FR4 vs Rogers: ¿Qué material de PCB debería elegir?

Tradicionalmente, los fabricantes han estado produciendo PCBs (placas de circuito impreso) con materiales que ofrecen resistencia al calor y, por lo tanto, son más económicos de producir. A medida que la industria de la electrónica crece, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia, el uso exclusivo de FR4 no es suficiente. Algunos equipos, aunque no estén sujetos a temperaturas extremas, deben funcionar a frecuencias de radio (RF). Para cumplir con las rigurosas condiciones de rendimiento exigidas por las aplicaciones de RF, es necesario recurrir a materiales especializados, como los de Rogers, que permiten aprovechar al máximo las capacidades de las PCB. Lea nuestro artículo reciente sobre los diferentes tipos de vias en el diseño de PCB. El extenso portafolio de materiales de Rogers para PCB permite su uso en aplicaciones diversas, incluyendo:

• Antenas 5G NR mmWave
• Comunicaciones satelitales
• Sistemas de radar
• Sensores automotrices
• Aviónica aeroespacial
• Comunicaciones de datos de alta velocidad
• Instrumentos de prueba

Veamos qué hace que los materiales para PCB de Rogers sean una solución tan ventajosa en estos ámbitos electrónicos de vanguardia.

Qué es el FR4:

FR4 es un material compuesto de resina epoxi termoestable reforzada con tejido de fibra de vidrio. Es el material tradicional que sirve de base a la mayoría de las PCBs y su nombre corresponde a “Flame Retardant nivel 4”. Al tratarse de un composite de resina epoxi y fibra de vidrio, se suministra en forma de láminas que se laminan con cobre en una o en ambas caras.

Propiedades y características clave del FR4:

Bajo coste - El FR4 es uno de los materiales más económicos para sustratos de PCB.

Constante dieléctrica moderada - En torno a 4,5 a 1 MHz.

Tangente de pérdidas moderada - Alrededor de 0,02 a 1 MHz.

Sin embargo, el FR4 presenta limitaciones de rendimiento a frecuencias más altas debido a las pérdidas dieléctricas, lo que lo hace inadecuado para muchas aplicaciones de RF. La constante dieléctrica relativamente alta e inconsistente, así como la tangente de pérdida, también hacen que el FR4 no sea la mejor opción para circuitos analógicos de alta precisión o circuitos digitales de alta velocidad.

Qué es Rogers:

A diferencia del FR4, los materiales de sustrato de Rogers ofrecen composiciones diversas. Algunos de ellos utilizan una base cerámica en lugar de vidrio. Existen varias composiciones disponibles, como vidrio tejido reforzado con hidrocarburos, y estos materiales ofrecen un rendimiento eléctrico muy similar al de PTFE.

Algunas propiedades clave de los materiales Rogers:

Constante dieléctrica estable - Controlada de manera precisa, varía según el material en un rango de 2.9 a 10.2.

Baja tangente de pérdida - Aproximadamente 0.0009 - 0.002 a 10 GHz

Excelente rendimiento a alta frecuencia - Pérdida de señal mínima hasta frecuencias mmWave

Baja expansión térmica - Empareja el coeficiente de expansión térmica del cobre para una mayor fiabilidad

Las propiedades dieléctricas precisas, la buena coincidencia con el cobre y las bajas pérdidas hacen que Rogers sea la opción ideal para aplicaciones de microondas, telecomunicaciones, aeroespaciales y de alta fiabilidad. Sin embargo, debido a sus composiciones exóticas, los materiales de Rogers son de 5 a 10 veces más caros que el FR4 por área.

Tipos de materiales Rogers para PCB:

Rogers ofrece varios tipos de material para PCB según las aplicaciones, incluyendo:

7 Principales diferencias entre el material FR-4 y Rogers:

1. Frecuencia de operación

La principal diferencia entre las placas hechas con FR-4 y aquellas hechas con material Rogers es su aplicación. Las PCB de FR-4 solo pueden operar correctamente dentro de un rango limitado de frecuencias. En cambio, las PCB fabricadas con material Rogers pueden funcionar en un rango mucho más amplio de frecuencias. Mientras que las PCB de FR-4 apenas alcanzan los 10 MHz, las PCB de Rogers pueden operar eficientemente más allá de los 500 MHz.

2. Dureza del material

Hay una diferencia considerable en la dureza de los materiales. El FR-4, compuesto principalmente por resina epoxi, es bastante duro, mientras que el material Rogers, al ser hidrocarburo, es comparativamente más suave.

3. Tecnología de procesamiento

Aunque los materiales Rogers están diseñados para operar a altas frecuencias, se diferencian de los materiales de PCB de microondas PTFE. La serie de materiales Rogers no requiere tratamientos especiales, como los que se utilizan para el procesamiento de orificios pasantes, ni otros procesos tecnológicos adicionales.

El material FR-4 es una lámina de tela de vidrio con resina epoxi, que ofrece un aislamiento eléctrico estable, una superficie lisa, buena planicidad y sin picaduras. Es adecuado para productos que requieren un buen aislamiento eléctrico. Este material también es adecuado para su uso como placas de respaldo en el proceso de perforado de PCBs, refuerzos FPC, engranajes planetarios, placas de prueba, aislantes para motores y muchos otros componentes.

4. Coste

El coste es un factor clave en la fabricación de equipos electrónicos. Aunque fabricar placas con FR-4 permite ahorrar costes, este material solo es adecuado para productos que operan a bajas frecuencias y temperaturas moderadas. Por el contrario, para aplicaciones que requieren operaciones de alta velocidad o temperaturas elevadas, el material Rogers es más adecuado, aunque su coste es más alto.

5. Estabilidad de impedancia

La constante dieléctrica máxima del material FR-4 es 4.5, mientras que la de Rogers varía entre 2.2 y 12.85. La constante dieléctrica más alta de Rogers contribuye a una mayor estabilidad de la impedancia.

6. Capacidad térmica

Para aplicaciones que operan a altas velocidades, la PCB debe tener una mejor capacidad térmica para evitar el sobrecalentamiento y posibles problemas operacionales. Las PCB de Rogers, con sus mejores capacidades térmicas, funcionan mejor que las de FR-4 a altas temperaturas y en aplicaciones de alta velocidad.

7. Integridad de la señal

El material Rogers tiene un factor de disipación de 0.004%. En comparación, el factor de disipación del material FR-4 es de 0.02%. El factor de disipación significativamente menor del material Rogers contribuye a una pérdida de señal mucho menor, mejorando así la integridad de la señal.

Conclusión:

Hemos presentado una comparación exhaustiva entre los materiales de PCB tradicionales FR-4 y los materiales Rogers, y cómo seleccionar el material más óptimo para una aplicación. Los materiales Rogers tienen la ventaja de no requerir procesos especiales para fabricar las PCB. En algunos casos adecuados, los diseñadores pueden compensar el costo adicional del material Rogers al usarlo solo para las capas que manejan altas frecuencias y emplear FR-4 en las otras.

Para la fabricación de placas de circuito impreso que involucren frecuencias de radio y microondas, redes móviles o tecnología espacial, los materiales de PCB Rogers ofrecen un rendimiento incomparable frente a cualquier otro tipo de material, incluido el FR-4. Aunque el coste es más elevado en comparación con otros materiales, los materiales Rogers valen la pena cuando las placas de circuito impreso deben funcionar en condiciones ambientales adversas, a altas frecuencias y con una fiabilidad muy alta.