Hoje quero falar sobre um PCB um tanto incomum. O que o torna incomum não é o alto número de camadas ou os processos de fabricação complexos — muito pelo contrário. Esta é uma placa de duas camadas sem máscara de solda e sem serigrafia, mas foi projetada especificamente para aplicações de antenas de alta frequência.
O material principal éWL-CT440, um laminado de alta frequência produzido internamente pela Wangling. Se você está procurando uma alternativa aos materiais Rogers ou PTFE, este artigo pode lhe dar algumas ideias novas.
Visão geral da construção: minimalista, mas não simples
Vamos começar com os parâmetros básicos. A placa mede 89 mm por 63,5 mm e usa uma construção de duas camadas. A espessura da placa acabada é de 0,8 mm, com 1 onça ou 35 μm de peso de cobre acabado nas camadas externas. A largura mínima do traço é de 4 mils e o espaçamento mínimo é de 6 mils. O menor tamanho do furo é de 0,2 mm e não há vias cegas. Cada placa passa por testes 100% elétricos antes do envio.
Agora deixe-me destacar as estatísticas. A placa contém 37 componentes e 49 pads no total, consistindo de 27 pads passantes e 22 pads de montagem em superfície, todos localizados na camada superior – nenhum pad SMT é colocado na camada inferior. Existem 31 vias e apenas 2 redes. Esta é uma topologia típica de alta frequência ou de antena: simples em estrutura, mas exigente em desempenho.
Por que não há máscara de solda e nem serigrafia?
A característica mais marcante desta placa é a completa ausência de máscara de solda e serigrafia – nada na camada superior e nada na camada inferior.
A máscara de solda é normalmente usada para evitar pontes de solda e proteger a superfície de cobre. Mas em aplicações de alta frequência, pode realmente tornar-se uma fonte de interferência. A constante dielétrica e o fator de perda da máscara de solda diferem daqueles do laminado base, o que pode alterar a impedância das linhas de microfita, principalmente em frequências acima de 10GHz. A remoção da máscara de solda significa um caminho de sinal mais puro e melhor consistência.
A ausência de serigrafia é igualmente simples. Sem uma máscara de solda, a adesão à serigrafia torna-se problemática de qualquer maneira. E em uma placa de antena, a serigrafia não oferece nenhum benefício para a montagem, portanto, omiti-la é uma decisão fácil.
Este é um caso clássico de priorizar a função em detrimento da forma – a placa não precisa ter uma aparência bonita, desde que o desempenho elétrico atenda aos requisitos.
Por que escolher o WL-CT440?
WL-CT440 é o laminado revestido de cobre revestido com tecido de fibra de vidro cerâmico de polímero orgânico da Wangling. Pertence à família das resinas termoendurecíveis. A camada dielétrica consiste em resina de hidrocarboneto, cerâmica e tecido de fibra de vidro.
A 10 GHz e 23°C, oferece uma constante dielétrica (Dk) de 4,1 e um fator de dissipação (Df) de 0,004. O que esses números significam? Baixa perda com constante dielétrica moderada — uma opção muito boa para aplicações de microondas e antenas.
Mas a característica mais atraente do WL-CT440 não é apenas o seu desempenho eléctrico. É a total compatibilidade com os processos de fabricação do FR-4. Qualquer pessoa que tenha trabalhado com materiais de PTFE sabe que o PTFE requer tratamentos especiais de preparação de furos, como ataque com plasma ou tratamento com naftaleno sódico. Sem estes, a adesão do cobre revestido dentro do furo será insuficiente. O WL-CT440, por outro lado, pode ser processado usando o fluxo de trabalho convencional de qualquer fábrica de PCB padrão – perfuração, desmear, deposição de cobre sem eletrólito, transferência de padrão – tudo em um fluxo contínuo. Para prototipagem de pequenos volumes e controle de custos, esta é uma vantagem real.
Confiabilidade Térmica e Mecânica
O WL-CT440 tem uma temperatura de transição vítrea (Tg) superior a 280°C, muito acima da do padrão FR-4. Uma Tg alta significa que o material não amolecerá ou deformará facilmente sob condições operacionais de alta temperatura.
