FR4 vs Rogers: Qual Material de PCB Deve Escolher?

Tradicionalmente, os fabricantes têm produzido PCBs ou placas de circuito impresso com materiais que oferecem resistência ao calor e, portanto, são mais baratos de fabricar. À medida que a indústria eletrônica cresce em aplicações de alta frequência, apenas o FR4 não é suficiente. Alguns equipamentos, embora não sujeitos a temperaturas extremas, podem ter de operar em RF ou frequências de rádio. De acordo com as condições de desempenho extremo exigidas pelo RF, materiais especializados como Rogers são necessários para oferecer a melhor funcionalidade das PCBs. Veja nosso artigo recente sobre os diferentes tipos de vias no design de PCBs. O extenso portfólio de materiais para PCB da Rogers permite seu uso em diversas aplicações, incluindo:

• Antenas 5G NR mmWave
• Comunicações por satélite
• Sistemas de radar
• Sensores automotivos
• Aeronáutica e aviônica
• Datacom de alta velocidade
• Instrumentação de teste

Vamos explorar o que torna os materiais de PCB da Rogers soluções superiores para esses domínios de eletrônica de ponta.

O que é FR4:

FR4 é um compósito de resina epóxi reforçada com tecido de vidro termofixo. É o material tradicional que serve de base para a maioria das PCBs e é uma sigla para Flame Retardant Level 4. Sendo um material compósito composto por epóxi e fibra de vidro, os fabricantes o moldam na forma de folhas e o laminam com folha de cobre em um ou ambos os lados.

Principais propriedades e características do FR4:

Custo baixo - O FR4 é um dos materiais de substrato para PCB mais econômicos

Constante dielétrica moderada - Aproximadamente 4,5 a 1 MHz

Fator de perda moderado - Aproximadamente 0,02 a 1 MHz

No entanto, o FR4 sofre limitações de desempenho em frequências mais altas devido às perdas dielétricas, tornando-o inadequado para muitas aplicações de RF. A constante dielétrica relativamente alta e inconsistente e a tangente de perda também fazem do FR4 uma escolha ruim para circuitos analógicos de precisão e digitais de alta velocidade.

O que é Rogers:

Ao contrário do FR-4, os materiais de substrato Rogers oferecem composições diferentes. Alguns deles utilizam uma base cerâmica em vez de vidro. Estão disponíveis várias composições, como vidro tecido reforçado com hidrocarbonetos, e eles oferecem desempenho elétrico muito próximo ao do PTFE.

Algumas propriedades-chave dos materiais Rogers:

Constante dielétrica estável - Controlada com rigor, varia conforme o material na faixa de 2,9 - 10,2

Baixa tangente de perda - Aproximadamente 0,0009 - 0,002 a 10 GHz

Excelente desempenho em altas frequências -Baixa perda de sinal até frequências mmWave

Baixa expansão térmica -Compatível com o coeficiente do cobre para maior confiabilidade

As propriedades dielétricas precisas, o elevado grau de compatibilidade com o cobre e as baixas perdas tornam a Rogers uma escolha ideal para aplicações de alto desempenho em micro-ondas, telecomunicações, aeroespacial e de alta confiabilidade. No entanto, as composições exóticas dos materiais fazem com que a Rogers custe de 5 a 10 vezes mais do que FR4 por área.

Tipos de material de PCB Rogers:

A Rogers fabrica vários tipos de material para PCB para diferentes aplicações. Estes incluem:

7 Principais Diferenças Entre FR-4 e o Material Rogers:

1. Frequência de Operações

A principal diferença entre placas comuns feitas de FR-4 e as com material Rogers está na aplicação. PCBs de FR-4 só funcionam corretamente quando a frequência de operação está dentro de uma certa faixa. Por outro lado, PCBs com material Rogers podem atuar em uma faixa de frequências muito maior. Por exemplo, enquanto PCBs de FR-4 dificilmente alcançam 10 MHz, PCBs Rogers operam muito bem em aplicações que se estendem bem além de 500 MHz.

2. Dureza do material

Há uma diferença substancial na dureza do material entre FR-4 e o material Rogers. FR-4 é composto principalmente por resina epóxi e é bastante rígido. Por outro lado, o material Rogers, por ser hidrocarboneto, é comparativamente mais macio.

3. Tecnologia de processamento

Embora os materiais Rogers sejam destinados a operação em alta frequência, eles diferem dos materiais de PCB em PTFE para micro-ondas. A série de materiais da Rogers não exige nenhum tratamento especial, como tratamento específico para processamento de furos passantes, e não são necessários processos tecnológicos adicionais.

O material FR-4 é um laminado de tecido de vidro com epóxi, que oferece isolamento elétrico estável, superfície lisa, boa planaridade e ausência de porosidade. É adequado para produtos que exigem bom isolamento elétrico. Este material também é apropriado para uso como placas de apoio para usinagem de PCB, reforçadores de FPC, engrenagens planetárias, placas de teste, isolantes de motores e muitos outros.

4. Custo

O custo é um fator importante para equipamentos eletrônicos. Os clientes procuram fabricantes que ofereçam PCBs com o melhor e mais econômico desempenho. Embora fabricar placas com FR-4 possa reduzir custos, esse material é adequado para produtos que operam em baixas frequências e em temperaturas moderadas. Por outro lado, para aplicações que exigem operação em alta velocidade ou altas temperaturas, o uso do material Rogers seria mais apropriado, mesmo sendo mais caro.

5. Estabilidade de Impedância

A constante dielétrica máxima do material FR-4 é 4,5. Em comparação, o material Rogers tem uma constante dielétrica de cerca de 2,2–12,85. A constante dielétrica mais alta do material Rogers contribui para uma maior estabilidade de impedância.

6. Capacidade térmica

Para aplicações que operam em altas velocidades, a placa de circuito impresso também deve ter melhor capacidade térmica para evitar superaquecimento e problemas operacionais. As PCBs Rogers, com suas maiores capacidades térmicas, apresentam desempenho superior ao FR-4 em altas temperaturas e em aplicações de alta velocidade.

7. Integridade do sinal

O material de PCB Rogers tem um fator de dissipação de 0,004%. Em comparação, o fator de dissipação do material FR-4 é de 0,02%. O fator de dissipação significativamente mais baixo do material Rogers contribui para uma perda de sinal substancialmente menor, melhorando assim a integridade do sinal.

Conclusão:

Temos apresentado uma comparação abrangente entre o FR-4 comum e os materiais de PCB Rogers, e como selecionar o material mais adequado para uma aplicação. Os materiais PCB Rogers possuem a vantagem de não exigir nenhum processo especial para a fabricação de PCBs. Em casos apropriados, os projetistas podem compensar o custo mais alto do material Rogers usando-o apenas nas camadas que lidam com altas frequências e empregando FR-4 nas demais.

Para fabricação de placas de circuito impresso envolvendo radiofrequência e micro-ondas, redes móveis e tecnologia espacial, os materiais para PCB da Rogers oferecem desempenho sem concessões em comparação com qualquer outro tipo de material para PCB, incluindo FR4. Embora sejam mais caros em comparação com outros materiais, os materiais Rogers para PCB valem o custo adicional quando as placas de circuito impresso precisam operar em condições ambientais desfavoráveis, em altas frequências e com altíssima confiabilidade.