Korkeataajuisissa sovelluksissa, kuten 5G-tukiasemissa, 77 GHz:n millimetriaaltotutkassa, satelliittiviestinnässä jne., Rogers+fr4 hybridistä on tullut alan standardiratkaisu, joka tasapainottaa RF-suorituskykyä ja kustannusten hallintaa. Käyttämällä Rogersia vain suurtaajuisessa signaalikerroksessa ja fr4:ää muissa kerroksissa materiaalikustannuksia voidaan vähentää 30 % -70 %. Mutta sekapuristus ei ole vain materiaalien pinoamista, ja näiden kahden materiaalin fysikaalisten ominaisuuksien erojen aiheuttamat prosessihaasteet tekevät siitä "kosketuskiven" suurtaajuuspiirilevyjen teknisen lujuuden mittaamiseen.valmistajat.
1, Mikä on sekapaineprosessin vaikeus? Neljä keskeistä teknologista pullonkaulaa
1.1 CTE-epäsopivuus - delaminoitumisen ja vääntymisen perimmäinen syy
Ero lämpölaajenemiskertoimessa (CTE) on perustavanlaatuinen ristiriita sekapuristusprosessissa, joka määrittää suoraan sekapuristuslevyn luotettavuuden ylärajan:
| Materiaalityyppi | Z-akseli CTE (ppm/C-aste) | X/Y-akseli CTE (ppm/C-aste) | Tg ( aste ) |
|---|---|---|---|
| Vakio fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Korkea Tg fr4 | 25~30 | 12~16 | Suurempi tai yhtä suuri kuin 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| PTFE-luokka (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
CTE-virheen aiheuttama ketjuvika:
Kerrosten välisen delaminaatio: Kun reflow-juottamisen huippulämpötila on 245-260 astetta C, ero Z-akselin laajenemisessa näiden kahden materiaalin välillä voi olla kymmeniä mikrometrejä ja rajapinnan leikkausjännitys voi olla 2-3 MPa. Jos sidoslujuus ei ole riittävä, voidaan delaminointi suoraan
Kuparireikien halkeilu: Lämpökierron aikana toistuva vetopuristusjännitys keskittyy reiän seinämään, ja kuparireiät, joiden paksuus on 20-25 μm, ovat alttiita mikrohalkeamille keskelle, mikä johtaa avoimiin piireihin
Vääntyvä muodonmuutos: Epäsymmetrinen pinoaminen voi vääntyä jopa 1,2-2,5 mm/m, ja 0,1 mm paksun FR-4:n vääntyminen PTFE:hen sekoitettuna voi ylittää 1,9 cm, mikä ylittää huomattavasti IPC-6012-standardin 0,75 % vaatimuksen.
Impedanssiaskel: Kun signaalilinja ylittää väliaineen, syntyy +7 Ω transienttihuippu, mikä aiheuttaa signaalin heijastuksen
Todelliset testitiedot: Lämpösyklin -40 ° C ~ 85 ° C jälkeen optimoimattoman sekapainelevyn delaminaationopeus voi nousta 12 %:iin ja signaalin vakaus laskee jyrkästi 25 %.
Tg-eron aiheuttama puristuslämpötilan dilemma 1.2
Optimaalinen puristuslämpötila fr4:lle on 170-185 astetta C, ja sen on oltava täysin silloitettu ja kovetettu
Rogers RO4000 -sarjan Tg on noin 280 astetta C ja hyväksyttävä lämpötilayhteensopivuus, mutta PTFE-materiaalit ovat alttiita lievälle muodonmuutokselle korkeissa lämpötiloissa
Dilemma: Liian korkea lämpötila saa Rogersin muotoutumaan ja menettää liimavirran hallinnan; Jos lämpötila on liian alhainen, fr4 puolikovettuva levy ei kovettu riittävästi ja kerrosten välinen tarttuvuus on riittämätön
1.3 Dielektrisen vakion epäsuhta - impedanssin epäjatkuvuusongelma
Rogers RO4350B: Dk≈3.48,Df≈ 0.0037@10GHz
Vakio FR-4: Dk ≈ 4,2 ~ 4,8, Df ≈ 0,018 ~ 0,025 @ 10 GHz
Kun signaali kulkee Rogersista fr4-alueelle samalla viivanleveydellä, impedanssisiirtymä voi olla useita ohmeja. Korkeataajuisten signaalilinjojen poikkikerroskytkentä voi aiheuttaa voimakasta signaalin heijastusta ja välityshäviön heikkenemistä.
