10vrstvé materiály pro desky plošných spojů (PCB) pro FR-4, nízkoztrátové a RF desky

Výběr materiálu pro 10vrstvou desku plošných spojů není vyhledávací tabulka, která by převáděla název rozhraní na značku laminátu. Deska s DDR5, PCI Express nebo vysokorychlostním SerDes může být vyrobena na několika pryskyřičných systémech v závislosti na délce kanálu, profilu mědi, geometrii vodičů, ztrátách konektoru, přechodech mezi vodiči, teplotním zatížení a ekvalizační schopnosti přijímače. Naopak krátká trasa může selhat na drahém laminátu, pokud je zpětná cesta, pole mezi vodiči nebo přechod referenční roviny špatný.

Tato příručka zachází s výběrem materiálu spíše jako s technickým rozhodnutím než s marketingovou hierarchií. Vysvětluje, co znamenají publikované vlastnosti, kde lze porovnat čísla v datových listech, jak měď a sklo ovlivňují hotový kanál a co je třeba kontrolovat, když jsou dva materiály kombinovány v jedné vrstvě. Volby specifické pro daný projekt by měly být přezkoumány společně s 10vrstvé stohování a plán vysokorychlostního kanálu před zmrazením rozvržení.

Začněte s požadavky na elektrické instalace a spolehlivost

Užitečné rozhodnutí o materiálu začíná podmínkami, které musí hotová deska snášet, a elektrickým výkonem, který musí směrovaný kanál poskytovat. Minimální vstupní sada je signální spektrum nebo maska ​​shody, maximální délka směrovaného kanálu, povolený vložený útlum, očekávaný počet a typ přechodů propojení, uspořádání referenční roviny, profil sestavy, teplotní rozsah produktu a požadovaná třída spolehlivosti. Materiál je poté vybrán jako jedna součást celkového rozpočtu na ztráty a spolehlivost.

„Vysoká Tg“, „nízké ztráty“ a „RF materiál“ jsou kategorie, nikoli kompletní specifikace. Před vydáním konečné geometrie impedance nebo simulace kanálu je nutné identifikovat zvolený druh, obsah pryskyřice, typ skla, tloušťku jádra, konstrukci prepregu a měděnou fólii.

Jak číst datový list laminátu bez míchání zkušebních metod

Publikované hodnoty se často měří různými metodami. Hodnota pro páskové vedení s omezenou frekvencí, hodnota pro rezonátor a návrhová hodnota odvozená z impedance nejsou zaměnitelné, i když jsou uváděny na stejné frekvenci. Data mohou také popisovat nominální pryskyřičný systém spíše než přesnou konstrukci skla a pryskyřice použitou ve vrstvě. Z tohoto důvodu může jediné číslo Dk zkopírované do řešiče pole vytvořit věrohodnou, ale nepřesnou šířku stopy.

Pro impedanci výrobce obvykle používá procesně kalibrovanou „návrhovou Dk“ nebo empirický model spojený s konkrétní konstrukcí materiálu. Pro simulaci vložného útlumu by měl model navíc identifikovat drsnost mědi a při vyšších frekvencích skutečný typ skla nebo ekvivalentní anizotropní reprezentaci. Model použitý pro návrh a materiál dodaný při nákupu se musí vztahovat ke stejné konstrukci.

Materiálové skupiny používané v 10vrstvých deskách

Konvenční a vysokoteplotní systémy FR-4

FR-4 pokrývá širokou řadu termosetových laminátů vyztužených tkanými skelnými vlákny. Je vhodný pro mnoho průmyslových, řídicích, výkonových a středně rychlých digitálních desek, ale přesná jakost stále záleží. Desetivrstvá deska s více cykly přetavování, pokovenými otvory s vysokým poměrem stran nebo sekvenční laminací může vyžadovat nižší roztažnost v ose Z, delší dobu delaminace a lepší výkon CAF než jednoduchý dvouvrstvý produkt. „V souladu s RoHS“ neznamená automaticky, že každá jakost FR-4 je vhodná pro každý bezolovnatý montážní profil.

