Nelle applicazioni ad alta frequenza come le stazioni base 5G, il radar a onde millimetriche da 77 GHz, le comunicazioni satellitari, ecc., l'ibrido Rogers+fr4 è diventato una soluzione standard del settore che bilancia le prestazioni RF e il controllo dei costi. Utilizzando Rogers solo nello strato del segnale ad alta frequenza e fr4 negli altri strati, i costi dei materiali possono essere ridotti del 30% -70%. Ma la pressatura mista non è semplicemente una questione di impilamento dei materiali, e le sfide di processo determinate dalle differenze nelle proprietà fisiche tra i due materiali ne fanno una "pietra di paragone" per misurare la resistenza tecnica dei PCB ad alta frequenzaproduttori.
1, Qual è la difficoltà del processo di pressione mista? Quattro colli di bottiglia tecnologici fondamentali
Mancata corrispondenza 1.1 CTE - la causa principale della delaminazione e della deformazione
La differenza nel coefficiente di dilatazione termica (CTE) è la contraddizione fondamentale nel processo di compressione mista, che determina direttamente il limite superiore dell'affidabilità della piastra di compressione mista:
| Tipo materiale | CTE asse Z- (ppm/grado C) | CTE asse X/Y- (ppm/grado C) | Tg (grado) |
|---|---|---|---|
| FR4 standard | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Tg alta fr4 | 25~30 | 12~16 | Maggiore o uguale a 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Classe PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Rottura della catena causata dalla mancata corrispondenza del CTE:
Delaminazione dello strato intermedio: quando la temperatura di picco della saldatura a rifusione è di 245-260 gradi C, la differenza nell'espansione dell'asse Z tra i due materiali può raggiungere decine di micrometri e lo stress di taglio interfacciale può raggiungere 2-3 MPa. Se la forza di adesione è insufficiente, la delaminazione può essere effettuata direttamente
Rottura dei fori di rame: durante il ciclo termico, lo stress di trazione e compressione ripetuto si concentra sulla parete del foro e i fori di rame con uno spessore di 20-25 μ m sono soggetti a microfessure al centro, portando a circuiti aperti
Deformazione di deformazione: l'impilamento asimmetrico può deformarsi fino a 1,2-2,5 mm/m e la deformazione di FR-4 spesso 0,1 mm mescolato con PTFE può superare 1,9 cm, superando di gran lunga il requisito dello 0,75% dello standard IPC-6012
Passo di impedenza: quando una linea di segnale attraversa un mezzo, viene generato un picco transitorio di +7 Ω, che causa la riflessione del segnale
Dati di test effettivi: dopo il ciclo termico a -40 gradi C~85 gradi C, il tasso di delaminazione della piastra di pressione mista non ottimizzata può raggiungere il 12% e la stabilità del segnale diminuisce drasticamente del 25%.
Il dilemma della temperatura di pressatura causato dalla differenza di Tg 1.2
La temperatura di compressione ottimale per fr4 è 170~185 gradi C e deve essere completamente reticolato e polimerizzato
La serie Rogers RO4000 ha una Tg di circa 280 gradi C e una compatibilità di temperatura accettabile, ma i materiali in PTFE sono soggetti a leggera deformazione alle alte temperature
Dilemma: una temperatura eccessiva fa sì che Rogers si deformi e perda il controllo del flusso di colla; Se la temperatura è troppo bassa, la lastra semi-indurita fr4 non indurirà sufficientemente e l'adesione tra gli strati sarà insufficiente
1.3 Problema di discontinuità dell'impedenza - disadattamento della costante dielettrica
Rogers RO4350B:Dk≈3,48,Df≈ 0,0037@10GHz
FR-4 standard: Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025 a 10 GHz
Con la stessa larghezza di linea, quando il segnale passa da Rogers alla regione fr4, l'offset dell'impedenza può raggiungere diversi ohm. La commutazione a strati incrociati delle linee di segnale ad alta-frequenza può causare una grave riflessione del segnale e un deterioramento della perdita di inserzione.
1.4 Il materiale PTFE ha un'energia superficiale estremamente bassa - mancanza intrinseca di forza di adesione
L'energia superficiale dei materiali Rogers a base di PTFE è di soli 18-20 mN/m (fr4 è di circa 40-50 mN/m) e la loro naturale idrofobicità e inerzia chimica porta a:
Scarsa adesione al foglio di rame e al foglio semi-indurito
Quando non attivato, la resistenza alla pelatura interfacciale è molto inferiore a quella tra gli strati fr4
Sotto shock termico, è soggetto a delaminazione, screpolature e distacco del rame nei pori
2, Come si può premere bene Rogers+fr4? Soluzione tecnologica di processo completa
Fase 1: selezione dei materiali - Ridurre il divario CTE rispetto alla fonte
Materiale Rogers "miscelabile" preferito:
Serie RO4000 preferite: RO4350B, RO4003C, RO4835 sono appositamente progettati per essere miscelati con fr4, con un CTE sull'asse X/Y di 10-14 ppm/grado C vicino a 12-16 ppm/grado C di FR-4
Soluzione ottimale per il riempimento in ceramica: il CTE dell'asse Z- di RO4835 è 28 ppm/grado C, che riduce la differenza con Tg fr4 elevato (25 ppm/grado C) entro il 10% e minimizza il rischio di disadattamento da stress termico
Il materiale PTFE deve essere utilizzato con cautela: se è necessario utilizzare substrati PTFE come RT/duroid 5880, RO4350B deve essere configurato su entrambi i lati come strato di transizione per formare un gradiente graduale CTE
fr4 deve essere aggiornato a un materiale ad alta Tg:
Utilizzando un CTE fr4 basso con Tg maggiore o uguale a 170 gradi C, il CTE dell'asse Z- può essere ottimizzato a 25-30 ppm/grado C
È vietato utilizzare il normale Tg=130~140 gradi C FR-4 per la compressione mista, poiché l'affidabilità del ciclo termico non può essere garantita
Passaggio 2: progettazione dello stacking - La simmetria è una legge ferrea
Applicare l'impilamento simmetrico speculare al 100% è il modo più efficace per controllare la deformazione:
Il tipo di materiale, lo spessore, lo spessore del rame e il modello PP degli strati dielettrici superiore e inferiore devono essere completamente simmetrici, con lo strato centrale del PCB come asse di simmetria
Gli strati ad alta-frequenza devono essere disposti simmetricamente in coppie ed è severamente vietato posizionare solo uno strato di substrato ad alta frequenza su un lato
Tipico esempio di struttura a pressione mista a 6 strati:
TestoL1: RO4350B (strato del segnale ad alta-frequenza) L2: PP (RO4450F) L3: alta Tg fr4 (formazione) L4: alta Tg fr4 (strato di potenza) L5: alta Tg fr4 (formazione) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (strato del segnale ad alta-frequenza) ← Simmetria speculare con L1
Tipica struttura a 10 strati: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Risultati effettivi dei test: l'impilamento simmetrico può ridurre la deformazione dopo il ciclo termico dall'1,2% allo 0,5%.