1.4 PTFE-materiaalilla on erittäin alhainen pintaenergia -, mikä johtuu sidoslujuuden puutteesta
PTFE-pohjaisten Rogers-materiaalien pintaenergia on vain 18-20 mN/m (fr4 on noin 40-50 mN/m), ja niiden luonnollinen hydrofobisuus ja kemiallinen inertisyys johtavat:
Huono tarttuvuus kuparifolioon ja puolikovettuneeseen levyyn
Kun sitä ei ole aktivoitu, rajapinnan kuoriutumislujuus on paljon pienempi kuin fr4-kerrosten välinen
Lämpöshokin aikana se on altis delaminaatiolle, halkeilulle ja kuparin irtoamiselle huokosissa
2, Kuinka Rogers+fr4 voidaan painaa hyvin? Täysi prosessiteknologiaratkaisu
Vaihe 1: Materiaalin valinta - CTE-aukon kaventaminen lähteestä
Suositeltu "sekoitettava" Rogers-materiaali:
Suositeltu RO4000-sarja: RO4350B, RO4003C, RO4835 on erityisesti suunniteltu sekoitettaviksi fr4:n kanssa, ja X/Y-akselin CTE on 10-14 ppm/aste C lähellä FR-4:n 12-16 ppm/aste C
Optimaalinen ratkaisu keraamiseen täyttöön: RO4835:n Z--akselin CTE on 28 ppm/°C, mikä pienentää eron korkealla Tg fr4:llä (25 ppm/°C) 10 %:iin ja minimoi lämpöjännityksen yhteensopimattomuuden riskin.
PTFE-materiaalia tulee käyttää varoen: Jos on tarpeen käyttää PTFE-substraatteja, kuten RT/duroid 5880, RO4350B tulee konfiguroida molemmilta puolilta siirtymäkerrokseksi CTE:n asteittaisen gradientin muodostamiseksi.
fr4 on päivitettävä korkean Tg:n materiaaliksi:
Käyttämällä matalaa CTE fr4:tä, jonka Tg on suurempi tai yhtä suuri kuin 170 astetta C, Z--akselin CTE voidaan optimoida arvoon 25-30 ppm/aste C
On kiellettyä käyttää tavallista Tg=130~140 astetta C FR-4 sekapuristukseen, koska lämpökierron luotettavuutta ei voida taata
Vaihe 2: Pinoamissuunnittelu - Symmetria on rautalaki
100 % peilisymmetrinen pinoaminen on tehokkain tapa hallita vääntymistä:
Ylemmän ja alemman dielektrisen kerroksen materiaalityypin, paksuuden, kuparin paksuuden ja PP-mallin tulee olla täysin symmetrisiä ja PCB-keskikerroksen symmetria-akselina
Korkeataajuiset kerrokset on järjestettävä symmetrisesti pareittain, ja on ehdottomasti kiellettyä sijoittaa vain yksi kerros korkeataajuista substraattia toiselle puolelle
Tyypillinen 6-kerroksinen sekapainerakenneesimerkki:
TekstiL1: RO4350B (korkea-taajuinen signaalikerros) L2: PP (RO4450F) L3: korkea Tg fr4 (muodostus) L4: korkea Tg fr4 (tehokerros) L5: korkea Tg fr4 (muodostus) L6: PP (RO4450F) L7: RO43frequency} ← Peilisymmetria L1:n kanssa
Tyypillinen 10-kerroksinen rakenne: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Todelliset testitulokset: Symmetrinen pinoaminen voi vähentää vääntymistä lämpösyklin jälkeen 1,2 %:sta 0,5 %:iin.