У високочастотних додатках, таких як базові станції 5G, радари міліметрових хвиль 77 ГГц, супутниковий зв’язок тощо, гібрид Rogers+fr4 став галузевим стандартним рішенням, яке врівноважує продуктивність радіочастот і контроль витрат. Використовуючи Роджерса лише на рівні високочастотного сигналу та fr4 на інших рівнях, витрати на матеріали можна зменшити на 30% -70%. Але змішане пресування — це не просто укладання матеріалу, а труднощі процесу, спричинені відмінностями у фізичних властивостях двох матеріалів, роблять його «пробним каменем» для вимірювання технічної міцності високочастотних друкованих плат.виробників.
1, У чому полягає складність процесу змішаного тиску? Чотири основні технологічні вузькі місця
1.1 Невідповідність CTE - основна причина розшарування та викривлення
Різниця в коефіцієнті теплового розширення (КТР) є принциповою суперечністю в процесі змішаного стиснення, яка безпосередньо визначає верхню межу надійності пластини змішаного стиснення:
| Тип матеріалу | КТР по осі Z- (ppm/градус C) | КТР по осі X/Y- (ppm/градус C) | Tg (градус) |
|---|---|---|---|
| Стандарт fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Високий Tg fr4 | 25~30 | 12~16 | Більше або дорівнює 170 |
| Роджерс RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Роджерс RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Роджерс RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Клас PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Помилка ланцюга через невідповідність КТР:
Міжшарове розшарування: коли пікова температура пайки оплавленням становить 245-260 градусів C, різниця в розширенні двох матеріалів по осі Z може сягати десятків мікрометрів, а міжфазова напруга зсуву може досягати 2-3 МПа. Якщо міцність склеювання недостатня, можна безпосередньо провести розшарування
Розтріскування мідних отворів: під час термічного циклу повторювані розтягуючі напруги стиску концентруються на стінці отвору, а мідні отвори товщиною 20-25 мкм схильні до мікротріщин у середині, що призводить до розривів ланцюгів.
Деформація викривлення: асиметричне укладання може викривлятися до 1,2-2,5 мм/м, а викривлення FR-4 товщиною 0,1 мм, змішаного з PTFE, може перевищувати 1,9 см, що значно перевищує 0,75% вимог стандарту IPC-6012
Крок імпедансу: коли сигнальна лінія перетинає середовище, генерується перехідний пік +7 Ω, що спричиняє відбиття сигналу
Фактичні дані тестування: після термічного циклу при -40° C ~ 85° C швидкість розшарування неоптимізованої змішаної натискної пластини може досягати 12%, а стабільність сигналу різко падає на 25%.
Дилема температури пресування, викликана різницею Tg 1,2
Оптимальна температура стиснення для fr4 становить 170~185 градусів C, і він повинен бути повністю зшитий і затверділий
Серія Rogers RO4000 має Tg приблизно 280 градусів C і прийнятну температурну сумісність, але PTFE матеріали схильні до незначної деформації при високих температурах
Дилема: надмірна температура спричиняє деформацію Роджерса та втрату контролю над потоком клею; Якщо температура надто низька, напівзатверділий лист fr4 не затвердіє достатньо, а адгезія між шарами буде недостатньою
1.3 Проблема невідповідності діелектричної проникності - імпедансу
Роджерс RO4350B: Dk≈3,48, Df≈ 0,0037 при 10 ГГц
Стандартний FR-4: Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025 на 10 ГГц
За тієї самої ширини лінії, коли сигнал переходить від Роджерса в область fr4, зміщення імпедансу може досягати кількох Ом. Міжшарове перемикання високочастотних сигнальних ліній може спричинити серйозне відображення сигналу та погіршення внесених втрат.
1.4 ПТФЕ-матеріал має надзвичайно низьку поверхневу енергію -, властиву недостатню міцність з’єднання
Поверхнева енергія матеріалів Роджерса на основі PTFE становить лише 18-20 мН/м (fr4 становить близько 40-50 мН/м), а їх природна гідрофобність і хімічна інертність призводять до:
Погана адгезія до мідної фольги та напівзатверділого листа
Якщо не активовано, міжфазова міцність на відшарування набагато нижча, ніж між шарами fr4
При термічному ударі він схильний до розшарування, розтріскування та відшарування міді в порах
2, Як можна добре натиснути Роджерс+fr4? Повне технологічне рішення
Крок 1: Вибір матеріалу - Зменшення розриву КТР від джерела
Бажаний «змішуваний» матеріал Роджерса:
Переважні серії RO4000: RO4350B, RO4003C, RO4835 спеціально розроблені для змішування з fr4, з КТР по осі X/Y 10-14 ppm/градус C, близький до 12-16 ppm/градус C для FR-4
Оптимальне рішення для керамічного наповнення: CTE осі Z- для RO4835 становить 28 ppm/градус C, що зменшує різницю з високою Tg fr4 (25 ppm/градус C) до 10% і мінімізує ризик невідповідності термічної напруги
Матеріал PTFE слід використовувати з обережністю: якщо необхідно використовувати підкладки PTFE, такі як RT/duroid 5880, RO4350B слід налаштувати з обох сторін як перехідний шар для формування поступового градієнта КТР
fr4 необхідно оновити до матеріалу з високим Tg:
Використовуючи низький КТР fr4 з Tg, що перевищує або дорівнює 170 градусам С, КТР по осі Z-можна оптимізувати до 25-30 ppm/градус С
Заборонено використовувати звичайний Tg=130~140 градусів C FR-4 для змішаного стиснення, оскільки надійність термоциклування не може бути гарантована
Крок 2. Дизайн стека - Симетрія — це залізний закон
Застосування 100% дзеркального симетричного укладання є найефективнішим способом контролю викривлення:
Тип матеріалу, товщина, товщина міді та модель PP верхнього та нижнього шарів діелектрика повинні бути повністю симетричними, з центральним шаром друкованої плати як віссю симетрії
Високочастотні-шари мають бути розташовані симетрично попарно, і суворо заборонено розміщувати лише один шар високочастотної підкладки з одного боку
Типовий приклад 6-шарової структури змішаного тиску:
TextL1: RO4350B (високо-рівень сигналу) L2: PP (RO4450F) L3: високий Tg fr4 (формування) L4: високий Tg fr4 (енергетичний рівень) L5: високий Tg fr4 (формування) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (високо{15}}частотний рівень сигналу) ← Дзеркало симетрія з L1
Типова структура з 10 шарів: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Фактичні результати тестування: симетричне укладання може зменшити викривлення після термоциклування з 1,2% до 0,5%.