10-kerroksiset piirilevymateriaalit FR-4-, vähähäviöisille ja RF-levyille

10-kerroksisen piirilevyn materiaalivalinta ei ole hakutaulukko, joka muuntaa liitännän nimen laminaattimerkiksi. DDR5-, PCI Express- tai nopeaa SerDes-muistia sisältävä levy voidaan valmistaa useilla hartsijärjestelmillä kanavan pituudesta, kupariprofiilista, johdingeometriasta, liittimen häviöstä, läpivienneistä, lämpötilalle altistumisesta ja vastaanottimen taajuuskorjauskyvystä riippuen. Toisaalta lyhyt reitti voi epäonnistua kalliilla laminaatilla, jos paluureitti, läpivienti tai referenssitason siirtymä on huono.

Tässä oppaassa materiaalivalintaa käsitellään pikemminkin teknisenä päätöksenä kuin markkinointihierarkiana. Se selittää, mitä julkaistut ominaisuudet tarkoittavat, missä datalehtinumeroita voidaan vertailla, miten kupari ja lasi vaikuttavat valmiiseen kanavaan ja mitä on otettava huomioon, kun kaksi materiaalia yhdistetään samassa pinossa. Projektikohtaisia ​​valintoja tulisi tarkastella yhdessä 10-kerroksinen pinoaminen ja suurnopeuskanavasuunnitelma ennen kuin asettelu jäädytetään.

Aloita sähkö- ja luotettavuusvaatimuksista

Hyödyllinen materiaalipäätös alkaa olosuhteista, joissa valmiin piirilevyn on kestettävä, ja sähköisestä suorituskyvystä, jonka reititetyn kanavan on tarjottava. Vähimmäisarvot ovat signaalispektri tai vaatimustenmukaisuusmaski, reititetyn enimmäispituus, sallittu väliinkytkentähäviö, odotettu läpivientien lukumäärä ja tyyppi, referenssitason järjestely, kokoonpanoprofiili, tuotteen lämpötila-alue ja vaadittu luotettavuusluokka. Materiaali valitaan sitten osaksi kokonaishäviö- ja luotettavuusbudjettia.

”Korkea Tg”, ”alhainen häviö” ja ”RF-materiaali” ovat luokkia, eivät täydellisiä eritelmiä. Valittu laatu, hartsipitoisuus, lasityyppi, ytimen paksuus, prepreg-rakenne ja kuparifolio on kaikki tunnistettava ennen kuin lopullinen impedanssigeometria tai kanavasimulaatio voidaan julkaista.

Laminaatin käyttöturvallisuustiedotteen lukeminen ilman sekoitusta - testimenetelmät

Julkaistuja arvoja mitataan usein eri menetelmillä. Lukittu liuskajohtimen arvo, resonaattorin arvo ja impedanssista johdettu suunnitteluarvo eivät ole keskenään vaihdettavissa, vaikka ne raportoitaisiin samalla taajuudella. Tiedot voivat myös kuvata nimellistä hartsijärjestelmää pikemminkin kuin tarkkaa lasi-hartsirakennetta, jota käytetään pinoamisessa. Tästä syystä yksittäinen kenttäratkaisijaan kopioitu Dk-luku voi tuottaa uskottavan, mutta epätarkan juovan leveyden.

Impedanssin mittaamiseen valmistaja käyttää yleensä prosessikalibroitua ”suunnittelu-Dk”-mallia tai tiettyyn materiaalirakenteeseen liittyvää empiiristä mallia. Lisäyshäviösimulaatiota varten mallin tulisi lisäksi tunnistaa kuparin karheus ja korkeammilla taajuuksilla todellinen lasin tyyli tai vastaava anisotrooppinen esitys. Suunnittelussa käytetyn mallin ja ostajan toimittaman materiaalin on liityttävä samaan rakenteeseen.

