Beirazko PCB substratu motak: propietateak eta materialen alderaketa

Beirazko PCB substratua beirazko zirkuitu-plaka baten oinarrizko geruza dielektrikoa da, hau da, euskarri mekanikoa, isolamendu elektrikoa eta eroaleen patroiaren plataforma eskaintzen duen materiala. Amaitutako plakaren propietate elektriko eta fisiko kritiko guztiak zehazten ditu: konstante dielektrikoa, galera-tangentea, hedapen termikoa, gainazalaren lautasuna, transmitantzia optikoa eta erresistentzia kimikoa.

Substratuaren aukera ez da bigarren mailako erabakia. Zirkuituak zer egin dezakeen, zein maiztasunetan funtziona dezakeen eta nola jokatzen duen tenperatura-zikloetan, hezetasunean eta tentsio mekanikoan definitzen du. 10 GHz-tik gorako zirkuituak diseinatzen dituzten ingeniariek, silizioarekin CTE bateragarritasuna behar duten erdieroaleen pakete-substratuak edo plakaren bidez gardentasuna behar duten zirkuitu optikoek ezin dute substratuaren hautaketa lehenetsitzat hartu.

Gida honek PCB fabrikazioan erabiltzen diren lau beirazko substratu mota komertzialak, neurtutako propietate elektriko eta termikoak, aplikazioaren araberako hautaketa irizpideak eta substratu motak fabrikazio prozesuan eta entrega epean duen eragina azaltzen ditu. Beirazko PCB teknologiaren ikuspegi orokorra lortzeko, ikusi beirazko PCB gida.

Lortu aurrekontua zure beirazko PCB proiekturako

---

Zer da beirazko PCB substratu bat?

PCB teknologian, substratua eroale, bide eta gainazaleko akabera guztiak eraikitzen diren oinarrizko dielektriko geruza da. FR-4 PCB estandar batean, substratua ehundutako beira-zuntzez eta epoxi erretxinarekin egindako konposite bat da. Beirazko PCB batean, substratua beirazko xafla homogeneo bat da —konposizio uniformea, zuntz-ehundurarik gabea, eta gainazal optikoen lautasunaren zehaztapenen arabera fabrikatua, laminazio-tolerantza estandarren ordez.

Beirazko substratuak hiru funtzio aldi berean betetzen ditu amaitutako zirkuitu-plakan:

• Garraiolari mekanikoa: 0.05 mm-tik (beira malgu ultra-mehea) 6 mm-ra (panel arkitektonikoak) arteko lodiera duten eroale, osagai eta bideentzako euskarri estruktural zurruna eskaintzen du.
• Isolatzaile elektrikoa: eroale geruzak bereizten ditu inpedantzia kalkuluetan erabiltzen diren Dk eta Df balio egonkor eta definituak dituen dielektriko batekin
• Material funtzionala: FR-4ak eman ezin dituen gardentasun optikoa, inertzia kimikoa, eroankortasun termikoa eta dimentsio-egonkortasuna eskaintzen ditu

Hiru funtzio hauek aldi berean funtzionatzen dute, eta beira mota hautatzeak aplikazioari balio dion propietateen oreka hautatzea esan nahi du, ez parametro bakar bat ere isolatuta optimizatzeko.

---

Lau beirazko substratu mota komertzialak

Lau beira-konposizio erabiltzen dira komertzialki PCB fabrikazioan. Bakoitzak propietate elektriko, optiko, termiko eta mekanikoen konbinazio bereizgarria du.

Beira borosilikatua

Borosilicate glass is a family of glass compositions used in electronic and packaging applications. Its dielectric loss, thermal expansion and process compatibility depend on the exact grade and measurement conditions. Select a named material using current manufacturer data at the operating frequency; the term borosilicate alone does not establish suitability for a radar, antenna or package substrate.

Silize urtua (kuartzo urtua)

Silize urtuak (SiO₂ purua, %99.9 baino gehiagoko purutasuna) PCB substratu komertzial guztien artean galera dielektriko txikiena ematen du: 0.0002 azpitik 1 GHz-tan, eta 0.0005 azpitik 100 GHz-tik gora. Gainera, konstante dielektriko egonkorrena (Dk = 3.78 ± 0.01) ematen du tenperatura eta hezetasun osoan. Propietate hauek silize urtua 60 GHz-tik gorako aplikazioetarako (E banda, D banda, THz ikerketa) eta RF kalibrazio estandar zehatzetarako substratu beharrezko bihurtzen dute. 0.55 ppm/°C-ko CTEa da silizioarekiko beira mota guztien artean egokiena. Borosilikatoarekiko kostu hobea 3-5 aldiz handiagoa da.

