Výběr vrstev a materiálu pro vrstvení plošných spojů Rogers PCB

Skladba desek plošných spojů Rogers definuje sled vrstev, tloušťky dielektrika, hmotnosti mědi a jakosti materiálů, které určují výkon rádiového záření, přesnost impedance a spolehlivost výroby. Špatná sestava znamená plýtvání drahým panelem Rogers. Tato příručka se zabývá osvědčenými konfiguracemi sestavy desek plošných spojů Rogers od 2 do 10 vrstev, výběrem prepregů a spojovacích vrstev, pravidly symetrie a postupy návrhu impedance.

Obsah

1. Proč je návrh vrstvených desek plošných spojů Rogers důležitější než FR4
2. Konfigurace stohování desek plošných spojů Rogers s 2 a 4 vrstvami
3. Příklady 6vrstvého a 8vrstvého hybridního Rogersova stackupu
4. Průvodce výběrem prepregů a spojovacích vrstev Rogers PCB
5. Jak zabránit deformaci v deskách plošných spojů Rogers
6. Modelování impedance desek plošných spojů Rogers a korekce Dk
7. Podpora návrhu stackupů desek plošných spojů Rogers ve společnosti Highleap

1. Proč je návrh vrstvených desek plošných spojů Rogers důležitější než FR4

Standardní konstrukce svazku FR4 je relativně tolerantní – dielektrická konstanta se u jednotlivých šarží liší o ±10 % a většina návrhů tuto změnu absorbuje bez funkční poruchy. Desky plošných spojů Rogers fungují v jiném inženýrském režimu. Při frekvencích nad 1 GHz malé změny v tloušťce dielektrika, přesnosti Dk nebo drsnosti mědi přímo ovlivňují impedanci, vložný útlum a fázovou stabilitu. Svazek je základem výkonu VF.

Tři faktory činí návrh Rogersova vrstvení důležitějším než FR4:

Užší tolerance Dk vyžaduje přesnější kontrolu tloušťky. Rogers RO4350B specifikuje Dk = 3.48 ± 0.05 (±1.4 %) – což je mnohem menší hodnota než typické ±5–10 % pro FR4. Tato přesnost má smysl pouze tehdy, je-li dielektrická tloušťka stejně dobře kontrolována. Změna tloušťky ±0.5 mil na jádru Rogers o tloušťce 10 mil posouvá impedanci mikropáskového vodiče přibližně o ±2 Ω na vedení 50 Ω. Součástí dodávky musí být přesná specifikace dielektrické tloušťky a výrobce ji musí dodržovat.

Kombinace materiálů vyžadují inženýrství kompatibility. Vícevrstvá deska Rogers může v jednom vrstveném uspořádání kombinovat jádra Rogers, prepreg Rogers (RO4450F), prepreg FR4 a různé typy měděných fólií. Každý materiál má své vlastní charakteristiky Dk, CTE, teplotu vytvrzování a tokovost pryskyřice. Konstruktér vrstvené konstrukce musí zajistit, aby všechny materiály byly kompatibilní během celého laminovacího cyklu a v celém rozsahu provozních teplot.

Přiřazení vrstev určuje cenu. V hybridním propojení je určení, které vrstvy používají Rogersův materiál a které FR4, konstrukčním rozhodnutím s přímým dopadem na náklady. Přesun VF stopy z vnitřní Rogersovy vrstvy do vnější Rogersovy vrstvy (mikropáskové vedení místo páskového vedení) by mohl umožnit eliminaci jednoho Rogersova jádra a jeho nahrazení levnějším FR4 – což by ušetřilo 20–30 % nákladů na materiál bez snížení VF výkonu. Tato optimalizace probíhá ve fázi návrhu propojení.