10-kerroksisissa levyissä käytetyt materiaaliperheet

Perinteiset ja korkean lämpötilan FR-4-järjestelmät

FR-4 kattaa laajan valikoiman lasikuidulla vahvistettuja kestomuovilaminaatteja. Se sopii monille teollisuus-, ohjaus-, teho- ja keskinopeuksisille digitaalilevyille, mutta tarkalla laadulla on silti merkitystä. Kymmenkerroksinen levy, jossa on useita uudelleensulatusjaksoja, korkean kuvasuhteen pinnoitetut reiät tai peräkkäinen laminointi, saattaa vaatia pienemmän Z-akselin laajenemisen, pidemmän delaminaatioajan ja paremman CAF-suorituskyvyn kuin yksinkertainen kaksikerroksinen tuote. "RoHS-yhteensopiva" ei automaattisesti tarkoita, että jokainen FR-4-laatu sopii jokaiseen lyijyttömään kokoonpanoprofiiliin.

Korkean Tg:n FR-4 valitaan usein lämpö- ja mittamarginaalin vuoksi, ei siksi, että Tg suoraan määrää signaalin nopeuden. Lyhyt, hyvin reititetty nopea kanava voi toimia hyvässä FR-4-järjestelmässä; pidempi kanava voi vaatia pienemmän dielektrisen ja johdinhäviön. Päätöksen tulisi perustua häviöanalyysiin ja luotettavuustarpeisiin eikä protokolla-materiaali-sloganiin.

Vähähäviöiset digitaaliset laminaatit

Panasonic MEGTRONin, Isola I-Teran ja vastaavien suurnopeusjärjestelmien kaltaiset tuoteperheet vähentävät dielektristä häviötä ja niitä tarjotaan yleisesti tasaisemmilla kuparivaihtoehdoilla. Ne eivät ole automaattisesti keskenään vaihdettavissa. Jokainen tuoteperhe sisältää useita laatuja, ja tarkat Dk/Df-arvot riippuvat tuotevariantista, testausmenetelmästä, hartsipitoisuudesta ja lasirakenteesta. Esimerkiksi nykyisessä I-Tera MT40 -kirjallisuudessa esitetään pääarvot noin Dk 3.45 ja Df 0.0031, kun taas rakennetaulukot osoittavat, että yksittäiset ytimet ja prepregit vaihtelevat. Juuri tämä rakennetason vaihtelu on syy siihen, miksi hyväksytyn pinoamistekniikan on tunnistettava muutakin kuin tuoteperheen nimi.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 ja MEGTRON 8 edustavat eri tuoteperheitä ja suorituskykytasoja. Suunnittelijan tulisi määrittää vaaditut sähköiset ja prosessiin liittyvät ominaisuudet tai tarkka laatuluokka – ei kirjoittaa ”M6 tai vastaava” ja sallia hallitsematonta vaihtoa. Suurimmilla tiedonsiirtonopeuksilla kuparivaihtoehto ja läpivientiarkkitehtuuri voivat hallita kahden nimellisesti pienihäviöisen dielektrisen materiaalin välistä eroa.

Erittäin pienihäviöiset ja erittäin nopeat järjestelmät

Isola Tachyon 100G on esimerkki erittäin pienihäviöisestä järjestelmästä. Sen nykyisessä tuote-esitteessä luetellaan pääarvot lähellä Dk 3.02:ta ja Df 0.0021:tä, mutta sen yksityiskohtaiset rakennetaulukot osoittavat jälleen vaihtelua lasin ja hartsin pitoisuuden mukaan. Nämä materiaalit valitaan, kun kanava-analyysi oikeuttaa ne; niitä ei pitäisi kuvailla pakolliseksi oletusarvoksi jokaiselle 112G- tai PCIe-suunnittelulle.

