Hoy quiero hablaros de un PCB un tanto inusual. Lo que lo hace inusual no es un alto número de capas ni procesos de fabricación complejos, sino todo lo contrario. Se trata de una placa de dos capas sin máscara de soldadura ni serigrafía, pero está diseñada específicamente para aplicaciones de antenas de alta frecuencia.
El material central esWL-CT440, un laminado de alta frecuencia de producción nacional de Wangling. Si está buscando una alternativa a los materiales Rogers o PTFE, este artículo podría brindarle algunas ideas nuevas.
Descripción general de la construcción: minimalista pero no simple
Comencemos con los parámetros básicos. El tablero mide 89 mm por 63,5 mm y utiliza una construcción de dos capas. El espesor del tablero terminado es de 0,8 mm, con 1 oz o 35 μm de peso de cobre terminado en las capas exteriores. El ancho mínimo de la traza es de 4 mils y el espacio mínimo es de 6 mils. El tamaño del orificio más pequeño es de 0,2 mm y no hay vías ciegas. Cada placa se somete a pruebas 100% eléctricas antes del envío.
Ahora permítanme resaltar las estadísticas. La placa contiene 37 componentes y 49 almohadillas en total, que constan de 27 almohadillas con orificios pasantes y 22 almohadillas de montaje en superficie, todas ubicadas en la capa superior; no se colocan almohadillas SMT en la capa inferior. Hay 31 vías y sólo 2 redes. Esta es una topología típica de alta frecuencia o antena: estructura simple pero exigente en rendimiento.
¿Por qué no usar máscara de soldadura ni serigrafía?
La característica más distintiva de esta placa es la ausencia total de máscara de soldadura y serigrafía: nada en la capa superior ni nada en la capa inferior.
La máscara de soldadura se utiliza normalmente para evitar puentes de soldadura y proteger la superficie de cobre. Pero en aplicaciones de alta frecuencia, puede convertirse en una fuente de interferencias. La constante dieléctrica y el factor de pérdida de la máscara de soldadura difieren de los del laminado base, lo que puede alterar la impedancia de las líneas microstrip, especialmente en frecuencias superiores a 10 GHz. Quitar la máscara de soldadura significa una ruta de señal más pura y una mejor consistencia.
La ausencia de serigrafía es igualmente sencilla. Sin una máscara de soldadura, la adhesión de la serigrafía se vuelve problemática de todos modos. Y en una placa de antena, la serigrafía no proporciona ningún beneficio para el montaje, por lo que omitirla es una decisión fácil.
Este es un caso clásico de priorizar la función sobre la forma: no es necesario que la placa tenga un aspecto bonito siempre que el rendimiento eléctrico cumpla con los requisitos.
¿Por qué elegir WL-CT440?
WL-CT440 es un laminado revestido de cobre cubierto con tela de fibra de vidrio y polímero cerámico orgánico de Wangling. Pertenece a la familia de las resinas termoestables. La capa dieléctrica consta de resina de hidrocarburo, cerámica y tela de fibra de vidrio.
A 10GHz y 23°C, ofrece una constante dieléctrica (Dk) de 4,1 y un factor de disipación (Df) de 0,004. ¿Qué significan estos números? Baja pérdida con una constante dieléctrica moderada: muy buena opción para aplicaciones de antenas y microondas.
Pero la característica más atractiva del WL-CT440 no es sólo su rendimiento eléctrico. Es la total compatibilidad con los procesos de fabricación FR-4. Cualquiera que haya trabajado con materiales de PTFE sabe que el PTFE requiere tratamientos especiales de preparación de los orificios, como el grabado con plasma o el tratamiento con naftaleno sódico. Sin estos, la adherencia del cobre recubierto dentro del agujero será insuficiente. WL-CT440, por otro lado, se puede procesar utilizando el flujo de trabajo convencional de cualquier fábrica de PCB estándar (perforación, desmechado, deposición de cobre no electrolítica, transferencia de patrones), todo en un solo flujo continuo. Para la creación de prototipos de pequeño volumen y el control de costes, esto es una ventaja real.
Fiabilidad térmica y mecánica
WL-CT440 tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) superior a 280°C, muy por encima de la del estándar FR-4. Una Tg alta significa que el material no se ablandará ni se deformará fácilmente en condiciones de funcionamiento a alta temperatura.