Soda-Kare Beira

Sodo-kare beira (SiO₂ + Na₂O + CaO) leihoetan, botiletan eta pantaila lauen beiran erabiltzen den konposizio estandarra da. Sodio eduki handiagoak galera-tangente handiagoa sortzen du (~0.010 1 GHz-tan) eta 9 ppm/°C-ko CTE bat — altuegia siliziozko CTE parekatze zehatz baterako eta gutxienekoa 5 GHz-tik gorako RF aplikazioetarako. Hala ere, bere transmitantzia optikoak (% 90 baino gehiago) eta kostu baxuak LED beirazko paneletarako, zirkuitu gardenak eta txikizkako pantaila aplikazioetarako egokia bihurtzen dute, non RF errendimendua ez den hautaketa irizpidea.

Aluminosilikatozko beira (kimikoki indartua)

Aluminosilikatozko beira (SiO₂ + Al₂O₃) da kimikoki indartutako beirazko produktuen oinarrizko konposizioa, Corning Gorilla Glass barne. Indartze kimikoak (ioi truke prozesua) beiraren gainazaleko sodio ioiak potasio ioi handiagoekin ordezkatzen ditu, gainazaleko gogortasuna eta haustura-erresistentzia 4-6 aldiz handitzen dituen konpresio-tentsio geruza bat sortuz, beira estandarrarekin alderatuta. Ukipen-pantaila sentsoreetarako eta marradura eta inpaktu erresistentzia behar duten kontsumo-gailuetarako substratua da hau. Bere Dk eta Df soda-karearen eta borosilikatoaren arteko tartekoak dira.

---

Propietate Elektrikoen Konparaketa

RF eta abiadura handiko aplikazio digitaletarako substratuaren egokitasuna zehazten duten propietate elektrikoak konstante dielektrikoa (Dk) eta galera-tangentea (Df) dira.

Dk egonkortasun zutabeak arreta berezia merezi du. FR-4-ren ±0.3–0.5 Dk aldaketa zuntz-ehundurak eragiten du: beira-sorta eskualdeetatik zeharkatzen dituzten arrastoek erretxina ugari duten eremuetatik zeharkatzen dituzten arrastoek baino Dk desberdina dute. Horrek inpedantzia ez-uniformea ​​eta bikoteen asimetria diferentziala eragiten ditu. Beirazko substratuak konposizioz homogeneoak dira (ez dago zuntz-ehundurarik), beraz, panelean zeharreko Dk aldaketa hutsala da (<0.02 borosilikatoarentzat, <0.01 silize urtuarentzat). Elementu arteko fase-koherentzia kritikoa den fase-multzoko antenetan, homogeneotasun hau funtzionaltasun-baldintza bat da.

---

Propietate termikoak eta mekanikoak

Borosilikato beiraren CTEa (3.3 ppm/°C) silizioaren CTEtik (2.6 ppm/°C) FR-4a baino 5 aldiz hurbilago dago gutxi gorabehera. Horrek nabarmen murrizten du tentsio termomekanikoa txip-paketeetan dadoaren eta substratuaren arteko interfazearen barruan. 100 μm-tik beherako distantzia luzeetan dadoaren zuzeneko loturarako, borosilikatoaren CTE abantaila FR-4arekiko soldadura-junturako nekearen bizitza egokiaren eta eremuko akats goiztiarraren arteko aldea da. 0.55 ppm/°C-tan urtutako silizeak siliziozko CTEarekiko are parekotasun handiagoa eskaintzen du, erdieroaleen ontziratze-aplikazio zorrotzenetarako garrantzitsua. Hori zehatz-mehatz azaltzen da beirazko nukleoko PCB gidan.

