener muy buenas propiedades eléctricas y buena estabilidad química. A medida que aumenta la frecuencia de la señal, la pérdida de material debe mantenerse muy baja. Con la llegada de la 5G, los materiales de alta frecuencia cobraron mayor importancia.

Ventajas de las placas de circuito impreso de alta frecuencia

1. 1. Alta eficacia
Los materiales con baja constante dieléctrica provocan bajas pérdidas. El moderno calentamiento por inducción y otros métodos permiten alcanzar los objetivos y mantener una alta eficiencia. Estas placas también ayudan a reducir los residuos y se ajustan a los objetivos ecológicos.

2. Alta velocidad
La velocidad de la señal es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica. Una constante dieléctrica más baja significa una transmisión más rápida. Los materiales especiales mantienen la constante dieléctrica baja y estable. Esto ayuda a la transferencia de la señal.

3. Buen control del calentamiento o el procesamiento
Las placas de alta frecuencia se utilizan en muchos campos que necesitan un calentamiento preciso de piezas metálicas. Puede controlar la profundidad y el lugar de calentamiento. Puede centrarse en el calentamiento superficial o profundo. Puede calentar de forma concentrada o dispersa. La placa permite un control preciso.

4. Gran durabilidad
La constante dieléctrica y el material dieléctrico dependen del entorno. En zonas húmedas, la humedad daña las tarjetas. Las placas de alta frecuencia fabricadas con materiales de baja absorción de agua resisten esta situación. Resisten la corrosión química, la humedad, el calor elevado y tienen una alta resistencia al pelado. Estas cualidades las hacen resistentes en entornos difíciles.

Materiales comunes para placas de circuito impreso de alta frecuencia y alta velocidad

(Utilice estos materiales de ejemplo como punto de partida. Cada diseño necesita la elección de material adecuada para la frecuencia y la disposición).

Diferencia entre las tarjetas de alta frecuencia y las tarjetas HDI

Las placas de circuito impreso de alta frecuencia se utilizan en radares, instrumentos de prueba, sistemas anticolisión para automóviles, satélites de comunicaciones, sistemas inalámbricos y otros campos. Las placas HDI (High Density Interconnect) son para dispositivos pequeños con muchos componentes. HDI suele utilizar placas de doble cara en productos de pequeño volumen.

Una placa de alta frecuencia necesita un control de procesos y una precisión muy elevados. Muchas veces los diseñadores parten de epoxi de vidrio FR-4, pero las verdaderas placas de alta frecuencia utilizan laminados especiales. La placa debe tener una constante dieléctrica pequeña y estable, baja pérdida dieléctrica, baja absorción de agua, alta tolerancia a la temperatura y buena resistencia a la corrosión.

Una placa HDI utiliza micro vías ciegas para alcanzar una alta densidad de enrutamiento. Dispone de rutas internas y externas que se conectan mediante taladrado y chapado. HDI es para productos compactos. Algunos diseños de HDI utilizan módulos paralelos modulares y un potente control DSP para las funciones de alimentación y carga.

Tipos / Clasificación de las tarjetas de alta frecuencia

A continuación figuran los tipos más comunes y notas sobre su tratamiento:

1. Termoestables rellenos de polvo (rellenos de cerámica)

• Materiales y proveedores: Rogers 4350B / 4003C; Arlon 25N / 25FR; Taconic serie TLG.

• Procesamiento: Los pasos son similares a los laminados de vidrio epoxi FR-4. Sin embargo, las placas son frágiles y fáciles de romper. La vida útil de las brocas y fresas es de unos 20%. Manipular con cuidado.

2. PTFE (politetrafluoroetileno, teflón)

• Materiales y proveedores:

  • Rogers: Serie RO3000, serie RT, serie TMM

  • Arlon: Series AD/AR, IsoClad, CuClad

  • Taconic: Serie RF, serie TLX, serie TLY

  • Microondas Taixing: F4B / F4BM / F4BK / TP-2B

• Notas de procesamiento para PTFE:

  • Mantenga una película protectora al cortar las hojas en bruto para evitar arañazos y marcas de presión.

  • Utilice brocas nuevas (se recomiendan las brocas estándar #130). Para obtener mejores resultados, taladre una hoja cada vez. Mantenga la presión de apriete a ~40 psi.

  • Utilice un tope trasero de aluminio y almohadillas de melamina de 1 mm para sujetar el PTFE durante el taladrado.

  • Después de taladrar, elimine el polvo de los orificios con aire caliente.

  • Utilice una taladradora estable. Para orificios pequeños, aumente la velocidad y reduzca la carga de viruta y la velocidad de retorno del husillo.

  • Tratamiento de la superficie del orificio: el plasma a baja temperatura o la activación con naftaleno sódico ayudan a la metalización del orificio.