Vysokoteplotní izolace FR-4 (Tg) se často volí kvůli tepelné a rozměrové rezervě, nikoli proto, že Tg přímo určuje rychlost signálu. Krátký, dobře směrovaný vysokorychlostní kanál může fungovat na dobrém systému FR-4; delší kanál může vyžadovat nižší dielektrické a vodičové ztráty. Rozhodnutí by mělo vycházet spíše z analýzy ztrát a potřeb spolehlivosti než ze sloganu „protokol-materiál“.

Nízkoztrátové digitální lamináty

Řady jako Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera a srovnatelné vysokorychlostní systémy snižují dielektrické ztráty a běžně se nabízejí s hladšími měděnými variantami. Nejsou však automaticky zaměnitelné. Každá řada obsahuje více jakostí a přesné hodnoty Dk/Df závisí na variantě produktu, zkušební metodě, obsahu pryskyřice a konstrukci skla. Například současná literatura o I-Tera MT40 uvádí hlavní hodnoty kolem Dk 3.45 a Df 0.0031, zatímco konstrukční tabulky ukazují, že se jednotlivá jádra a prepregy liší. Právě tato variace na úrovni konstrukce je důvodem, proč schválený souhrn musí identifikovat více než jen název řady.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 a MEGTRON 8 představují různé produktové řady a úrovně výkonu. Konstruktér by měl specifikovat požadované elektrické a procesní vlastnosti nebo přesný stupeň – nepsát „M6 nebo ekvivalent“ a umožnit nekontrolovanou náhradu. Při nejvyšších přenosových rychlostech může měděná varianta a architektura propojovacích kanálů dominovat rozdílu mezi dvěma dielektriky s nominálně nízkými ztrátami.

Systémy s velmi nízkými ztrátami a velmi vysokou rychlostí

Isola Tachyon 100G je příkladem systému s ultra nízkými ztrátami. Jeho aktuální produktový list uvádí hlavní hodnoty blízké 3.02 Dk a 0.0021 Df, ale podrobné konstrukční tabulky opět ukazují rozdíly v závislosti na obsahu skla a pryskyřice. Tyto materiály se volí, pokud je analýza kanálů odůvodňuje; neměly by být popisovány jako povinné výchozí nastavení pro každý návrh 112G nebo PCIe.

RF lamináty na bázi uhlovodíků/keramiky a PTFE

Rogers RO4003C a RO4350B jsou termosetové lamináty z uhlovodíku/keramiky vyztužené tkaným skelným vláknem, nikoli PTFE lamináty. RO4003C má hodnoty Dk okolo 3.38 a Df 0.0027 při 10 GHz; RO4350B nabízí související procesně kompatibilní variantu s různými elektrickými vlastnostmi a charakteristikami hořlavosti. Rogers také dodává rodiny produktů na bázi PTFE, jako jsou vybrané produkty RT/duroid a RO3000. Správná rodina závisí na frekvenci, ztrátách, toleranci Dk, tepelné roztažnosti, požadavcích na pokovené průchozí otvory, hořlavosti a výrobním procesu.

Přimíchání RF jádra do jinak vícevrstvé FR-4 oceli může být efektivní, ale spojovací materiál, úprava mědi, vrtání a povrchová úprava musí být vybrány pro celou konstrukci. Samotný název značky nedefinuje vyrobitelný hybrid.

Polyimidové systémy pro flexibilní a tuhé-flexibilní konstrukce

Flexibilní obvody využívají polyimidové fólie, samolepicí systémy nebo bezlepicí lamináty s měděným povlakem, krycí vrstvy a vybrané měděné fólie. DuPont Pyralux AP je řada bezlepicích flexibilních laminátů; Pyralux TK je zaměřen na flexibilní aplikace s nižšími ztrátami. Vhodná volba závisí na ohybovém zatížení, počtu vrstev, impedanci, teplotě a procesu tuhé a flexibilní laminace. Statické instalační ohyby a kontinuální dynamické ohýbání jsou odlišné konstrukční problémy a neměly by sdílet jeden obecný poloměr ohybu.