Nola aukeratu beirazko substratu egokia

Substratuaren hautaketak aplikazioaren eskakizunak jarraitu behar ditu lehentasun ordenan:

• 60 GHz-tik gorako funtzionamendu-maiztasuna: Silize urtua soilik. 60–100 GHz-ko borosilikatoaren Df-a ia ez da erabilgarria transmisio-linea oso laburretarako; maiztasun horietan 2 cm-ko seinale-ibilbide baino gehiago dituen edozein zirkuitutarako, silize urtuaren Df 0.0005etik beherakoa behar da.
• Microwave and millimeter-wave operation: Compare named glass grades using dielectric data measured at the intended frequency and temperature. Manufacturer data show that loss varies by grade and frequency; a single borosilicate Df range does not validate every 5G, radar or satellite design. Review the construction constraints in the glass PCB design guide eta SCHOTT electrical-properties reference before specifying a substrate.
• Erdieroaleen ontziratzea / bump pitch fina: Borosilikatoa (CTE 3.3 ppm/°C) edo silize urtua (CTE 0.55 ppm/°C). Hautaketa talka-tartearen eta ziklo termikoaren larritasunaren araberakoa da. 50 μm-tik beherako talka-tarteetarako, automobilgintzako ziklo termikoekin, silize urtuak silizioarekiko CTE bat etortze hobea eskaintzen du.
• LED / pantaila gardena (barrualdea): Sodo-kare beira. Kostu-eraginkorra, transmitantzia optiko handia, arkitektura-formatu handietan eskuragarri. RF errendimendua ez da hautaketa-irizpide bat.
• LED / pantaila gardena (kanpokoa edo automobilgintzakoa): Borosilikatua. Kanpoko tenperatura-zikloetarako eta automobilgintzako AEC-Q100 kalifikaziorako beharrezkoa den kolpe termikoarekiko erresistentzia.
• Kontsumitzaileentzako ukipen-pantaila / talkaren aurkakoa: Kimikoki indartutako aluminosilikatoa. Erresistentzia mekanikoa eta marraduraren aurkako erresistentzia dira hautaketa irizpide nagusiak.
• Zehaztasun handiko RF kalibrazioa edo hutseko elektronika: Silize urtua. Dk egonkortasun maximoa eta gas-isurketa zero behar dira.

---

Gainazalaren Prestaketa eta Metalizazioa

Beirazko substratuek gainazala prestatu behar dute eroalea jarri aurretik, beirak ez baitu modu naturalean kobreari ondo lotzen. Bi gainazal-tratamendu daude estandar gisa:

Silano akoplamendu-agentearen tratamenduak itsaspen molekularreko geruza bat aplikatzen dio beiraren gainazalari, beirazko substratuari (silanol kimikaren bidez) eta ondoren metatutako metal hazi-geruzari (talde funtzionalen kimikaren bidez) lotzen zaizkion gainazaleko talde erreaktiboak emanez. Tratamendu hau PVD metaketaren aurretik egiten da, gainazaleko kutsadurak lotura-kimika etetea saihesteko.

Plasma bidezko garbiketak eta aktibazioak oxigeno edo argon plasma erabiltzen du beirazko gainazaleko kutsadura organikoa kentzeko eta gainazalean hidroxilo talde erreaktiboak (–OH) sortzeko, metalaren atxikimendua hobetuz. Plasma bidezko aktibazioa metalizazioa baino lehen egiten da, berriro kutsadura saihesteko.

Gainazala prestatu ondoren, beirazko PCBetan eroaleen metaketak lurrun-metatze fisikoa (PVD) erabiltzen du —zehazki, titaniozko edo titanio-wolframa itsaspen-geruza (20-50 nm)—, eta ondoren, sputtering bidez metatutako kobrezko hazi-geruza (200-500 nm). Ondoren, film mehe hau elektrolizatzen da azken kobrezko lodierara arte (normalean 12-35 μm seinale-geruzetarako, 35-70 μm potentzia-geruzetarako). PVD elektrolizatutako pila honen itsaspen-indarra behar bezala prestatutako beiran 0.8 N/mm-ko zuritze-indarra baino handiagoa da—, eta hori nahikoa da PCB muntaketa-prozesu estandar guztietarako, birfluxuzko soldadura eta kable-lotura barne. Fabrikazio-prozesua osorik deskribatzen da beirazko PCBen fabrikazio-gidan.

---

Substratu mota eta fabrikazio prozesua

Beirazko substratu motak fabrikazio-prozesuaren hautaketan eragiten du bi arlotan: eraketaren bidez eta substratuaren banantzearen bidez.

Bideen eraketa: Lau beira mota guztiek onartzen dute laser bidezko bideen eraketa. LIDE (Laser-Induced Deep Etching) nahiago da alderdi-erlazio handiko bideetarako eta borosilikatoan eta silize urtuan bideen distantzia finetarako. CO₂ laser ablazioa erabiltzen da soda-kare eta aluminosilikato beirazko LED aplikazioetan bide handiagoetarako (≥150 μm). Silize urtuak bere purutasun handiko konposiziorako bereziki doitutako laser parametroak behar ditu; ezin da borosilikato laser parametro estandarrekin prozesatu bidearen hormaren zimurtasuna handitu gabe. TGV prozesu osoa beira zeharkako bideen gidan zehazten da.

