ในการใช้งานความถี่สูง เช่น สถานีฐาน 5G, เรดาร์คลื่นมิลลิเมตร 77GHz, การสื่อสารผ่านดาวเทียม ฯลฯ Rogers+fr4 hybrid ได้กลายเป็นโซลูชันมาตรฐานอุตสาหกรรมที่สร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ RF และการควบคุมต้นทุน ด้วยการใช้ Rogers เฉพาะในเลเยอร์สัญญาณความถี่สูงและ fr4 ในเลเยอร์อื่น ต้นทุนวัสดุจะลดลง 30% -70% แต่การกดแบบผสมไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของการวางซ้อนวัสดุเท่านั้น และความท้าทายในกระบวนการที่เกิดจากความแตกต่างในคุณสมบัติทางกายภาพระหว่างวัสดุทั้งสองทำให้เป็น "มาตรฐาน" สำหรับการวัดความแข็งแกร่งทางเทคนิคของ PCB ความถี่สูงผู้ผลิต
1 ความยากของกระบวนการกดดันแบบผสมคืออะไร? ปัญหาคอขวดทางเทคโนโลยีหลักสี่ประการ
1.1 CTE ไม่ตรงกัน - สาเหตุหลักของการหลุดและการบิดงอ
ความแตกต่างในค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) เป็นข้อขัดแย้งพื้นฐานในกระบวนการอัดแบบผสม ซึ่งจะกำหนดขีดจำกัดบนของความน่าเชื่อถือของแผ่นอัดแบบผสมโดยตรง:
| ประเภทวัสดุ | CTE แกน Z- (ppm/ องศา C) | แกน X/Y- CTE (ppm/ องศา C) | Tg ( องศา ) |
|---|---|---|---|
| มาตรฐาน fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Tg สูง fr4 | 25~30 | 12~16 | มากกว่าหรือเท่ากับ 170 |
| โรเจอร์ส RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| โรเจอร์ส RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| โรเจอร์ส RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| คลาส PTFE (RT/ดูรอยด์ 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
ความล้มเหลวของลูกโซ่เกิดจาก CTE ไม่ตรงกัน:
การแยกชั้นระหว่างชั้น: เมื่ออุณหภูมิสูงสุดของการบัดกรีแบบรีโฟลว์คือ 245-260 องศา C ความแตกต่างในการขยายแกน Z ระหว่างวัสดุทั้งสองจะสูงถึงหลายสิบไมโครเมตร และความเค้นเฉือนระหว่างพื้นผิวอาจสูงถึง 2-3MPa หากกำลังการยึดเกาะไม่เพียงพอ ก็สามารถทำการแยกชั้นได้โดยตรง
การแตกร้าวของรูทองแดง: ในระหว่างการหมุนเวียนด้วยความร้อน ความเค้นอัดแรงดึงซ้ำ ๆ จะกระจุกตัวอยู่ที่ผนังรู และรูทองแดงที่มีความหนา 20-25 μm มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกขนาดเล็กตรงกลาง ซึ่งนำไปสู่วงจรเปิด
การบิดเบี้ยว: การซ้อนแบบอสมมาตรสามารถบิดงอได้สูงถึง 1.2-2.5 มม./ม. และการบิดงอของ FR-4 หนา 0.1 มม. ผสมกับ PTFE อาจเกิน 1.9 ซม. ซึ่งเกินข้อกำหนด 0.75% ของมาตรฐาน IPC-6012 มาก
ขั้นตอนอิมพีแดนซ์: เมื่อสายสัญญาณตัดผ่านตัวกลาง จะมีการสร้างจุดสูงสุดชั่วคราว +7 Ω ทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณ
ข้อมูลการทดสอบตามจริง: หลังจากการหมุนเวียนด้วยความร้อนที่ -40 องศา C~85 องศา C อัตราการแยกตัวของแผ่นแรงดันผสมที่ไม่ได้รับการปรับปรุงสามารถสูงถึง 12% และความเสถียรของสัญญาณลดลงอย่างรวดเร็วถึง 25%
ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของอุณหภูมิการกดที่เกิดจากความแตกต่างของ Tg 1.2
อุณหภูมิการบีบอัดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ fr4 คือ 170~185 องศาเซลเซียส และจะต้องมีการเชื่อมขวางและบ่มให้สมบูรณ์
ซีรีส์ Rogers RO4000 มีค่า Tg ประมาณ 280 องศา C และความเข้ากันได้ของอุณหภูมิที่ยอมรับได้ แต่วัสดุ PTFE มีแนวโน้มที่จะเสียรูปเล็กน้อยที่อุณหภูมิสูง
ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก: อุณหภูมิที่มากเกินไปทำให้โรเจอร์สเสียรูปและสูญเสียการควบคุมการไหลของกาว หากอุณหภูมิต่ำเกินไป แผ่นกึ่งแข็ง fr4 จะไม่สามารถแข็งตัวได้เพียงพอและการยึดเกาะระหว่างชั้นจะไม่เพียงพอ
