Vo vysokofrekvenčných aplikáciách, ako sú základňové stanice 5G, radar s milimetrovými vlnami 77 GHz, satelitná komunikácia atď., sa Rogers+fr4 hybrid stal priemyselným štandardným riešením, ktoré vyvažuje RF výkon a kontrolu nákladov. Použitím Rogersa iba vo vrstve vysokofrekvenčného signálu a fr4 v iných vrstvách možno náklady na materiál znížiť o 30 % -70 %. Zmiešané lisovanie však nie je len vecou stohovania materiálov a procesné výzvy, ktoré prinášajú rozdiely vo fyzikálnych vlastnostiach medzi týmito dvoma materiálmi, z neho robia „skúšobný kameň“ na meranie technickej pevnosti vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov.výrobcov.
1, Aká je náročnosť procesu zmiešaného tlaku? Štyri hlavné technologické prekážky
1.1 Nesúlad CTE - hlavná príčina delaminácie a deformácie
Rozdiel v koeficiente tepelnej rozťažnosti (CTE) je základným rozporom v procese zmiešaného lisovania, ktorý priamo určuje hornú hranicu spoľahlivosti dosky zmiešaného lisovania:
| Typ materiálu | CTE osi Z (ppm/ stupeň C) | CTE na osi X/Y- (ppm/stupeň C) | Tg (stupeň) |
|---|---|---|---|
| Štandardná fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Vysoká Tg fr4 | 25~30 | 12~16 | Väčšie alebo rovné 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Trieda PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Zlyhanie reťazca spôsobené nesúladom CTE:
Delaminácia medzivrstvy: Keď je maximálna teplota spájkovania pretavením 245-260 stupňov C, rozdiel v expanzii osi Z medzi týmito dvoma materiálmi môže dosiahnuť desiatky mikrometrov a medzifázové šmykové napätie môže dosiahnuť 2-3MPa. Ak je pevnosť spoja nedostatočná, delaminácia sa môže vykonať priamo
Praskanie medených otvorov: Počas tepelných cyklov sa opakované ťahové tlakové napätie sústreďuje na stenu otvoru a medené otvory s hrúbkou 20-25 μm sú náchylné na mikrotrhliny v strede, čo vedie k otvoreným okruhom.
Deformácia deformácie: Asymetrické stohovanie sa môže deformovať až do 1,2-2,5 mm/m a deformácia 0,1 mm hrubého FR-4 zmiešaného s PTFE môže presiahnuť 1,9 cm, čo ďaleko presahuje 0,75% požiadavku normy IPC-6012
Krok impedancie: Keď signálové vedenie prekročí médium, vytvorí sa prechodový vrchol +7 Ω, ktorý spôsobí odraz signálu
Aktuálne testovacie údaje: Po tepelnom cyklovaní pri -40 stupňoch C ~ 85 stupňoch C môže miera delaminácie neoptimalizovanej zmiešanej prítlačnej dosky dosiahnuť 12 % a stabilita signálu prudko klesne o 25 %.
Dilema lisovacej teploty spôsobená rozdielom Tg 1,2
Optimálna kompresná teplota pre fr4 je 170 ~ 185 stupňov C a musí byť úplne zosieťovaná a vytvrdená
Séria Rogers RO4000 má Tg približne 280 stupňov C a prijateľnú teplotnú kompatibilitu, ale materiály PTFE sú náchylné na miernu deformáciu pri vysokých teplotách.
Dilema: Nadmerná teplota spôsobuje deformáciu Rogersa a stratu kontroly nad tokom lepidla; Ak je teplota príliš nízka, polovytvrdená fólia fr4 nebude dostatočne vytvrdená a priľnavosť medzivrstvy bude nedostatočná
1.3 Nezhoda dielektrickej konštanty - problém s diskontinuitou impedancie
Rogers RO4350B: Dk≈3,48, Df≈ 0,0037 pri 10 GHz
Štandard FR-4: Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025 pri 10 GHz
Pri rovnakej šírke čiary, keď signál prechádza z Rogersa do oblasti fr4, môže impedančný offset dosiahnuť niekoľko ohmov. Prepínanie medzi vrstvami vysokofrekvenčných signálových liniek môže spôsobiť vážne odrazy signálu a zhoršenie straty vloženia.
1.4 Materiál PTFE má extrémne nízku povrchovú energiu -, ktorá je prirodzenou nedostatočnou pevnosťou spoja
Povrchová energia materiálov Rogers na báze PTFE je len 18-20 mN/m (fr4 je asi 40-50 mN/m) a ich prirodzená hydrofóbnosť a chemická inertnosť vedú k:
Zlá priľnavosť k medenej fólii a polovytvrdenému plechu
Keď nie je aktivovaná, je sila medzifázového odlupovania oveľa nižšia ako medzi vrstvami fr4
Pri tepelnom šoku je náchylný na delamináciu, praskanie a oddeľovanie medi v póroch
2, Ako sa dá Rogers+fr4 dobre stlačiť? Kompletné technologické riešenie procesu
Krok 1: Výber materiálu - Zúženie CTE medzery zo zdroja
Preferovaný „miešateľný“ materiál Rogers:
Preferovaná séria RO4000: RO4350B, RO4003C, RO4835 sú špeciálne navrhnuté na zmiešanie s fr4, s osou X/Y CTE 10-14 ppm/stupeň C blízko k FR-4 12-16 ppm/stupeň C
Optimálne riešenie pre keramickú výplň: CTE osi Z{0}} RO4835 je 28 ppm/stupeň C, čo znižuje rozdiel s vysokým Tg fr4 (25 ppm/stupeň C) na 10 % a minimalizuje riziko nesúladu tepelného napätia
Materiál PTFE by sa mal používať opatrne: Ak je potrebné použiť substráty PTFE, ako je RT/duroid 5880, RO4350B by mal byť nakonfigurovaný na oboch stranách ako prechodová vrstva na vytvorenie postupného gradientu CTE
fr4 sa musí upgradovať na materiál s vysokým Tg:
Použitím nízkeho CTE fr4 s Tg väčšou alebo rovnou 170 stupňom C, CTE osi Z- možno optimalizovať na 25 – 30 ppm/stupeň C
Je zakázané používať obyčajnú Tg=130~140 stupňov C FR-4 na zmiešanú kompresiu, pretože nemožno zaručiť spoľahlivosť tepelného cyklovania
Krok 2: Návrh stohovania - Symetria je železný zákon
Vynútenie 100% zrkadlového symetrického stohovania je najefektívnejší spôsob kontroly deformácie:
Typ materiálu, hrúbka, hrúbka medi a PP model hornej a dolnej dielektrickej vrstvy musia byť úplne symetrické, pričom stredná vrstva DPS je osou symetrie.
Vysokofrekvenčné vrstvy musia byť symetricky usporiadané v pároch a je prísne zakázané umiestňovať iba jednu vrstvu vysokofrekvenčného substrátu na jednu stranu
Typický príklad 6-vrstvovej zmiešanej tlakovej štruktúry:
TextL1: RO4350B (vysoko-frekvenčná signálová vrstva) L2: PP (RO4450F) L3: vysoká Tg fr4 (formácia) L4: vysoká Tg fr4 (výkonová vrstva) L5: vysoká Tg fr4 (formácia) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (vysokofrekvenčný signál){←r signál symetria s L1
Typická 10-vrstvová štruktúra: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Aktuálne výsledky testov: Symetrické stohovanie môže znížiť deformáciu po tepelnom cyklovaní z 1,2 % na 0,5 %.