Em relação ao coeficiente de expansão térmica (CTE), o eixo X é 14ppm/°C e o eixo Y é 18ppm/°C — ambos combinando razoavelmente bem com o cobre, que fica em aproximadamente 17ppm/°C. O CTE do eixo Z é 35ppm/°C. Para uma placa de duas camadas sem vias cegas, o estresse de confiabilidade térmica nas vias é relativamente baixo para começar.
A condutividade térmica é avaliada em 0,66 W/m·K, o que é significativamente maior do que a do FR-4, com aproximadamente 0,25 W/m·K. Isso ajuda no manuseio de energia. A absorção de umidade é de 0,12%, o que está dentro de uma faixa aceitável. Entretanto, uma palavra de cautela é necessária aqui: esta placa não possui máscara de solda. Se usado em ambientes úmidos, as superfícies de cobre expostas podem enfrentar riscos de corrosão. Isto precisa ser avaliado cuidadosamente para o cenário de aplicação pretendido.
Um parâmetro que merece atenção especial: TCDK
WL-CT440 oferece um coeficiente de temperatura de constante dielétrica (TCDK) de -21 ppm/°C. O que esse número nos diz? Para cada aumento de 1°C na temperatura, a constante dielétrica diminui em 21 partes por milhão.
Para o projeto de antenas, o TCDK é um parâmetro crítico. Se o Dk de um material variar significativamente com a temperatura, a frequência operacional da antena irá variar – as medições de verão serão diferentes das medições de inverno, e o desempenho diurno pode diferir do desempenho noturno. O valor TCDK do WL-CT440 é bastante bom, garantindo um desempenho consistente da antena em toda a faixa de temperatura.
Aplicações Típicas
Segundo o fabricante, o WL-CT440 é usado principalmente nas seguintes áreas:
Equipamentos aeroespaciais, eletrônicos de cabine e sistemas de aeronaves. Antenas de microondas e antenas sensíveis a fase. Radar de alerta precoce e sistemas de radar aerotransportado. Antenas phased array e redes formadoras de feixe. Equipamento de comunicação e navegação por satélite. Amplificadores de potência.
Processo de fabricação e padrões de qualidade
O formato de arte fornecido é Gerber RS-274-X, que pode ser processado por fábricas de PCB em todo o mundo. O padrão de qualidade é IPC-Class-2.
O acabamento superficial é ouro de imersão (ENIG). Sem a presença de máscara de solda, o ouro de imersão protege eficazmente a superfície do cobre da oxidação, ao mesmo tempo que proporciona boa soldabilidade.
Alguns pontos para manter em mente
Este design de placa possui vários aspectos que requerem atenção especial.
Primeiro, a ausência de uma máscara de solda significa que as superfícies de cobre ficam completamente expostas. Apesar da proteção de ouro por imersão, deve-se tomar cuidado para evitar arranhões e contaminação durante a montagem, teste e uso.
Em segundo lugar, não há serigrafia. A colocação dos componentes não pode depender de marcas de referência da serigrafia. Você precisará depender dos arquivos de coordenadas da máquina pick-and-place ou dos acessórios de montagem para montagem manual.
Terceiro, com duas camadas, 31 vias e apenas 2 redes, esta topologia sugere alguma forma de conjunto de antenas ou rede de divisão de energia. Atenção especial deve ser dada ao impacto das vias no caminho de RF, particularmente à continuidade do caminho de retorno do sinal.
Considerações Finais
A filosofia de design por trás desta placa WL-CT440 de duas camadas é muito clara: use um material que possa ser processado com técnicas de fabricação convencionais, remova a máscara de solda não essencial e as camadas de serigrafia e aloque a economia de custos para desempenho e confiabilidade.
Se você estiver desenvolvendo antenas, front-ends de radar ou módulos de comunicação via satélite e desejar evitar as dores de cabeça de processamento associadas aos materiais de PTFE, vale a pena considerar seriamente o WL-CT440. Obviamente, os problemas de proteção que acompanham a remoção da máscara de solda, o controle de uniformidade da superfície de ouro de imersão e a calibração dos cálculos de impedância são detalhes que precisam ser discutidos com o fabricante da PCB antes da prototipagem.
Você enfrentou algum desafio ao projetar placas de alta frequência como esta? Sinta-se à vontade para compartilhar sua experiência.
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