Měděná fólie, skleněná tkanina a obsah pryskyřice

Drsnost mědi patří do modelu ztrát

Při vysoké frekvenci se proud stlačuje k povrchu vodiče. Drsný spojovací povrch prodlužuje efektivní dráhu proudu a zvyšuje ztráty ve vodiči. Standardní elektrolyticky nanášená fólie, reverzně ošetřená fólie, velmi nízkoprofilové a hyper-velmi nízkoprofilové produkty proto mohou na stejném dielektriku způsobovat různé vložné ztráty. Kompromis není jednoduše „hladší je lepší“: adheze, oxidační úprava, chemie pryskyřice, manipulace a náklady musí zůstat kompatibilní s výrobním procesem.

Výrobní výkres by měl uvádět buď schválenou třídu fólie, nebo model maximální drsnosti použitý v simulaci. Marketingové označení jako VLP a HVLP nejsou u všech dodavatelů dokonale standardizována, takže projekt může vyžadovat označení fólie specifické pro daného dodavatele nebo měřitelný požadavek na drsnost.

Skleněná vazba mění lokální Dk a zešikmení

Tkané sklo a pryskyřice mají odlišné dielektrické vlastnosti. Úzká stopa nebo jeden člen diferenciálního páru se může pohybovat převážně přes svazky skla, zatímco sousední stopa se pohybuje přes oblasti bohaté na pryskyřici, což vytváří lokální nesoulad zpoždění. Možnostmi zmírnění jsou konstrukce s rozprostřeným sklem, diagonální směrování vzhledem k tkaní, širší stopy, větší rozteč párů, kde je to vhodné, a náhodná orientace kresby. Správná volba závisí na skutečném stylu skla a rozpočtu na zešikmení.

Obsah pryskyřice také ovlivňuje tloušťku po stlačení a efektivní Dk. Prepreg není plastová deska s pevnou tloušťkou: její konečná tloušťka závisí na typu skla, obsahu pryskyřice, hustotě mědi, lisovacím cyklu a lokálním toku pryskyřice. Výpočty vrstvení by proto měly používat model lisování výrobce, nikoli pouze nominální tloušťku z katalogu.

Hybridní materiálové vrstvy a řízení substitucí

Hybridní systém umisťuje nízkoztrátový nebo vysokofrekvenční materiál pouze tam, kde vytváří měřitelnou hodnotu, například kolem vybraných kanálů páskového vedení nebo vysokofrekvenční povrchové vrstvy. To může snížit spotřebu materiálu, ale přidává to inženýrské práce. Výrobce musí pro kombinovaný systém kvalifikovat spojovací vrstvu nebo prepreg, cyklus vytvrzování, tok pryskyřice, úpravu vnitřní vrstvy, rozměrovou kompenzaci, vrtání, odstraňování šmouh a spolehlivost pokovených otvorů.

Náhrada materiálu by měla být provedena jedním ze tří způsobů: žádná náhrada bez písemného souhlasu; náhrada pouze ze schváleného seznamu; nebo kontrolovaná náhrada poté, co dodavatel poskytne revidovaný soupis, výpočet impedance a požadované důkazy o kvalifikaci. „Ekvivalentní výkonnostní třída“ není dostatečným schválením.

Tepelná spolehlivost, HDI a expozice montáže

Spolehlivost desetivrstvé konstrukce je ovlivněna celkovou tepelnou historií. Konvenční vícevrstvá konstrukce může mít jeden primární cyklus laminace, zatímco konstrukce HDI přidává postupné cykly navařování a může zahrnovat plnění mědí, planarizaci a další vytvrzovací operace. Povrchová úprava, montáž součástí a přepracování pak přidávají další expozici. Materiálový systém musí tolerovat celou trasu, nejen jeden vrchol přetavení.