  • Hay que prestar atención a la deposición y adherencia del cobre PTH (chapado a través de orificios).

3. Deposición de cobre PTH

• Después del micrograbado (control de ~20 micropulgadas), realice el PTH. Si es necesario, realice una segunda pasada de PTH según lo requiera el trazado de la placa.

4. Proceso de máscara de soldadura (máscara verde)

• Tratamiento previo: limpieza ácida/alcalina; evitar el lijado mecánico.

• Tras el preprocesado, hornear el cartón (90°C durante 30 min) y aplicar película seca.

• Hornear en tres fases: 80°C, 100°C, 150°C, 30 min cada una. Si la mascarilla muestra manchas de aceite, retírela y repita el tratamiento de activación.

5. Fresado de placas de PTFE

• Utilice papel fino en el lado de la traza de PTFE y sujete con FR-4 o soporte fenólico durante el trazado.

• Después del fresado, acabe a mano las rebabas de los bordes e inspecciónelas cuidadosamente. Evite dañar el cobre y la superficie de la placa. Utilice papel de separación sin azufre. Reduzca bien las rebabas. El paso de fresado debe dejar un buen acabado en los bordes.

Flujo de producción de placas de PTFE de alta frecuencia

A continuación se presentan tres flujos de procesos habituales. Los he puesto en una tabla para mayor claridad.

Nota: Cada paso del proceso debe controlar estrictamente los arañazos superficiales y otros defectos.

Aplicaciones de las placas de circuito impreso de alta frecuencia

Los PCB de alta frecuencia suelen aparecer en:

• Amplificadores de potencia y amplificadores de bajo ruido (LNA)

• Productos de comunicación móvil y sistemas de iluminación inteligentes

• Divisores de potencia, acopladores, duplexores, filtros y otros dispositivos pasivos

• Sistemas anticolisión para automóviles, satélites de comunicaciones, sistemas de telefonía inalámbrica

• En resumen, la electrónica se mueve hacia frecuencias más altas y las placas de alta frecuencia siguen esta tendencia.

Cómo diseñar placas de circuito impreso de alta frecuencia

En el diseño de placas de circuito impreso de alta frecuencia, la disposición del plano de potencia es fundamental. Suele colocarse en su propia capa. Esto ayuda a que el circuito siga el camino de menor impedancia. El plano de potencia debe proporcionar vías de retorno para todas las señales de la placa de circuito impreso. Así se reduce el área de bucle y el ruido. Los diseñadores de baja frecuencia suelen ignorar algunos de estos problemas de ruido.

Siga estas reglas en el diseño de PCB de alta frecuencia:

• Mantener el poder y el suelo estables y unificados.

• Un enrutamiento cuidadoso y una terminación correcta eliminan las reflexiones.

• Un enrutamiento cuidadoso y una terminación correcta reducen la capacitancia y la diafonía medida.

A continuación amplío varios temas clave.

(1) Anchura de la línea de transmisión

La anchura de la línea de transmisión en el diseño de PCB de alta frecuencia debe seguir la teoría de adaptación de impedancias.

Adaptación de impedancias
Cuando la impedancia de entrada/salida y la impedancia de la línea de transmisión coinciden, el sistema proporciona la máxima potencia de salida y la mínima reflexión. En los circuitos de microondas, la adaptación también debe tener en cuenta los puntos de polarización de los dispositivos. Las vías en las líneas de señal cambian las propiedades de transmisión. Para TTL y CMOS, la impedancia característica es alta, por lo que el efecto es pequeño. Pero para las líneas de RF de baja impedancia de 50 Ω, deben tenerse en cuenta las vías. Por lo general, evite las vías en este tipo de líneas.

(2) Diafonía entre líneas de transmisión paralelas

Cuando dos líneas microstrip discurren próximas y paralelas, se produce acoplamiento. Provocan diafonía y cambian la impedancia característica de la línea. Preste atención a los circuitos de 50 Ω y 75 Ω. Los diseñadores pueden utilizar el acoplamiento para algunas funciones, como los acopladores direccionales o la medición de potencia. Valores de ejemplo de un diseño (amplificador de estación base de extremo PCS de 1,97 GHz, dieléctrico εr = 3,48):

• Para un acoplador direccional de 10 dB: S = 5 mil, l = 920 mil, W = 53 mil

• Para un acoplador direccional de 20 dB: S = 35 mil, l = 920 mil, W = 62 mil

Para reducir la diafonía, sigue estas reglas:

A. Mantenga la separación S entre líneas paralelas de alta frecuencia o alta velocidad al menos a un ancho de línea.
B. Reduzca la longitud paralela siempre que sea posible.
C. Mantenga las pequeñas señales de alta frecuencia alejadas de las líneas de alimentación y lógicas que pueden causar fuertes interferencias.

