As placas de antena são uma espécie diferente de PCB. Numa placa digital, o substrato é em grande parte um suporte mecânico. Em uma placa de antena, o substrato molda diretamente a forma como o circuito irradia, quanto sinal ele perde e quão confiável é seu desempenho em campo. Se errar no material, nenhuma habilidade de layout salvará o design.

Este artigo detalha uma placa de antena AD250C de 2 camadas recente que fabricamos - compacta, ultrafina e com acabamento em ouro puro. Além da construção e empilhamento, queremos nos aprofundar em uma questão que muitas vezes passa despercebida:por que esta placa usou ouro puro em vez do ENIG, prata de imersão ou OSP mais comum?

Qual é a aparência do conselho

Vamos começar com a especificação completa.

O material base é Rogers AD250C, uma PCB rígida de 2 camadas medindo 55,36 mm × 76,2 mm, mantida com uma tolerância de ± 0,15 mm. O traço e o espaço mínimos são 4/6 mils e o tamanho mínimo do furo é 0,4 mm. Não há vias cegas ou enterradas – todas as conexões são passantes.

A espessura da placa acabada é de 0,6 mm, com 1 onça (35 μm) de cobre nas camadas externas e uma espessura de revestimento de 20 μm. O acabamento superficial é ouro puro. A serigrafia superior é amarela, sem serigrafia inferior. A máscara de solda verde é aplicada em ambos os lados. Cada placa passa por 100% de testes elétricos antes do envio, construída de acordo com IPC-Class-2, com arte fornecida no formato Gerber RS-274-X.

Alguns parâmetros se destacam imediatamente: a espessura ultrafina de 0,6 mm, o acabamento em ouro puro e 49 vias em uma placa com apenas 2 redes.

O empilhamento: fino por design

O empilhamento é simples: 35 μm de cobre, um substrato AD250C de 0,508 mm (20mil) e 35 μm de cobre.

A espessura final é de 0,6 mm – aproximadamente metade de uma espessura típica de 1,6 mmPlaca FR-4. Placas de antenas finas têm dois propósitos: reduzem a altura geral do módulo em dispositivos com espaço limitado e, em certos designs de antenas planas e de patch, a carga dielétrica reduzida pode melhorar a eficiência da radiação.

Mas as placas finas trazem desafios de fabricação. Com 0,6mm, a placa é mais flexível, exigindo maior cuidado durante a perfuração, chapeamento e montagem. O controle de empenamento é especialmente crítico com um núcleo com apenas 20mil de espessura.

Por que AD250C

AD250C é um laminado de antena baseado em PTFE reforçado com vidro da Rogers, projetado especificamente para o mercado de antenas sem fio - estações base de infraestrutura celular, telemática automotiva e rádio comercial via satélite.

Suas principais especificações elétricas: constante dielétrica de 2,5 ± 0,04 a 10 GHz, fator de dissipação de 0,0013 a 10 GHz e PIM de −159 dBc a 30 mil, 1900 MHz.

Baixo Dk e geometria da antena.Um Dk de 2,5 é muito inferior aos aproximadamente 4,3 do FR-4. No projeto da antena, um Dk mais baixo significa que o campo eletromagnético se estende ainda mais no ar, em vez de se concentrar no substrato. Isso geralmente melhora a eficiência da radiação e reduz a energia retida no dielétrico. Ele também permite que os elementos da antena sejam dimensionados mais próximos dos comprimentos de onda do espaço livre, simplificando a correspondência e ampliando a largura de banda.

Baixo Df e perda.Um fator de dissipação de 0,0013 é excepcionalmente baixo. FR-4 varia de 0,012 a 0,020 – cerca de dez vezes maior. Nas frequências da antena, essa diferença se traduz diretamente em perda de inserção reduzida e ganho melhorado. A tangente de perda do material permanece abaixo de 0,002 em bandas sem fio típicas, tornando-o adequado para projetos multibanda.