Relevantní důkazy mohou zahrnovat chování T260/T288, CTE v ose Z, vlhkostní úpravu, simulaci reflow, mikrořezy tepelného namáhání a testování propojení. Použitelné testy a frekvence vzorků by měly být definovány specifikací produktu a rizikem. Je nepřesné tvrdit, že konkrétní hodnota Td automaticky určuje, zda je materiál „požadován“ pro daný počet vrstev. K tomu přispívá geometrie, pryskyřičný systém, mědění, vlhkost, lisovací cyklus a design vzorku.

Pro HDI se dielektrická tloušťka pod mikrootvorem volí společně s průměrem laseru a záchytnou plochou. Opakované vrstvené mikrootvory vyžadují proces s prokázanou spolehlivostí plnění a rozhraní. Stránka s materiálem by měla toto rozhodnutí podporovat, zatímco skutečný plán sestavení a přijetí patří do 10vrstvá technická specifikace HDI.

Co uvést na výrobním výkresu a objednávce

Objednávka, která uvádí pouze „vysokoteplotní FR-4“ nebo „ekvivalent MEGTRON“, ponechává příliš mnoho otevřených otázek. Poznámka k materiálu připravenému k výrobě by měla uvádět schválenou jakost nebo specifikaci výkonu, pravidlo substituce, požadavky na měděnou fólii, hořlavost nebo regulační požadavky, úroveň sledovatelnosti materiálu a veškeré konstrukční elektrické údaje použité při návrhu.

Tyto poznámky odešlete spolu s tabulkou impedance a souhrnem. průvodce s řízenou impedancí vysvětluje, co potřebuje zpracovatel k výpočtu a ověření konečné geometrie.

Náklady na materiál bez zavádějících procentuálních doplňků

Cena materiálu je ovlivněna cenou plechu, minimálním nákupním množstvím, použitelnou velikostí panelu, trvanlivostí, požadovanou mědí, dostupností prepregu a výtěžností kompletního svazku. Hybridní konstrukce může snížit drahou dielektrickou plochu, ale může zvýšit složitost nákupu, pokládky a kvalifikace. Naopak, kompletní nízkoztrátová konstrukce může někdy zjednodušit nákup a laminaci, i když je surovina dražší.

Pro účely sestavování rozpočtu požádejte dodavatele, aby oddělil vliv materiálového systému od cyklů HDI, povrchové úpravy, testování a dokumentace. Nepovažujte fixní procento uvedené na webové stránce za cenovou nabídku. Průvodce cenami 10vrstvých desek plošných spojů poskytuje model nákladových faktorů, který lze použít k porovnání alternativ bez vymýšlení univerzálních cenových multiplikátorů.

Žádost o kontrolu materiálu a stackupu

Dostupnost, regulační status a dlouhodobé dodávky

Dostupnost materiálu je konstrukčním omezením, pokud se deska bude vyrábět po mnoho let. Určitá třída může být technicky vhodná, ale dostupná pouze ve vybraných tloušťkách, měděných fóliích nebo velikostech panelů. Dodací lhůtu prototypu mohou ovlivnit minimální nákupní množství, kontrola trvanlivosti a regionální skladové zásoby. Před zmrazením konstrukce specifického segmentu se ujistěte, že požadované kombinace jádra a prepregu jsou součástí aktuální nabídky výrobce a že výrobce má pro ně schválený postup.

Hořlavost, tvrzení o bezhalogenovém obsahu, prohlášení RoHS/REACH a uznání UL jsou oddělené otázky. Laminát může být kompatibilní s RoHS, ale nesplňovat požadavky na hořlavost požadované konečným výrobkem; konkrétní konstrukce může spadat mimo rozsah tloušťky daného uznání. Specifikace nákupu by měla uvádět požadované regulační důkazy a místo výroby, na které se vztahují. Neodvozujte certifikaci z příjmení ani z kvalifikace jiné továrny.