(3) Suelo mediante análisis electromagnético

Para las patillas de tierra del circuito integrado u otras patillas de tierra, coloque vías de tierra cerca de las patillas en circuitos de alta frecuencia. La idea: una vía de tierra corta actúa como una impedancia inductiva. La vía de tierra también parece inductiva. Esto afecta al funcionamiento del filtro. Por ello, coloque las vías de tierra cerca de las patillas. Para reducir la carga inductiva, utilice más vías de tierra que en las placas de baja frecuencia. Esto aumenta la capacidad de corriente a tierra y ayuda a mantener todos los puntos cerca de 0 V.

(4) Filtrado de potencia

En TTL y CMOS, los diseñadores añaden condensadores de derivación cerca de los pines de alimentación para reducir el ruido lógico. En los circuitos de alta frecuencia y microondas, esto no es suficiente. Las señales de alta frecuencia producen interferencias de alta frecuencia en la alimentación. Utilice inductores y condensadores en serie. Elija los inductores en función de la frecuencia de trabajo. Ejemplo: para filtrar ruido >1 MHz con C = 0,1 μF, elija L = 1 μH. Cuando añada inductancia en las patillas de señal de circuito abierto del colector, tenga cuidado. La inductancia actúa entonces como una inductancia de adaptación.

(5) Blindaje

Utilice apantallamiento para proteger las señales pequeñas o de alta frecuencia. De este modo se reducen las interferencias de señales fuertes y se reduce la EMI. Algunas directrices:

A. En los diseños digitales/analógicos de baja frecuencia (<30 MHz) de pequeña señal, divida las masas digitales y analógicas, y vierta el plano de tierra en las zonas de pequeña señal. Mantenga una distancia entre la toma de tierra y las trazas mayor que la anchura de la traza.

B. En el diseño de señales pequeñas digitales/analógicas de alta frecuencia, añada latas de blindaje o vías de tierra cosidas para aislar las zonas.

C. Para circuitos de alta potencia y alta frecuencia, convierta la parte de alta frecuencia en un módulo funcional independiente y añada una caja metálica de blindaje para reducir la radiación. Por ejemplo, módulos transceptores de fibra óptica a 155 M, 622 M o 2 Gb/s.

Una PCB multicapa para teléfono móvil (ejemplo: Nokia 6110) puede colocar componentes en ambas caras y utilizar tomas de tierra internas como se muestra en la figura original. (Aquí se omiten las referencias a la figura).

Ejemplos de selección de materiales para tableros altos

A continuación se muestran ejemplos de placas que hemos diseñado y depurado:

Utilícelos como ejemplo. Cada proyecto necesita su propia elección de material y grosor.

Requisitos de los materiales para placas de circuito impreso de alta frecuencia

Los diseñadores deben comprobar estas propiedades clave de los materiales:

1. Pérdida dieléctrica (Df, tangente de pérdida) debe ser muy pequeña. Una pérdida pequeña significa menos atenuación de la señal.

2. Baja absorción de agua es importante. Una elevada absorción de agua modifica la constante dieléctrica y las pérdidas.

3. Constante dieléctrica (DK) debe ser bajo y estable. Un DK bajo proporciona una mayor velocidad de señal. La estabilidad del DK también ayuda al control de la impedancia.

4. CTE y coincidencia térmica entre la lámina de cobre y la base debe ser similar. Un gran desajuste con los cambios de temperatura puede provocar la delaminación del cobre.

La alta frecuencia suele implicar el uso de sustratos de fluoropolímeros como el PTFE (conocido como teflón).

Notas y precauciones de fabricación para placas de circuito impreso de alta frecuencia

1. El control de la impedancia es estricto. La tolerancia de anchura de línea es ajustada. Tolerancia de control típica ~ ±2%.

2. La adherencia de la PTH es baja en materiales especiales. Utilice el desbaste por plasma para agujeros y superficies con el fin de aumentar la adherencia para el metalizado y la resistencia a la soldadura.

3. No lije la placa antes de soldarla. Esto reduce la adherencia. Utilice únicamente soluciones de micrograbado u otros métodos de desbaste.

4. Las placas de PTFE suelen presentar bordes ásperos con las herramientas de fresado habituales. Utilice fresas especiales y siga las prácticas de fresado de PTFE.

Breve conclusión

Las placas de circuito impreso de alta frecuencia necesitan materiales especiales y un cuidadoso control del proceso. Elija un material que se adapte a sus necesidades térmicas y de frecuencia. Controle la impedancia y coloque bien las vías de tierra. Utilice apantallamiento y un filtrado de potencia correcto. Siga los pasos de manipulación especiales para PTFE y otros laminados de microondas. Estos pasos mejoran el rendimiento en circuitos de alta frecuencia.