2. Konfigurace stohování desek plošných spojů Rogers s 2 a 4 vrstvami

Dvouvrstvý Rogers (jedno jádro). Nejjednodušší konfigurace VF desek plošných spojů. Jedno jádro Rogers s mědí na obou stranách – horní měď nese mikropáskové vodiče, spodní měď slouží jako zemnící rovina. Používá se pro patch antény, jednoduché filtry, vazební členy a jednostupňové zesilovače na frekvencích až do 77 GHz. Materiály jádra: RO4350B (10–30 mil) pro obecné VF, RO3003 (5–20 mil) pro mmWave, RT/duroid 5880 (10–31 mil) pro aplikace s ultranízkými ztrátami. Žádný prepreg, žádná laminace – pouze jedno jádro. Toto je nejlevnější konstrukce desek plošných spojů Rogers.

Čtyřvrstvá bunda Rogers. Dvě jádra Rogers laminovaná spojovací vrstvou Rogers (RO4450F nebo RO3001). Typické uspořádání vrstev: Vrstva 1 = VF mikropáskový vodič, Vrstva 2 = zemnící rovina, Vrstva 3 = zemnící/napájecí rovina, Vrstva 4 = VF mikropáskový vodič nebo digitální vodič. Obě jádra mohou být ze stejného materiálu Rogers nebo lze na každé straně použít různé materiály (například RO4350B na horním jádře pro výkonový zesilovač a RO4003C na spodním jádře pro sekci filtru s nižšími ztrátami). Tato konstrukce poskytuje dvě nezávislé vrstvy VF směrování se sdíleným zemním referenčním vodičem.

4vrstvý hybrid Rogers/FR4 (konstrukce krytky). Cenově nejvýhodnější 4vrstvá RF soustava. Vnější vrstvy používají jádra Rogers (RO4350B, 10–20 mil) pro směrování RF mikropáskových vodičů. Vnitřní vrstvy používají jádro FR4 (8–40 mil) pro uzemnění, napájení a nízkorychlostní digitální signál. Spojeno s RO4450F nebo prepregem FR4 s vysokou pryskyřicí. Viz. Výroba 4vrstvých desek plošných spojů pro standardní detaily vícevrstvého procesu.

3. Příklady 6vrstvého a 8vrstvého hybridního Rogersova stackupu

6vrstvý hybridní stackup. Standard pro komplexní produkty se smíšenými signály a rádiovými technologiemi – 5G rádia, radarové moduly s vestavěnými procesory, softwarově definovaná rádia. Rogers na vnějších vrstvách, vnitřní jádro FR4.

Tento 6vrstvý hybrid poskytuje dvě vrstvy RF směrování (L1, L6) na Rogers s vyhrazenými zemními referencemi (oblast L2, L5) a dvě vnitřní vrstvy FR4 pro digitální směrování a distribuci napájení. Stohování je symetrické (Rogers-FR4-FR4-Rogers), což je nezbytné pro kontrolu deformace.

8vrstvé a 10vrstvé Rogersovy vrstvy. Používá se v pokročilých fázovaných anténních soustavách, vícepásmových radarových transceiverech a komplexních deskách satelitní komunikace. Obvykle 2–4 vrstvy Rogers a 4–6 vrstev FR4. Počet vrstev se zvyšuje, aby se do nich vešlo více RF pásem (každé na své vlastní vrstvě Rogers), sítí pro tvarování paprsku, logiky digitálního řízení, distribuce energie a rovin tepelného řízení. Technologie 8vrstvého skládání desek plošných spojů v kombinaci s integrací materiálu Rogers vyžaduje pečlivé plánování postupných laminačních cyklů.

4. Průvodce výběrem prepregů a bondply pro desky plošných spojů Rogers

Lepicí vrstvy mezi jádry jsou v Rogersových vrstvách (stack-upech) kritické – ovlivňují impedanci (jejich Dk přispívá k dielektrické vrstvě), adhezi (pevnost vazby mezi vrstvami) a vyrobitelnost (tok během laminace).

U hybridních desek Rogers/FR4 musí být spojovací vrstva Dk zahrnuta do výpočtů impedance jako samostatná dielektrická vrstva. Použití RO4450F (Dk = 3.52) mezi jádrem Rogers a jádrem FR4 vytváří impedanční prostředí se třemi materiály, které standardní kalkulačka impedance pro dva materiály nedokáže přesně modelovat. Použijte 2D řešič pole, který podporuje více dielektrických vrstev.