U programů s dlouhou životností udržujte kontrolovaný seznam schválených materiálů s alespoň jednou technicky ověřenou alternativou, pokud je to praktické. Alternativa by měla být vyhodnocena před přerušením dodávek, neměla by být zaváděna během nedostatku bez kontroly impedance, laminace a spolehlivosti. V dodavatelské smlouvě by měly být zahrnuty odpovědnosti za poslední nákup, oznámení změn a rekvalifikaci.

Schválení výběru materiálu

Rozhodnutí o materiálu je připraveno k vydání, když se nákupní jazyk, konstrukce souvrství a elektrické modely vztahují ke stejnému druhu a konstrukci. Obecné popisy jako „vysoká teplota tepelné izolace“, „nízké ztráty“ nebo „ekvivalentní“ nejsou dostatečné, pokud je důležitá impedance, vložný útlum nebo opakované tepelné vystavení.

• Uveďte schválený seznam jakosti nebo schválených materiálů a písemný postup pro nahrazení.
• Identifikujte konstrukce jádra a prepregu, obsah pryskyřice, typ skla a profil mědi použité v modelech.
• Zaznamenejte zkušební metodu Dk/Df, frekvenci a zda se jedná o hodnotu z datového listu laminátu nebo o konstrukční model.
• Zkontrolujte tepelnou historii od postupné laminace, přes plnění, povrchovou úpravu, přetavení montáže a očekávané přepracování.
• Ověřte dostupnost, minimální množství pro nákup, riziko dodací lhůty, regulační status a dlouhodobé potřeby dodávek.
• Vyžadovat revizi výpočtu vrstvení a impedance vždy, když schválená náhrada změní konstrukci.

Nejlepším materiálem je nejlevnější kvalifikovaný systém, který splňuje kompletní elektrické, mechanické, tepelné a napájecí požadavky. Prémiový pryskyřičný systém nemůže kompenzovat špatnou zpětnou cestu, rezonanci přes pahýl nebo nekontrolovanou substituci.

Dokumentace kvalifikace materiálu pro opakovanou výrobu

Programy, které jsou závislé na elektrických ztrátách, opakovaném tepelném vystavení nebo dlouhé životnosti, by měly uchovávat dokumentaci k materiálu, nikoli pouze k obchodnímu názvu dodavatele. Tato dokumentace zvyšuje spolehlivost opakovaných objednávek, posouzení alternativních zdrojů a analýzy poruch.

• výrobce, přesný stupeň, revize a regulační status;
• schválené konstrukce jádra/prepregu a dostupné styly skla;
• typ a úprava měděné fólie použitá na každé vrstvě řízeného signálu;
• Zdroj dat Dk/Df, zkušební metoda, frekvence a předpoklady návrhového modelu;
• tepelná data relevantní pro skutečný postup procesu, včetně expozice laminace a montáže;
• kvalifikace procesu nebo důkaz prvního článku pro pokovené otvory, mikrootvory a hybridní spoje;
• pokyny pro skladování, trvanlivost, pečení a manipulaci s vlhkostí, pokud jsou relevantní;
• schválené náhradní díly a podmínky, které aktivují opětovnou kvalifikaci z hlediska elektrických zařízení nebo spolehlivosti.

Důležité je také stárnutí materiálu a jeho dostupnost. Laminát může zůstat technicky vhodný, ale zároveň se stát komerčně nepraktickým, protože se ukončuje výroba určité tloušťky jádra, typu skla nebo mědi. Proto by se měla provádět pravidelná kontrola životního cyklu, než se stane nedostupnou poslední schválená konstrukce. Při zavedení nové revize materiálové skupiny porovnejte údaje o zpracování a konstrukci, místo abyste předpokládali, že obchodní název zaručuje zaměnitelnost.

U hybridních konstrukcí zachovejte předpoklady pro vazebnou vrstvu, oxid nebo alternativní úpravu a laminaci spolu s materiálem signální vrstvy. Dielektrikum nesoucí signál může být věnováno největší pozornost, ale rozhraní mezi materiálovými systémy často řídí rozměrové chování a dlouhodobou spolehlivost.