W zastosowaniach wysokiej częstotliwości, takich jak stacje bazowe 5G, radar pracujący na falach milimetrowych 77 GHz, komunikacja satelitarna itp., hybryda Rogers+fr4 stała się standardowym rozwiązaniem branżowym, które równoważy wydajność RF i kontrolę kosztów. Stosując Rogersy tylko w warstwie sygnału wysokiej częstotliwości i fr4 w pozostałych warstwach, koszty materiałów można zmniejszyć o 30% -70%. Jednak prasowanie mieszane to nie tylko kwestia ułożenia materiałów, a wyzwania procesowe wynikające z różnic we właściwościach fizycznych między dwoma materiałami sprawiają, że jest to „kamień probierczy” do pomiaru wytrzymałości technicznej płytek drukowanych o wysokiej częstotliwościproducenci.
1, Jaka jest trudność procesu mieszanego ciśnienia? Cztery podstawowe wąskie gardła technologiczne
1.1 Niedopasowanie CTE - podstawowa przyczyna rozwarstwienia i wypaczenia
Różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej (WRC) jest podstawową sprzecznością w procesie mieszanego ściskania, która bezpośrednio określa górną granicę niezawodności płyty mieszanego ściskania:
| Rodzaj materiału | CTE osi Z- (ppm/stopień C) | CTE osi X/Y- (ppm/stopień C) | Tg (stopień) |
|---|---|---|---|
| Standardowy fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Wysoka Tg fr4 | 25~30 | 12~16 | Większe lub równe 170 |
| Rogersa RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogersa RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogersa RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Klasa PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Awaria łańcucha spowodowana niedopasowaniem CTE:
Rozwarstwienie międzywarstwowe: Gdy maksymalna temperatura lutowania rozpływowego wynosi 245-260 stopni C, różnica w rozszerzalności w osi Z pomiędzy dwoma materiałami może osiągnąć dziesiątki mikrometrów, a międzyfazowe naprężenie ścinające może osiągnąć 2-3 MPa. Jeśli siła wiązania jest niewystarczająca, można bezpośrednio przeprowadzić delaminację
Pękanie otworów miedzianych: Podczas cykli termicznych powtarzające się naprężenia rozciągające i ściskające skupiają się na ściance otworu, a otwory miedziane o grubości 20-25 μm są podatne na mikropęknięcia w środku, co prowadzi do otwartych obwodów
Odkształcenie wypaczające: Asymetryczne układanie może wypaczać się do 1,2–2,5 mm/m, a wypaczenie FR-4 o grubości 0,1 mm zmieszanego z PTFE może przekraczać 1,9 cm, znacznie przekraczając wymagania normy IPC-6012 wynoszące 0,75%.
Krok impedancji: gdy linia sygnału przecina medium, generowany jest przejściowy szczyt o wartości +7 Ω, powodujący odbicie sygnału
Rzeczywiste dane z testu: Po cyklu termicznym w temperaturze -40 stopni C ~ 85 stopni C, szybkość rozwarstwiania niezoptymalizowanej mieszanej płyty dociskowej może osiągnąć 12%, a stabilność sygnału gwałtownie spada o 25%.
Dylemat temperatury prasowania spowodowany różnicą Tg 1,2
Optymalna temperatura kompresji dla fr4 wynosi 170 ~ 185 stopni C i musi być całkowicie usieciowana i utwardzona
Seria Rogers RO4000 ma Tg około 280 stopni C i akceptowalną kompatybilność temperaturową, ale materiały PTFE są podatne na lekkie odkształcenia w wysokich temperaturach
Dylemat: Nadmierna temperatura powoduje odkształcenie Rogersa i utratę kontroli nad przepływem kleju; Jeżeli temperatura będzie zbyt niska, półutwardzony arkusz fr4 nie utwardzi się dostatecznie i przyczepność międzywarstwowa będzie niewystarczająca
1.3 Niedopasowanie stałej dielektrycznej - problem nieciągłości impedancji
Rogers RO4350B: Dk≈3,48,Df≈ 0,0037@10GHz
Standardowy FR-4: Dk ≈ 4,2 ~ 4,8, Df ≈ 0,018 ~ 0,025 przy 10 GHz
Przy tej samej szerokości linii, gdy sygnał przechodzi z Rogersa do obszaru fr4, przesunięcie impedancji może osiągnąć kilka omów. Przełączanie między warstwami linii sygnałowych-o wysokiej częstotliwości może powodować poważne odbicia sygnału i pogorszenie strat wtrąceniowych.