Pro vícevrstvé desky Rogers s použitím PTFE materiálů (RO3000, RT/duroid) je standardním mezivrstvým lepidlem RO3001 bondply. Jeho PTFE složení zajišťuje spolehlivé spojení s PTFE jádry. Výběr prepregových desek plošných spojů ovlivňuje integritu signálu, přilnavost a tepelnou spolehlivost v každé vícevrstvé konstrukci.

5. Jak zabránit deformaci v sadách desek plošných spojů Rogers

Deformace je nejčastější výrobní vadou vícevrstvých desek plošných spojů Rogers. Rogers a FR4 mají různé součinitele tepelné roztavení (CTE), míru absorpce vlhkosti a tuhost – jejich laminování dohromady vytváří vnitřní pnutí, které se po laminování nebo pájení reflow projevuje jako prohnutí (rovnoměrné zakřivení) nebo zkroucení (zvednutí rohu).

Pravidlo 1: Symetrické umístění materiálu. Pokud se Rogers nachází na vrstvě 1, musí být Rogers také na spodní vrstvě (vrstva N). Skládání by mělo být zrcadlovým obrazem kolem svého středu. Asymetrické umístění materiálu (Rogers na jedné straně, FR4 na druhé) vytváří rozdílné napětí CTE, které způsobuje deformaci. Pokud je asymetrickému skládání nevyhnutelné, udržujte plochu desky malou (pod 100 × 100 mm) a pro zvýšení tuhosti desky zvětšete její tloušťku.

Pravidlo 2: Vyvážené rozložení mědi. Nerovnoměrné pokrytí mědí mezi horní a spodní vrstvou vytváří rozdílné napětí během tepelného cyklování. Snažte se o podobnou hustotu mědi na L1 a LN (v rozmezí ±15 %). Do vrstev s nízkým obsahem mědi přidejte měděnou výplň (zásyp) pro vyvážené rozložení.

Pravidlo 3: Všechny suroviny předpečte. Materiály Rogers PTFE mají nízkou absorpci vlhkosti (< 0.05 %), ale FR4 absorbuje více (0.10–0.15 %). Zachycená vlhkost se během laminace rozpíná, což způsobuje delaminaci nebo tvorbu dutin. Všechny materiály před vrstvením předpečte při teplotě 105 °C po dobu 2–4 hodin. Toto je povinné u hybridních desek, zejména ve vlhkém podnebí.

Pravidlo 4: Řízené chlazení po laminaci. Rychlé ochlazení po laminování lisem uzamkne zbytkové napětí. Řízené chlazení (přirozený nebo nucený vzduch, 2+ hodiny od vytvrzovací teploty na pokojovou teplotu) umožňuje uvolnění napětí. To je zvláště důležité pro desky tenčí než 1.0 mm a desky větší než 150 × 150 mm.

Norma IPC-6012 třídy 3 specifikuje maximální ohnutí a zkroucení 0.75 % pro povrchově montované desky. Splnění této specifikace u hybridního desky Rogers/FR4 vyžaduje dodržení všech čtyř pravidel symetrie. Warpage PCB Kontrola začíná již u návrhu stohu a pokračuje v každém kroku výroby.

6. Modelování impedance desek plošných spojů Rogers a korekce Dk

Mikropáskový řez na vnějších vrstvách Rogersova vodiče. Nejběžnější konfigurace VF stopy. Mikropásková stopa se nachází na horní (nebo spodní) měděné vrstvě s Rogersovým jádrem jako dielektrikem a sousední měděnou vrstvou jako zemnícím referenčním vodičem. Impedance je určena šířkou stopy, tloušťkou Rogersova jádra, Rogersovým Dk a tloušťkou mědi. Pro mikropáskový vodič 50 Ω na 10 mil RO4350B (Dk = 3.48, 1 oz mědi): šířka stopy ≈ 22 mil (0.56 mm). To je širší než u mikropáskového vodiče FR4 při stejném Dk, protože nižší Dk u RO4350B vyžaduje širší stopu pro stejnou impedanci.