Substratuaren banantzea: Beirazko panelak banantzen dira (azken taularen dimentsioetara moztu) laser bidezko markaketa eta bereizketa mekanikoaren bidez, edo sakonera osoko laser ebaketa bidez. Fresaketa mekanikoa —FR-4rako estandarra— ez da beirarentzat erabiltzen, fresaketa urratzaileko prozesuak beiraren ertzak hausten dituelako eta substratuaren hausturara hedatzen diren mikropitzadurak sortzen dituelako. Sodo-kare beirak du haustura-gogortasun txikiena eta ertzen maneiu kontu handiz egin behar da. Kimikoki indartutako aluminosilikatua da ertz-hausturarekiko erresistenteena, bere konpresio-tentsioaren gainazaleko geruza dela eta.

---

Beirazko PCB substratuari buruzko maiz egiten diren galderak

Zein da RF PCBetarako gehien erabiltzen den beirazko substratua?

There is no universal frequency cutoff that selects borosilicate below 60 GHz and fused silica above it. Compare the specified grades using frequency-dependent dielectric data, conductor geometry, metallization, thermal expansion, process compatibility and the system loss budget. Confirm the selected substrate and fabrication route with the supplier before release.

Beirazko PCB substratuak erabil al daitezke birfluxu bidezko soldadura estandarrarekin?

Bai. Lau beirazko substratu mota komertzial guztiak bateragarriak dira SAC305 berunik gabeko birfluxu-profil estandarrekin (245–255 °C-ko gailurra). Beira termikoki egonkorra da birfluxu-tenperaturen gainetik; substratuak berak ez ditu propietateak aldatzen birfluxu-prozesuan zehar. Beirazko substratu meheek (0.5 mm-tik beherakoak) euskarri-elementuak behar dituzte birfluxu-garraiatzaile bidezko garraioan, panela tenperatura altuan flexioa saihesteko.

Zein da eskuragarri dagoen substratuaren gutxieneko lodiera?

Borosilikatozko eta silize urtuzko beirazko PCB substratuak 0.1 mm-ko lodieratik aurrera daude eskuragarri panel formatu estandarretan. 0.1 mm-ko lodierarekin, substratua eskuz maneiatu daiteke hutsean erabiltzeko tresna espezializatuekin soilik. 0.3 mm-tik beherako substratuek euskarri-panelak behar dituzte fabrikazio prozesu osoan. PCB aplikazio gehienetarako gutxieneko praktikoa 0.3 mm-koa da euskarririk gabe. Beira ultra-mehea (0.05–0.1 mm) eskuragarri dago beirazko zirkuitu malgu espezializatuen aplikazioetarako.

Nola alderatzen da beirazko substratuaren gainazalaren lautasuna FR-4arekin?

Beirazko substratuak gainazal optikoen lautasunaren zehaztapenen arabera fabrikatzen dira. Borosilikatoaren Ra 0.5 nm baino txikiagoa da; silize urtuaren Ra 0.1 nm baino txikiagoa. FR-4 gainazalaren zimurtasuna eroale-dielektriko interfazean 1-3 μm da, zuntz-ehundurako gainazalaren topografia dela eta. Gainazalaren zimurtasunaren 1000-10000×-ko alde honek ondorio nabarmenak ditu eroalearen galeran milimetro-uhinen maiztasunetan: azalaren sakonerako korronteak gainazalaren zimurtasun-profila jarraitzen du, beraz, beirazko gainazal leunagoak eroalearen galera % 15-30 murrizten du 28 GHz-tan FR-4aren gainazal zimurrarekin alderatuta, bi substratuek Df balio antzekoak izan arren.

Borosilikatozko beira Pyrexaren berdina al da?

Pyrex Corning-ek jatorriz fabrikatutako borosilikato beira formulazio espezifiko baten marka da. PCB mailako borosilikato beira Pyrex produktu kontsumitzaileek baino dimentsio eta konposizio tolerantzia zorrotzagoekin fabrikatzen da, baina oinarrizko kimika antzekoa da. Borosilikato materialen gida osoa borosilikato beira PCB helbidean dago.