În aplicațiile de înaltă frecvență, cum ar fi stațiile de bază 5G, radarul cu unde milimetrice de 77GHz, comunicațiile prin satelit etc., hibridul Rogers+fr4 a devenit o soluție standard în industrie care echilibrează performanța RF și controlul costurilor. Folosind Rogers numai în stratul de semnal de înaltă frecvență și fr4 în alte straturi, costurile materialelor pot fi reduse cu 30% -70%. Dar presarea mixtă nu este doar o chestiune de stivuire a materialelor, iar provocările de proces generate de diferențele de proprietăți fizice dintre cele două materiale o fac o „piatră de atingere” pentru măsurarea rezistenței tehnice a PCB-ului de înaltă frecvență.producatori.
1, Care este dificultatea procesului de presiune mixtă? Patru blocaje tehnologice de bază
1.1 Nepotrivirea CTE - cauza principală a delaminarii și deformarii
Diferența de coeficient de dilatare termică (CTE) este contradicția fundamentală în procesul de compresie mixtă, care determină direct limita superioară a fiabilității plăcii de compresie mixtă:
| Tip material | CTE axa -Z (ppm/grad C) | CTE axa X/Y-(ppm/grad C) | Tg (grad) |
|---|---|---|---|
| Standard fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Tg ridicat fr4 | 25~30 | 12~16 | Mai mare sau egal cu 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Clasa PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Eșecul lanțului cauzat de nepotrivirea CTE:
Delaminare interstrat: când temperatura de vârf a lipirii prin reflow este de 245-260 grade C, diferența de expansiune a axei Z între cele două materiale poate ajunge la zeci de micrometri, iar tensiunea de forfecare interfacială poate ajunge la 2-3MPa. Dacă rezistența de lipire este insuficientă, delaminarea poate fi efectuată direct
Crăparea găurilor de cupru: în timpul ciclului termic, stresul de compresiune la tracțiune repetat este concentrat pe peretele găurii, iar găurile de cupru cu o grosime de 20-25 μm sunt predispuse la microfisuri în mijloc, ducând la circuite deschise
Deformare deformare: stivuirea asimetrică se poate deforma cu până la 1,2-2,5 mm/m, iar deformarea FR-4 cu grosimea de 0,1 mm amestecată cu PTFE poate depăși 1,9 cm, depășind cu mult cerința de 0,75% a standardului IPC-6012
Pas de impedanță: atunci când o linie de semnal traversează un mediu, este generat un vârf tranzitoriu de +7 Ω, provocând reflexia semnalului
Date reale de testare: După ciclul termic la -40 grade C~85 grade C, rata de delaminare a plăcii de presiune mixtă neoptimizată poate ajunge la 12%, iar stabilitatea semnalului scade brusc cu 25%.
Dilema temperaturii de presare cauzată de diferența de Tg 1.2
Temperatura optimă de compresie pentru fr4 este de 170 ~ 185 grade C și trebuie să fie complet reticulat și întărit
Seria Rogers RO4000 are o Tg de aproximativ 280 de grade C și o compatibilitate acceptabilă cu temperaturi, dar materialele PTFE sunt predispuse la o ușoară deformare la temperaturi ridicate
Dilemă: Temperatura excesivă face ca Rogers să se deformeze și să piardă controlul asupra fluxului de lipici; Dacă temperatura este prea scăzută, foaia semiîntărită fr4 nu se va întări suficient și aderența interstratului va fi insuficientă
1.3 Nepotrivirea constantei dielectrice - problemă de discontinuitate a impedanței
Rogers RO4350B:Dk≈3,48,Df≈ 0,0037 la 10GHz
Standard FR-4: Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025@10GHz
Sub aceeași lățime de linie, atunci când semnalul trece de la Rogers în regiunea fr4, decalajul de impedanță poate ajunge la câțiva ohmi. Comutarea încrucișată a liniilor de semnal-de înaltă frecvență poate cauza reflectarea severă a semnalului și deteriorarea pierderilor de inserție.
1.4 Materialul PTFE are o energie de suprafață extrem de scăzută - lipsa inerentă a rezistenței de lipire
Energia de suprafață a materialelor Rogers pe bază de PTFE este de numai 18-20 mN/m (fr4 este de aproximativ 40-50 mN/m), iar hidrofobicitatea lor naturală și inerția chimică conduc la:
Aderență slabă la folie de cupru și foaia semiîntărită
Atunci când nu este activată, rezistența la exfoliere a interfeței este mult mai mică decât cea dintre fr4 straturi
Sub șoc termic, este predispus la delaminare, crăpare și detașare a cuprului în pori
2, Cum poate fi apăsat bine Rogers+fr4? Soluție tehnologică completă
Pasul 1: Selectarea materialului - Reducerea decalajului CTE de la sursă
Material Rogers „mixabil” preferat:
Seria preferată RO4000: RO4350B, RO4003C, RO4835 sunt special concepute pentru a fi amestecate cu fr4, cu un CTE pe axa X/Y de 10-14 ppm/grad C aproape de 12-16 ppm/grad C pentru FR-4
Soluție optimă pentru umplutura ceramică: CTE axa Z- al RO4835 este de 28 ppm/grad C, ceea ce reduce diferența cu Tg fr4 ridicată (25 ppm/grad C) la 10% și minimizează riscul nepotrivirii stresului termic
Materialul PTFE trebuie utilizat cu precauție: dacă este necesar să se utilizeze substraturi PTFE, cum ar fi RT/duroid 5880, RO4350B trebuie configurat pe ambele părți ca strat de tranziție pentru a forma un gradient gradual CTE
fr4 trebuie să fie actualizat la un material cu Tg ridicat:
Folosind un CTE fr4 scăzut cu Tg mai mare sau egal cu 170 grade C, CTE axa Z-poate fi optimizat la 25-30 ppm/grad C
Este interzisă utilizarea Tg=130~140 grade C FR-4 obișnuită pentru compresia mixtă, deoarece fiabilitatea ciclării termice nu poate fi garantată
Pasul 2: Designul de stivuire - Simetria este o lege de fier
Aplicarea stivuirii 100% simetrice în oglindă este cea mai eficientă modalitate de a controla deformarea:
Tipul de material, grosimea, grosimea cuprului și modelul PP al straturilor dielectrice superioare și inferioare trebuie să fie complet simetrice, cu stratul central PCB ca axă de simetrie.
Straturile de-frecvență înaltă trebuie să fie aranjate simetric în perechi și este strict interzis să plasați doar un strat de substrat de înaltă frecvență pe o parte
Exemplu tipic de structură de presiune mixtă cu 6 straturi:
TextL1: RO4350B (stratul de semnal de înaltă-frecvență) L2: PP (RO4450F) L3: Tg fr4 mare (formație) L4: Tg fr4 ridicată (stratul de putere) L5: Tg fr4 ridicată (formație) L6: PP (RO4450F) L7: semnal de frecvență ridicată RO435{15} ← Simetrie oglindă cu L1
Structură tipică cu 10 straturi: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Rezultatele efective ale testului: stivuirea simetrică poate reduce deformarea după ciclul termic de la 1,2% la 0,5%.