В высокочастотных приложениях, таких как базовые станции 5G, радары миллиметрового диапазона 77 ГГц, спутниковая связь и т. д., гибрид Rogers+fr4 стал отраслевым стандартным решением, которое сочетает в себе радиочастотные характеристики и контроль затрат. Используя Rogers только в слое высокочастотного сигнала и fr4 в других слоях, затраты на материалы можно снизить на 30 % - 70 %. Но смешанное прессование — это не просто вопрос укладки материалов, а технологические проблемы, вызванные различиями в физических свойствах двух материалов, делают его «пробным камнем» для измерения технической прочности высокочастотных печатных плат.производители.
1. В чем сложность процесса смешанного давления? Четыре основных технологических узких места
1.1 Несоответствие КТР - основная причина расслоения и деформации
Разница в коэффициенте теплового расширения (КТР) является принципиальным противоречием в процессе смешанного сжатия, которое непосредственно определяет верхний предел надежности пластины смешанного сжатия:
| Тип материала | КТР по оси Z- (ppm/градус C) | КТР по оси X/Y- (ppm/градус C) | Тг (градус) |
|---|---|---|---|
| Стандартный fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Высокий Тг fr4 | 25~30 | 12~16 | Больше или равно 170 |
| Роджерс RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Роджерс RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Роджерс RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Класс ПТФЭ (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Сбой цепи, вызванный несоответствием CTE:
Межслойное расслоение: когда пиковая температура пайки оплавлением составляет 245-260 градусов Цельсия, разница в расширении по оси Z между двумя материалами может достигать десятков микрометров, а межфазное напряжение сдвига может достигать 2-3 МПа. Если прочность соединения недостаточна, можно выполнить расслоение напрямую.
Растрескивание медных отверстий: во время термоциклирования на стенке отверстия концентрируется повторяющееся растягивающее сжимающее напряжение, а медные отверстия толщиной 20-25 мкм склонны к образованию микротрещин в середине, что приводит к разрыву цепи.
Деформация деформации: асимметричная укладка может деформироваться до 1,2–2,5 мм/м, а деформация FR-4 толщиной 0,1 мм, смешанного с ПТФЭ, может превышать 1,9 см, что значительно превышает требование стандарта IPC-6012 в 0,75%.
Шаг импеданса: когда сигнальная линия пересекает среду, генерируется переходный пик +7 Ом, вызывающий отражение сигнала.
Фактические данные испытаний: после термоциклирования при температуре от -40°C до 85°C степень расслоения неоптимизированной смешанной нажимной пластины может достигать 12%, а стабильность сигнала резко падает на 25%.
Дилемма температуры прессования, вызванная разницей Tg 1,2.
Оптимальная температура сжатия для fr4 составляет 170–185 градусов Цельсия, он должен быть полностью сшит и отвержден.
Серия Rogers RO4000 имеет Tg около 280 градусов C и приемлемую температурную совместимость, но материалы из ПТФЭ склонны к небольшой деформации при высоких температурах.
Дилемма: чрезмерная температура приводит к деформации Роджерса и потере контроля над потоком клея; Если температура слишком низкая, полуотвержденный лист fr4 не затвердеет в достаточной степени, и межслойная адгезия будет недостаточной.
1.3 Проблема несоответствия диэлектрической проницаемости -, проблема разрыва импеданса
Роджерс RO4350B:Dk≈3,48,Df≈ 0,0037 при 10 ГГц
Стандартный FR-4: Dk ≈ 4,2–4,8, Df ≈ 0,018–0,025 при 10 ГГц.
При одинаковой ширине линии, когда сигнал переходит от Роджерса в область fr4, смещение импеданса может достигать нескольких Ом. Межуровневое переключение высокочастотных сигнальных линий-может привести к серьезному отражению сигнала и ухудшению вносимых потерь.
1.4 Материал ПТФЭ имеет чрезвычайно низкую поверхностную энергию -, присущую недостатку прочности сцепления.
Поверхностная энергия материалов Rogers на основе ПТФЭ составляет всего 18-20 мН/м (fr4 около 40-50 мН/м), а их естественная гидрофобность и химическая инертность приводят к:
Плохая адгезия к медной фольге и полузатвердевшему листу.
В неактивированном состоянии прочность на межфазное отслаивание намного ниже, чем между слоями fr4.
При термическом ударе он склонен к расслоению, растрескиванию и отслоению меди в порах.
2. Как можно хорошо нажимать Rogers+fr4? Полное технологическое решение
Шаг 1. Выбор материала - Уменьшение разрыва в CTE от источника
Предпочтительный «смешиваемый» материал Роджерса:
Предпочтительная серия RO4000: RO4350B, RO4003C, RO4835 специально разработаны для смешивания с fr4, с КТР по осям X/Y, составляющим 10–14 частей на миллион/градус C, близким к 12–16 частей на миллион у FR-4/градус C.
Оптимальное решение для керамического пломбирования: КТР RO4835 по оси Z- составляет 28 ppm/градус C, что снижает разницу при высоком Tg fr4 (25 ppm/градус C) до 10 % и минимизирует риск несоответствия температурных напряжений.
Материал ПТФЭ следует использовать с осторожностью: если необходимо использовать подложки из ПТФЭ, такие как RT/duroid 5880, RO4350B следует сконфигурировать с обеих сторон как переходный слой для формирования постепенного градиента КТР.
fr4 необходимо модернизировать до материала с высоким Tg:
Используя низкий КТР fr4 с Tg больше или равным 170 градусам C, КТР по оси Z- можно оптимизировать до 25-30 ppm/градус C.
Запрещается использовать обычный Tg=130~140 градусов C FR-4 для смешанного сжатия, поскольку надежность термоциклирования не может быть гарантирована.
Шаг 2. Проектирование штабелирования - Симметрия — железный закон
Обеспечение 100% зеркально-симметричной укладки — наиболее эффективный способ контролировать деформацию:
Тип материала, толщина, толщина меди и полипропиленовая модель верхнего и нижнего диэлектрических слоев должны быть полностью симметричными, с центральным слоем печатной платы в качестве оси симметрии.
Высокочастотные-слои должны быть расположены симметрично попарно, при этом категорически запрещается размещать только один слой высокочастотной подложки с одной стороны.
Пример типичной 6-слойной структуры смешанного давления:
TextL1: RO4350B (высоко-сигнальный уровень) L2: PP (RO4450F) L3: высокий Tg fr4 (формирование) L4: высокий Tg fr4 (силовой уровень) L5: высокий Tg fr4 (формирование) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (высокочастотный сигнальный уровень) ← Зеркальная симметрия с L1
Типичная 10-слойная структура: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Фактические результаты испытаний: Симметричная укладка может снизить коробление после термоциклирования с 1,2% до 0,5%.