Каква е трудността на процеса на смесено пресоване на високочестотни платки? Как може да се натисне добре Rogers+FR-4?

Във високочестотни приложения като 5G базови станции, радар с милиметрови вълни 77 GHz, сателитна комуникация и т.н., хибридът Rogers+fr4 се превърна в индустриално стандартно решение, което балансира RF производителността и контрола на разходите. Чрез използване на Роджърс само във високочестотния сигнален слой и fr4 в други слоеве, материалните разходи могат да бъдат намалени с 30% -70%. Но смесеното пресоване не е просто въпрос на подреждане на материали, а предизвикателствата на процеса, породени от разликите във физическите свойства между двата материала, го правят „пробен камък“ за измерване на техническата здравина на високочестотни печатни платкипроизводители.

1, Каква е трудността на процеса на смесено налягане? Четири основни технологични пречки

1.1 CTE несъответствие - основната причина за разслояване и изкривяване
Разликата в коефициента на топлинно разширение (CTE) е основното противоречие в процеса на смесено компресиране, което директно определя горната граница на надеждността на смесената компресионна плоча:

Повреда на веригата, причинена от несъответствие на CTE:

Разслояване на междинен слой: Когато пиковата температура на запояване чрез претопяване е 245-260 градуса C, разликата в разширението по Z-ос между двата материала може да достигне десетки микрометри, а междинното напрежение на срязване може да достигне 2-3MPa. Ако силата на свързване е недостатъчна, разслояването може да се извърши директно

Напукване на медни дупки: По време на термичен цикъл, повтарящото се напрежение на натиск при опън се концентрира върху стената на дупката и медните дупки с дебелина 20-25 μm са склонни към микропукнатини в средата, което води до отворени вериги

Деформация на изкривяване: Асиметричното подреждане може да се изкриви до 1,2-2,5 mm/m, а изкривяването на FR-4 с дебелина 0,1 mm, смесено с PTFE, може да надхвърли 1,9 cm, далеч надхвърляйки изискването от 0,75% на стандарта IPC-6012

Стъпка на импеданс: Когато сигнална линия пресича среда, се генерира +7 Ω преходен пик, причиняващ отражение на сигнала

Действителни данни от теста: След термичен цикъл при -40 градуса C~85 градуса C, степента на разслояване на неоптимизираната смесена притискаща плоча може да достигне 12%, а стабилността на сигнала спада рязко с 25%.

Дилемата с температурата на пресоване, причинена от разликата в Tg 1.2
Оптималната температура на компресия за fr4 е 170~185 градуса C и трябва да бъде напълно омрежена и втвърдена

Серията Rogers RO4000 има Tg от приблизително 280 градуса C и приемлива температурна съвместимост, но PTFE материалите са склонни към лека деформация при високи температури

Дилема: Прекомерната температура кара Роджърс да се деформира и да загуби контрол върху потока на лепилото; Ако температурата е твърде ниска, полувтвърденият лист fr4 няма да се втвърди достатъчно и адхезията на междинния слой ще бъде недостатъчна

1.3 Несъответствие на диелектричната константа - проблем с прекъсване на импеданса
Rogers RO4350B:Dk≈3.48,Df≈ 0.0037@10GHz

Стандартен FR-4: Dk ≈ 4.2~4.8, Df ≈ 0.018~ 0.025@10GHz

При същата ширина на линията, когато сигналът преминава от Роджърс в областта fr4, отместването на импеданса може да достигне няколко ома. Превключването между слоевете на високо{2}}честотни сигнални линии може да причини силно отражение на сигнала и влошаване на вмъкнатите загуби.

1.4 PTFE материалът има изключително ниска повърхностна енергия - присъща липса на якост на свързване
Повърхностната енергия на базираните на PTFE материали на Роджърс е само 18-20 mN/m (fr4 е около 40-50 mN/m), а тяхната естествена хидрофобност и химическа инертност водят до:

Лоша адхезия към медно фолио и полувтвърден лист

Когато не е активирана, междуфазната якост на отлепване е много по-ниска от тази между fr4 слоевете

При термичен шок той е склонен към разслояване, напукване и отделяне на мед в порите

2, Как може да се натисне добре Rogers+fr4? Цялостно технологично решение
Стъпка 1: Избор на материал - Стесняване на разликата в CTE от източника
Предпочитан "смесим" материал на Роджърс:

Предпочитани серии RO4000: RO4350B, RO4003C, RO4835 са специално проектирани да се смесват с fr4, с CTE по ос X/Y от 10-14 ppm/градус C, близо до 12-16 ppm/градус C на FR-4

Оптимално решение за керамичен пълнеж: CTE по оста Z- на RO4835 е 28 ppm/градус C, което намалява разликата с висока Tg fr4 (25 ppm/градус C) до 10% и минимизира риска от несъответствие на топлинния стрес

PTFE материалът трябва да се използва с повишено внимание: Ако е необходимо да се използват PTFE субстрати като RT/duroid 5880, RO4350B трябва да се конфигурира от двете страни като преходен слой за образуване на CTE постепенен градиент

fr4 трябва да се надстрои до материал с висока Tg:

Използвайки нисък CTE fr4 с Tg по-голяма или равна на 170 градуса C, CTE по оста Z- може да се оптимизира до 25-30 ppm/градус C

Забранено е използването на обикновена Tg=130~140 градуса C FR-4 за смесена компресия, тъй като надеждността на топлинния цикъл не може да бъде гарантирана

Стъпка 2: Дизайн на подреждане - Симетрията е железен закон
Налагането на 100% огледално симетрично подреждане е най-ефективният начин за контролиране на изкривяването:

Типът материал, дебелината, дебелината на медта и PP моделът на горния и долния диелектрични слоеве трябва да бъдат напълно симетрични, като централния слой на PCB е оста на симетрия

Високочестотните-слоеве трябва да бъдат симетрично подредени по двойки и е строго забранено да се поставя само един слой високочестотен субстрат от едната страна

Пример за типична 6-слойна структура със смесено налягане:

TextL1: RO4350B (високо{2}}честотен сигнален слой) L2: PP (RO4450F) L3: висок Tg fr4 (формиране) L4: висок Tg fr4 (мощен слой) L5: висок Tg fr4 (формиране) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (високо-честотен сигнален слой) ← Огледален симетрия с L1
Типична 10-слойна структура: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)

Действителни резултати от теста: Симетричното подреждане може да намали изкривяването след термичен цикъл от 1,2% до 0,5%.