Páskové vedení ve vnitřních vrstvách FR4. U hybridních vrstev FR4 se digitální signály na vnitřních vrstvách FR4 propojují páskovým vedením (vodič mezi dvěma zemními rovinami). Impedance je určena šířkou vodivosti, tloušťkou prepregu FR4 nad a pod ním, Dk FR4 a tloušťkou mědi. Standardní páskové vedení 50 Ω na 7 mil FR4 (Dk = 4.2): šířka vodivosti ≈ 8 mil (0.20 mm).

Vázané mikropáskové a diferenciální páry. Mnoho RF aplikací používá diferenciální signalizaci (USB 3.x, PCIe, LVDS). Diferenciální impedance na vrstvách Rogers musí zohledňovat vazbu mezi stopami – diferenciální impedanci ovlivňuje jak šířka stopy, tak mezera mezi oběma stopami. Diferenciál 100 Ω na 10 mil RO4350B: typická šířka stopy ≈ 16 mil, mezera ≈ 8 mil.

Prostřednictvím přechodů mezi Rogersem a FR4. V místech, kde signál přechází z Rogersovy vrstvy do vrstvy FR4 (s odlišným Dk), dochází k diskontinuitě impedance. U nízkofrekvenčních digitálních signálů je to zanedbatelné. U RF signálů nad 5 GHz vytváří diskontinuita odrazy, které snižují odrazové ztráty. Zmírnění: použijte zemnící ploty kolem signálových průchodů, optimalizaci proti kontaktům a zpětné vrtání k odstranění pahýlů průchodů. PCB řízení impedance Výroba ověřuje impedanci na každém dielektrickém rozhraní.

7. Podpora návrhu stackupů desek plošných spojů Rogers ve společnosti Highleap

Inženýrský tým společnosti Highleap navrhuje a ověřuje vrstvy desek plošných spojů Rogers jako součást našich výrobních služeb – od jednoduchých dvouvrstvých RF desek až po desetivrstvé hybridní konstrukce.

Podpora návrhu Stackup. Uveďte svůj frekvenční rozsah VF, cílovou impedanci, požadavky na počet vrstev a cenovou citlivost. Vrátíme doporučený souvrství s konkrétním materiálem Rogers, třídou FR4, tloušťkou jádra, výběrem prepregu/spojové vrstvy a modelovanými hodnotami impedance. Pokud váš návrh umožňuje použití hybridního souvrství ke snížení nákladů, identifikujeme tuto příležitost během kontroly návrhu.

Modelování řešiče pole. Každé seskupení je modelováno v 2D řešiči pole s hodnotami Dk specifickými pro daný materiál (z datových listů Rogers na návrhové frekvenci, nikoli z generického katalogu Dk). Použita korekce drsnosti mědi. Modelované hodnoty impedance jsou uvedeny s doporučením pro seskupení.

Inventář materiálu. Běžná jádra Rogers (RO4350B, RO4003C, RO4835 v tloušťkách 10, 20, 30, 60 mil) a bondply (RO4450F, RO4450B) skladem. Standardní jádra FR4 a prepreg pro hybridní vnitřní vrstvy. Dostupnost materiálu potvrzena ve fázi cenové nabídky – žádná překvapení při zahájení výroby.

Validace výroby. Impedanční kupóny TDR na každém výrobním panelu. Mikrořezová analýza pro ověření dielektrické tloušťky. Korelace kupónů s predikcemi řešiče pole – impedance v rozmezí ±5 % (standardní) nebo ±3 % (přesná RF). Rogers výroba PCB Ve společnosti Highleap zahrnuje kompletní inženýrské projektování stackupů, nejen výrobu.

Žádost o podporu při návrhu vrstvených desek plošných spojů od společnosti Rogers — uveďte provozní frekvenci, cílovou impedanci, počet vrstev, rozměry desky a jakékoli preferované materiály.

Související: Průvodce stohováním vrstev PCB · Rogers RO4350B · Rogers RO4003C · Impedančně řízená deska plošných spojů · Návrh vysokofrekvenčních desek plošných spojů