1.3 ปัญหาความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์คงที่ไดอิเล็กทริก -
โรเจอร์ส RO4350B:Dk 3.48,Df 0.0037@10GHz
มาตรฐาน FR-4: Dk ۞ 4.2~4.8, Df ۞ 0.018~ 0.025@10GHz
ภายใต้ความกว้างของเส้นเดียวกัน เมื่อสัญญาณข้ามจาก Rogers ไปยังขอบเขต fr4 ค่าอิมพีแดนซ์ออฟเซ็ตสามารถเข้าถึงหลายโอห์ม การสลับข้ามเลเยอร์ของสายสัญญาณความถี่สูง-อาจทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณอย่างรุนแรงและการสูญเสียการแทรกลดลง
1.4 วัสดุ PTFE มีพลังงานพื้นผิวต่ำมาก - โดยธรรมชาติแล้วขาดความแข็งแรงในการยึดเกาะ
พลังงานพื้นผิวของวัสดุ Rogers ที่ใช้ PTFE อยู่ที่เพียง 18-20 mN/m (fr4 คือประมาณ 40-50 mN/m) และความไม่ชอบน้ำตามธรรมชาติและความเฉื่อยของสารเคมีนำไปสู่:
การยึดเกาะไม่ดีกับฟอยล์ทองแดงและแผ่นกึ่งแข็งตัว
เมื่อไม่ได้เปิดใช้งาน ความแข็งแรงของการลอกผิวระหว่างชั้นจะต่ำกว่าระหว่างชั้น fr4 มาก
ภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน มีแนวโน้มที่จะเกิดการหลุดร่อน แตกร้าว และหลุดออกจากทองแดงในรูขุมขน
2, Rogers+fr4 สามารถกดได้ดีได้อย่างไร? โซลูชันเทคโนโลยีกระบวนการเต็มรูปแบบ
ขั้นตอนที่ 1: การเลือกวัสดุ - การลดช่องว่าง CTE จากแหล่งที่มาให้แคบลง
วัสดุ Rogers 'ผสมได้' ที่ต้องการ:
ซีรี่ส์ RO4000 ที่ต้องการ: RO4350B, RO4003C, RO4835 ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษเพื่อผสมกับ fr4 โดยมี CTE แกน X/Y อยู่ที่ 10-14 ppm/ องศา C ใกล้เคียงกับ FR-4 12-16 ppm/ องศา C
วิธีแก้ปัญหาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเติมเซรามิก: CTE แกน Z- ของ RO4835 คือ 28 ppm/ องศา C ซึ่งลดความแตกต่างด้วย Tg fr4 สูง (25 ppm/ องศา C) ให้เหลือไม่เกิน 10% และลดความเสี่ยงของความเครียดจากความร้อนที่ไม่ตรงกัน
ควรใช้วัสดุ PTFE ด้วยความระมัดระวัง: หากจำเป็นต้องใช้ซับสเตรต PTFE เช่น RT/duroid 5880 ควรกำหนดค่า RO4350B บนทั้งสองด้านเป็นชั้นการเปลี่ยนผ่านเพื่อสร้างการไล่ระดับ CTE แบบค่อยเป็นค่อยไป
fr4 จะต้องอัปเกรดเป็นวัสดุ Tg สูง:
การใช้ CTE fr4 ต่ำโดยมี Tg มากกว่าหรือเท่ากับ 170 องศา C ทำให้ CTE ของแกน Z- สามารถปรับให้เหมาะสมเป็น 25-30 ppm/ องศา C
ห้ามใช้ Tg=130~140 องศา C FR-4 ธรรมดาสำหรับการบีบอัดแบบผสม เนื่องจากไม่สามารถรับประกันความน่าเชื่อถือของการหมุนเวียนด้วยความร้อนได้
ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบการวางซ้อน - ความสมมาตรคือกฎเหล็ก
การบังคับใช้การซ้อนกระจกแบบสมมาตร 100% เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการควบคุมการบิดเบี้ยว:
ประเภทวัสดุ ความหนา ความหนาของทองแดง และแบบจำลอง PP ของชั้นอิเล็กทริกด้านบนและด้านล่างจะต้องมีความสมมาตรโดยสมบูรณ์ โดยมีชั้นศูนย์กลางของ PCB เป็นแกนของสมมาตร
ชั้นความถี่สูง-จะต้องจัดเรียงเป็นคู่อย่างสมมาตร และห้ามมิให้วางวัสดุพิมพ์ความถี่สูงเพียงชั้นเดียวไว้ที่ด้านเดียวโดยเด็ดขาด
ตัวอย่างโครงสร้างแรงดันผสม 6 ชั้นทั่วไป:
ข้อความL1: RO4350B (ชั้นสัญญาณความถี่สูง- L2: PP (RO4450F) L3: สูง Tg fr4 (รูปแบบ) L4: สูง Tg fr4 (ชั้นพลังงาน) L5: สูง Tg fr4 (รูปแบบ) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (ชั้นสัญญาณความถี่สูง-) ← กระจกสมมาตรด้วย L1
โครงสร้าง 10 ชั้นทั่วไป: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
ผลการทดสอบจริง: การซ้อนแบบสมมาตรสามารถลดการบิดเบี้ยวหลังการหมุนเวียนความร้อนจาก 1.2% เหลือภายใน 0.5%