En cuanto al coeficiente de expansión térmica (CTE), el eje X es 14 ppm/°C y el eje Y es 18 ppm/°C; ambos coinciden razonablemente bien con el cobre, que se sitúa en aproximadamente 17 ppm/°C. El CTE del eje Z es de 35 ppm/°C. Para una placa de dos capas sin vías ciegas, para empezar, el estrés por confiabilidad térmica en las vías es relativamente bajo.
La conductividad térmica tiene una clasificación de 0,66 W/m·K, que es significativamente mayor que la del FR-4 de aproximadamente 0,25 W/m·K. Esto ayuda con el manejo de la potencia. La absorción de humedad es del 0,12 por ciento, lo que se encuentra dentro de un rango aceptable. Sin embargo, aquí se necesita una advertencia: esta placa no tiene máscara de soldadura. Si se utiliza en ambientes húmedos, las superficies de cobre expuestas pueden enfrentar riesgos de corrosión. Esto debe evaluarse cuidadosamente para el escenario de aplicación previsto.
Un parámetro que merece especial atención: TCDK
WL-CT440 ofrece un coeficiente de temperatura de constante dieléctrica (TCDK) de -21 ppm/°C. ¿Qué nos dice este número? Por cada aumento de 1°C en la temperatura, la constante dieléctrica disminuye en 21 partes por millón.
Para el diseño de antenas, TCDK es un parámetro crítico. Si el Dk de un material varía significativamente con la temperatura, la frecuencia de funcionamiento de la antena variará: las mediciones de verano diferirán de las mediciones de invierno, y el rendimiento diurno puede diferir del rendimiento nocturno. El valor TCDK del WL-CT440 es bastante bueno, lo que garantiza un rendimiento constante de la antena en todo el rango de temperaturas.
Aplicaciones típicas
Según el fabricante, WL-CT440 se utiliza principalmente en los siguientes campos:
Equipos aeroespaciales, electrónica de cabina y sistemas de aeronaves. Antenas de microondas y antenas sensibles a fase. Radares de alerta temprana y sistemas de radar aerotransportados. Antenas en fase y redes de formación de haces. Equipos de comunicación y navegación por satélite. Amplificadores de potencia.
Proceso de fabricación y estándares de calidad.
El formato del diseño suministrado es Gerber RS-274-X, que puede ser procesado en fábricas de PCB de todo el mundo. El estándar de calidad es IPC-Clase-2.
El acabado superficial es oro de inmersión (ENIG). Sin máscara de soldadura presente, el oro de inmersión protege eficazmente la superficie de cobre de la oxidación al mismo tiempo que proporciona una buena soldabilidad.
Algunos puntos a tener en cuenta
El diseño de este tablero tiene varios aspectos que requieren especial atención.
Primero, la ausencia de una máscara de soldadura significa que las superficies de cobre están completamente expuestas. A pesar de la protección por inmersión en oro, se debe tener cuidado para evitar rayones y contaminación durante el ensamblaje, las pruebas y el uso.
En segundo lugar, no hay serigrafía. La colocación de los componentes no puede depender de marcas de referencia serigrafiadas. Deberá depender de los archivos de coordenadas de la máquina de recogida y colocación o de los accesorios de montaje para el montaje manual.
En tercer lugar, con dos capas, 31 vías y sólo 2 redes, esta topología sugiere alguna forma de conjunto de antenas o red de división de energía. Se debe prestar especial atención al impacto de las vías en la ruta de RF, particularmente la continuidad de la ruta de retorno de la señal.
Pensamientos finales
La filosofía de diseño detrás de esta placa WL-CT440 de dos capas es muy clara: utilizar un material que pueda procesarse con técnicas de fabricación convencionales, eliminar la máscara de soldadura y las capas de serigrafía no esenciales y asignar los ahorros de costos al rendimiento y la confiabilidad.
Si está desarrollando antenas, interfaces de radar o módulos de comunicación por satélite y desea evitar los dolores de cabeza de procesamiento asociados con los materiales de PTFE, vale la pena considerar seriamente el WL-CT440. Por supuesto, los problemas de protección que surgen al quitar la máscara de soldadura, el control de uniformidad de la superficie de inmersión en oro y la calibración de los cálculos de impedancia son detalles que deben discutirse con su fabricante de PCB antes de crear prototipos.
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