Hiilivety-/keraami- ja PTFE-pohjaiset RF-laminaatit

Rogers RO4003C ja RO4350B ovat lasikuidulla vahvistettuja hiilivety/keraaminen kertamuovilaminaatteja, eivät PTFE-laminaatteja. RO4003C:n Dk-arvot ovat noin 3.38 ja Df-arvot 0.0027 10 GHz:n taajuudella. RO4350B tarjoaa samankaltaisen prosessiyhteensopivan vaihtoehdon, jolla on erilaiset sähköiset ja syttyvyysominaisuudet. Rogers toimittaa myös aitoja PTFE-pohjaisia ​​tuoteperheitä, kuten valittuja RT/duroid- ja RO3000-tuotteita. Oikea tuoteperhe riippuu taajuudesta, häviöstä, Dk-toleranssista, lämpölaajenemisesta, läpivientivaatimuksista, syttyvyydestä ja valmistusprosessista.

RF-ytimen sekoittaminen muuten FR-4-monikerrokseen voi olla tehokasta, mutta sidosmateriaali, kuparikäsittely, poraus ja pintakäsittely on valittava koko rakennetta varten. Pelkkä tuotemerkki ei määrittele valmistettavissa olevaa hybridiä.

Polyimidijärjestelmät taipuisalle ja jäykkään taipuisalle

Joustavissa piireissä käytetään polyimidikalvoja, liimajärjestelmiä tai liimaamattomia kuparipäällysteisiä laminaatteja, päällysteitä ja valittuja kuparifolioita. DuPont Pyralux AP on liimaamaton joustava laminaattiperhe; Pyralux TK on suunnattu vähähäviöisiin joustaviin sovelluksiin. Sopiva valinta riippuu taivutuskestävyydestä, kerrosten määrästä, impedanssista, lämpötilasta ja jäykästä taipuisasta laminointiprosessista. Staattiset asennustaivutukset ja jatkuva dynaaminen taipuminen ovat eri suunnitteluongelmia, eikä niillä pitäisi olla samaa yleistä taivutussädeväitettä.

Kuparifolio, lasikudos ja hartsipitoisuus

Kuparin karheus kuuluu häviömalliin

Korkealla taajuudella virta pakkautuu kohti johtimen pintaa. Karkea liitospinta pidentää tehokasta virran reittiä ja lisää johtimen häviötä. Tavallinen sähkösaostettu kalvo, käänteisesti käsitelty kalvo, erittäin matalaprofiilinen ja hyper-hyvin matalaprofiilinen tuote voivat siksi tuottaa erilaisen väliinkytkentähäviön samalle eristeelle. Kompromissi ei ole yksinkertaisesti "tasaisempi on parempi": tarttuvuuden, oksidikäsittelyn, hartsikemian, käsittelyn ja kustannusten on pysyttävä yhteensopivina valmistusprosessin kanssa.

Valmistuspiirustuksessa tulee yksilöidä joko hyväksytty kalvoluokka tai simulaatiossa käytetty enimmäiskarheusmalli. Markkinointimerkinnät, kuten VLP ja HVLP, eivät ole täysin standardoituja toimittajien välillä, joten projekti saattaa vaatia toimittajakohtaisen kalvomerkinnän tai mitattavan karheusvaatimuksen.

Lasikudos muuttaa paikallista Dk:ta ja vinoutta

Kudotuilla lasijuovilla ja hartsilla on erilaiset dielektriset ominaisuudet. Kapea juova tai differentiaaliparin yksi jäsen voi kulkea pääasiassa lasinippujen yli, kun taas viereinen juova kulkee hartsipitoisten alueiden yli, mikä luo paikallista viive-epäsuhtaa. Lasilevyrakenteet, diagonaalinen reititys kudoksen suhteen, leveämmät juovat, suurempi parien välinen etäisyys tarvittaessa ja satunnainen taideteoksen suuntaus ovat lieventäviä vaihtoehtoja. Oikea valinta riippuu lasin todellisesta tyylistä ja vinousbudjetista.