Baixo desempenho de PIM e antena.A intermodulação passiva é uma especificação crítica para antenas de infraestrutura celular. Quando dois ou mais sinais se misturam em um componente passivo, eles geram produtos de intermodulação que interferem nas bandas de recepção. Os −159 dBc do AD250C ajudam a minimizar esse efeito, reduzindo a perda de rendimento devido a falhas na produção relacionadas ao PIM.

Estabilidade dimensional.CTE é 47 ppm/°C em X, 29 ppm/°C em Y e 196 ppm/°C em Z. A construção reforçada com vidro restringe o movimento no plano, o que é importante para conjuntos de antenas onde o espaçamento dos elementos deve ser preciso.

Acabamento de superfície: por que ouro puro, não ENIG, prata de imersão ou OSP

Esta é a decisão de design mais interessante desta placa.

O acabamento superficial de uma placa de antena não é uma escolha casual. Afeta diretamente três coisas:Perda de RF, desempenho PIM e confiabilidade a longo prazo.Vamos examinar cada opção.

ENIG: A camada de níquel é um assassino de alta frequência

A estrutura do ENIG é cobre → níquel (3–6 µm) → ouro (0,05–0,1 µm). A camada dourada é fina; o níquel abaixo dele faz o verdadeiro trabalho. Mas o níquel é ferromagnético, com resistividade quatro vezes maior que a do cobre.

Em altas frequências, o efeito pelicular empurra a corrente para a superfície do condutor. A 28 GHz, a profundidade da camada de cobre é de apenas 0,4 µm – e a camada de níquel do ENIG é mais de dez vezes maior. O sinal fica efetivamente preso em uma camada de níquel com altas perdas. Nas medições, uma antena de 28 GHz usando ENIG mostra eficiência 0,7–1,2 dB menor do que o cobre puro.

ENIG é bom para soldar. Não é bom para RF.

OSP: ótimo RF, vida muito curta

OSP forma um filme diretamente sobre o cobre, sem camada de níquel, proporcionando excelente desempenho de RF – perda apenas para o cobre ideal. Mas tem dois problemas difíceis.

Primeiro, o OSP é um isolante. Se uma placa de antena tiver pontos de teste ou exigir contato de sonda, o OSP causará mau contato e falsos relatórios de circuito aberto.

Em segundo lugar, o prazo de validade é de apenas 3 a 6 meses e cada refluxo consome o filme. Em uma montagem dupla-face ou em uma placa que passa por vários ciclos térmicos, o OSP na parte inferior começa a se degradar após o primeiro refluxo e a segunda passagem de soldagem torna-se arriscada. As placas de antena costumam ser produtos de longa implantação, e a curta vida útil do OSP não corresponde a essa realidade.

Prata de imersão: o ponto ideal para placas de antena

A prata por imersão deposita-se diretamente no cobre, sem barreira de níquel, com uma espessura de apenas 0,15–0,4 µm. A resistividade da prata é apenas ligeiramente superior à do cobre, por isso os sinais de alta frequência viajam numa superfície próxima do cobre puro. Nas medições, a eficiência da antena da prata de imersão é apenas 0,1–0,2 dB abaixo do cobre puro – muito melhor que a ENIG.

A compensação é o armazenamento. A prata mancha e sulfetos, exigindo embalagens seladas e com controle de umidade. O prazo de validade é de 6 a 12 meses.Posição da prata de imersão: desempenho de RF próximo ao cobre puro, custo moderado, adequado para a maioria das aplicações de antena.

Ouro puro: por que este conselho o escolheu

O ouro puro também evita o problema da perda da camada de níquel, mas seu valor vai além.

