Material de PCB FR4 frente a Rogers
El FR4 es el caballo de batalla de la industria de los PCB: económico, ampliamente disponible y adecuado para la mayoría de los diseños analógicos digitales y de baja frecuencia. Rogers (y otros laminados de alta frecuencia similares, como Isola y Taconic) ofrecen una constante dieléctrica estable, una tangente de baja pérdida y un mejor rendimiento en frecuencias de microondas, a un costo de 5 a 10 veces mayor que el FR4.
FR4 (laminado de PCB estándar)
El FR4 es un laminado epoxi tejido reforzado con vidrio. Su constante dieléctrica varía de ~4,3 a 1 MHz a ~4,0 a 10 GHz, y su tangente de pérdida (tan δ) es de 0,015—0,025, lo que es aceptable hasta aproximadamente 2-4 GHz.
Advantages
- Muy bajo costo: material estándar para la mayoría de los fabricantes de PCB
- Plazos de entrega cortos: ampliamente disponibles en todo el mundo
- Bien caracterizado para diseños digitales y de RF por debajo de 2 GHz
- Compatible con todos los procesos de PCB estándar
Disadvantages
- Tangente de alta pérdida (0,015—0,025): pérdida dieléctrica significativa por encima de 5 GHz
- Variable μr: el vidrio tejido provoca una variación local de μr, lo que afecta a las trazas de impedancia controlada
- Cambios en la absorción de humedad μr: problemáticos en ambientes exteriores y húmedos
- No es adecuado para diseños de más de 5 a 10 GHz
When to use
Utilice FR4 para todos los diseños digitales, placas de señal mixta y RF de hasta 2,4 GHz WiFi/Bluetooth. Con un diseño cuidadoso, el FR4 se puede utilizar a 5 GHz para aplicaciones con baja tolerancia a pérdidas.
Laminado de alta frecuencia Rogers (RO4003, RO3010, etc.)
Los materiales Rogers son compuestos de PTFE o hidrocarbono/cerámica rellenos de cerámica con un μr estable (3,5—10,2 según el grado) y una tangente de pérdida muy baja (0,0013—0,004). μr varía < 0,5% con la temperatura y la frecuencia.
Advantages
- Tangente de baja pérdida (0.001—0.004): esencial por encima de 5 GHz
- Er estable en exceso de temperatura y frecuencia: fundamental para los filtros de tolerancia ajustada
- Baja absorción de humedad: rendimiento fiable en exteriores y espacios
- Disponible en varios valores de μr para el diseño de la impedancia y la antena
Disadvantages
- Entre 5 y 10 veces más caro que el FR4
- Plazos de entrega más largos: material especial
- Más difícil de grabar y procesar: menos fabricantes
- El coeficiente de expansión térmica (CTE) más alto no coincide con los conectores de algunos grados
When to use
Utilice Rogers para PCB de microondas y mmWave (5—77 GHz o más), filtros de RF de precisión, antenas de matriz en fase, radares automotrices (77 GHz), transceptores de satélite y cualquier aplicación que requiera una pérdida de inserción baja o una impedancia estable por encima de 5 GHz.
Key Differences
- ▸Tangente de pérdida: FR4 = 0,015—0,025; Rogers RO4003 = 0,0027, casi 10 veces más baja
- ▸FR4 μr varía con la frecuencia y la humedad; Rogers μr es estable hasta < 0,5%
- ▸Precio del FR4: entre 1 y 2 dólares por pulgada cuadrada; Rogers: entre 10 y 20 dólares por pulgada cuadrada: entre 5 y 10 veces la prima
- ▸FR4 aceptable para ~2—4 GHz; Rogers usó de 5 GHz a 77 GHz y más
- ▸La mayoría de los diseños usan FR4 con Rogers solo para las capas de apilamiento de RF (apilamiento híbrido)
Summary
Utilice FR4 para todo lo que esté por debajo de 2,4 GHz y capas digitales en placas RF multicapa. Cambie a Rogers (o equivalente: Isola, Taconic, PTFE) cuando la pérdida, la estabilidad o la frecuencia lo exijan (normalmente por encima de los 5 GHz). Las pilas híbridas (FR4 + Rogers) son habituales en los diseños que combinan RF y digital para reducir los costes y, al mismo tiempo, lograr el rendimiento de RF cuando es necesario.
Frequently Asked Questions
¿Qué material de Rogers debo usar para WiFi de 2.4 GHz?
El FR4 es suficiente para WiFi de 2,4 GHz. Por lo general, no se necesita Rogers por debajo de los 5 GHz, a menos que necesite una pérdida de inserción muy baja, resonadores de alta Q o tolerancias de impedancia ajustadas. El RO4003C de Rogers (μr = 3,55, tan δ = 0,0027) es un punto de partida habitual al actualizar desde el FR4.
¿Puedo mezclar FR4 y Rogers en una PCB?
Sí, los apilamientos híbridos combinan las capas de alta frecuencia de Rogers con las capas digitales FR4. Las capas Rogers gestionan el enrutamiento de RF; las FR4 gestionan las señales de alimentación, de tierra y digitales. Esto reduce los costos y, al mismo tiempo, logra el rendimiento de RF necesario. El apilamiento debe diseñarse cuidadosamente para que coincida con el CTE de los materiales.
¿Cuál es la constante dieléctrica de FR4?
FR4 μr ≈ 4,2—4,4 a 1 MHz, cayendo a ~3,8—4,1 a 10 GHz debido a la dispersión de frecuencia. El tejido de vidrio también provoca variaciones locales en el μr. Para el diseño de impedancia controlada, la mayoría de los fabricantes utilizan 4,2 ± 0,2. Compare esto con el RO4003C de Rogers: μr = 3,55 ± 0,05 a 10 GHz.
¿Qué material se utiliza para el radar automotriz de 77 GHz?
Los PCB de radar automotriz de 77 GHz utilizan Rogers RO3003 (μr = 3.0, tan δ = 0.001) o materiales similares de pérdida ultrabaja. Las estrictas tolerancias de longitud de onda a 77 GHz (λ ≈ 2 mm en el aire) requieren una estabilidad del μr inferior al 0,5% y una pérdida muy baja. Algunos diseños utilizan polímero de cristal líquido (LCP) para mayor flexibilidad.