1.4 Materiał PTFE ma wyjątkowo niską energię powierzchniową, - nieodłączny brak siły wiązania
Energia powierzchniowa materiałów Rogers na bazie PTFE wynosi zaledwie 18-20 mN/m (fr4 to około 40-50 mN/m), a ich naturalna hydrofobowość i obojętność chemiczna prowadzą do:
Słaba przyczepność do folii miedzianej i półutwardzonej blachy
Gdy nie jest aktywowany, wytrzymałość na odrywanie międzyfazowe jest znacznie niższa niż między warstwami fr4
Pod wpływem szoku termicznego jest podatny na rozwarstwianie, pękanie i odwarstwianie się miedzi w porach
2. Jak dobrze nacisnąć Rogers+fr4? Rozwiązanie technologii pełnego procesu
Krok 1: Wybór materiału - Zawężanie luki CTE od źródła
Preferowany „mieszalny” materiał Rogers:
Preferowane serie RO4000: RO4350B, RO4003C, RO4835 są specjalnie zaprojektowane do mieszania z fr4, przy współczynniku CTE na osi X/Y wynoszącym 10-14 ppm/stopień C zbliżonym do 12-16 ppm/stopień C w przypadku FR-4
Optymalne rozwiązanie dla wypełnień ceramicznych: współczynnik CTE osi Z- RO4835 wynosi 28 ppm/stopień C, co zmniejsza różnicę przy wysokiej Tg fr4 (25 ppm/stopień C) do 10% i minimalizuje ryzyko niedopasowania naprężeń termicznych
Materiału PTFE należy używać ostrożnie: Jeśli konieczne jest użycie podłoża PTFE, takiego jak RT/duroid 5880, RO4350B należy skonfigurować po obu stronach jako warstwę przejściową, aby utworzyć stopniowy gradient CTE
fr4 należy ulepszyć do materiału o wysokiej Tg:
Stosując niski CTE fr4 z Tg większym lub równym 170 stopni C, CTE osi Z- można zoptymalizować do 25-30 ppm/stopień C
Zabronione jest używanie zwykłego Tg=130~140 stopni C FR-4 do kompresji mieszanej, ponieważ nie można zagwarantować niezawodności cykli cieplnych
Krok 2: Projektowanie stosów - Symetria to żelazne prawo
Wymuszanie 100% lustrzanego symetrycznego układania jest najskuteczniejszym sposobem kontrolowania wypaczeń:
Rodzaj materiału, grubość, grubość miedzi i model PP górnej i dolnej warstwy dielektryka muszą być całkowicie symetryczne, przy czym osią symetrii jest środkowa warstwa PCB
Warstwy-wysokiej częstotliwości muszą być ułożone symetrycznie parami i surowo zabrania się umieszczania tylko jednej warstwy podłoża wysokiej częstotliwości na jednej stronie
Typowy przykład 6-warstwowej struktury o mieszanym ciśnieniu:
TekstL1: RO4350B (warstwa sygnału wysokiej-częstotliwości) L2: PP (RO4450F) L3: wysoka Tg fr4 (formacja) L4: wysoka Tg fr4 (warstwa mocy) L5: wysoka Tg fr4 (formacja) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (warstwa sygnału wysokiej-częstotliwości) ← Symetria lustrzana z L1
Typowa 10-warstwowa struktura: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Rzeczywiste wyniki testu: Symetryczne układanie w stosy może zmniejszyć wypaczenie po cyklach termicznych z 1,2% do 0,5%.