PIM extremamente baixo.Um dos principais argumentos de venda do AD250C é o PIM tão baixo quanto -159 dBc. O PIM é altamente sensível às condições da superfície: óxidos metálicos, superfícies ásperas e interfaces metálicas diferentes tornam-se fontes não lineares. O ouro puro é quimicamente inerte, suave e resistente à formação de óxido, reduzindo o PIM na fonte. A camada de níquel do ENIG é em si um metal diferente que pode contribuir com não linearidade adicional; a prata manchada também pode degradar o PIM.

Confiabilidade a longo prazo.As antenas da estação base operam durante anos, implantadas ao ar livre através de ciclos térmicos e umidade. O ouro puro não oxida, não sulfura ou descolora, e a resistência de contato permanece estável ao longo do tempo. Os filmes OSP degradam-se com o tempo e a prata mancha. Para uma antena instalada e deixada sozinha, vale a pena pagar o prêmio de confiabilidade do ouro.

Compatibilidade com soldagem e colagem.Esta placa possui 27 pads SMT na parte superior e 24 pads de passagem. O ouro puro suporta soldagem confiável e também suporta ligação de fios. Se um design inclui fixação direta de chips, o ouro puro é um dos poucos acabamentos que suporta ambos.

A compensação é o custo – a mais alta das opções. O que ele compra é o menor risco de PIM e a maior confiabilidade.

Outros detalhes de construção

Traço e espaço de 4/6 mil.Para uma placa de antena, esta resolução é normalmente usada para combinar redes, linhas de alimentação e estruturas de ajuste. O reforço de vidro do AD250C melhora a processabilidade e a estabilidade dimensional durante a gravação, tornando esta precisão alcançável.

49 vias, 2 redes.Este é um dos detalhes mais interessantes. Uma contagem alta de vias com poucas redes em um projeto de antena geralmente indica uma estrutura aterrada – uma cerca de passagem, costura de plano de aterramento ou uma antena de slot aterrada na borda. Essas vias não são sinais de roteamento; eles fornecem blindagem e aterramento.

A placa carrega 24 pads de passagem e 27 pads SMT na parte superior, conectores de mistura e tipos de componentes. Não há almofadas SMT na parte inferior, o que é consistente com um projeto em que a parte inferior serve principalmente como plano de aterramento ou superfície de montagem.

Tamanho mínimo do furo de 0,4 mm.Isso é moderado e não o melhor possível, mas é uma escolha sensata para uma placa fina de 0,6 mm. Furos menores em materiais finos correm o risco de quebra da broca e revestimento irregular. O revestimento de 20 μm garante a integridade do cano.

Máscara de solda e serigrafia.Máscara de solda verde nas duas faces, com serigrafia amarela somente na parte superior. Nenhuma serigrafia inferior é típica quando o lado inferior é um plano de aterramento ou uma superfície de montagem onde as marcações não servem para nada. Amarelo sobre verde proporciona bom contraste para montagem e inspeção.

Qualidade e Entrega

Esta placa foi fabricada de acordo com os padrões IPC-Class-2, com 100% de testes elétricos antes do envio para confirmar a integridade e o isolamento da rede. A arte foi fornecida em Gerber RS-274-X e o recurso está disponível em todo o mundo.

O que este conselho nos diz

Esta construção AD250C é um bom exemplo de como as placas de antena diferem dos PCBs de uso geral. A escolha do material – orientada pelos requisitos Dk, Df e PIM – define a base elétrica. A construção fina de 0,6 mm suporta integração de módulos compactos. O acabamento em ouro puro protege a condutividade da superfície enquanto minimiza o risco de PIM. E a alta contagem de vias em um design de baixa rede reflete as estruturas aterradas típicas dos layouts de antena.

Se você estiver trabalhando em um projeto de antena e precisar de um fabricante com experiência em Rogers AD250C e laminados semelhantes à base de PTFE, teremos prazer em analisar seus requisitos. Quer se trate de uma antena patch simples ou de um conjunto de vários elementos, a conversa começa com suas restrições elétricas e mecânicas.

Contate-nos para discutir seu próximo projeto de PCB de antena.