Myös hartsipitoisuus vaikuttaa puristettuun paksuuteen ja teholliseen Dk-arvoon. Prepreg ei ole kiinteän paksuinen muovilevy: sen lopullinen paksuus riippuu lasin tyypistä, hartsipitoisuudesta, kuparin tiheydestä, puristusjaksosta ja paikallisesta hartsivirtauksesta. Pinoamislaskelmissa tulisi siksi käyttää valmistajan puristusmallia pelkän nimellisen luettelopaksuuden sijaan.

Hybridimateriaalien pinoaminen ja korvaamisen hallinta

Hybridijärjestelmässä pienihäviöinen tai radiotaajuusmateriaali sijoitetaan vain paikkoihin, joissa se luo mitattavaa arvoa, kuten valittujen liuskajohtokanavien tai radiotaajuuspintakerroksen ympärille. Tämä voi vähentää materiaalinkulutusta, mutta lisää suunnittelutyötä. Valmistajan on määriteltävä yhdistetyn järjestelmän sideaine- tai prepreg-materiaalin ominaisuudet, kovettumissykli, hartsin virtaus, sisäkerroksen käsittely, mittakompensaatio, poraus, tahranpoisto ja pinnoitettujen reikien luotettavuus.

Materiaalien korvaaminen tulisi käsitellä jollakin kolmesta tavasta: ei korvaamista ilman kirjallista hyväksyntää; korvaaminen vain nimetystä hyväksytystä luettelosta; tai valvottu korvaaminen sen jälkeen, kun toimittaja on toimittanut tarkistetun pinoamis-, impedanssilaskennan ja vaaditut kelpoisuustodistukset. ”Vastaava suorituskykyluokka” ei ole riittävä valtuutus.

Lämpöluotettavuus, HDI ja kokoonpanon altistuminen

Kymmenen kerroksen luotettavuuteen vaikuttaa kokonaislämpöhistoria. Perinteinen monikerros voi kokea yhden ensisijaisen laminointisyklin, kun taas HDI-rakenteessa on peräkkäisiä kerrostumissyklejä ja se voi sisältää kuparitäyttöä, tasoitusta ja muita kovetusvaiheita. Pinnan viimeistely, komponenttien kokoonpano ja uudelleentyöstö lisäävät sitten altistumista. Materiaalijärjestelmän on kestettävä koko reitti, ei vain yhtä uudelleenjuoksutuspiikkiä.

Merkittäviä todisteita voivat olla T260/T288-käyttäytyminen, Z-akselin CTE, kosteuskäsittely, uudelleensulatuksen simulointi, lämpöjännitysmikroleikkaukset ja yhteenliitäntöjen testaus. Sovellettavat testit ja näytteenottotiheys tulisi määritellä tuotespesifikaation ja riskin perusteella. On epätarkkaa väittää, että tietty Td-arvo tekee materiaalista automaattisesti "vaadittavan" tietylle määrälle kerroskerroksia. Geometrian, hartsijärjestelmän, kuparipinnoituksen, kosteuden, puristussyklin ja kuparirakenteen kautta kaikki vaikuttavat tähän.

HDI-menetelmässä mikroläpiviennin alla oleva dielektrinen paksuus valitaan yhdessä laserin halkaisijan ja sieppausalueen kanssa. Toistuvat pinotut mikroläpiviennit vaativat prosessin, jossa täyttöaste ja rajapinnan luotettavuus on osoitettu. Materiaalisivun tulisi tukea tätä päätöstä, kun taas varsinainen rakenne ja hyväksymissuunnitelma kuuluvat materiaalisivulle. 10-kerroksinen HDI-tekniikka.

Mitä merkitä valmistuspiirustukseen ja ostotilaukseen

Ostotilaus, jossa mainitaan vain ”korkea-Tg FR-4” tai ”MEGTRON-vastaava”, jättää liikaa auki. Tuotantovalmiissa materiaaliselvityksessä tulisi yksilöidä hyväksytty laatu tai suorituskykytiedot, korvaussääntö, kuparifolioon liittyvät vaatimukset, syttyvyys- tai sääntelyvaatimukset, materiaalin jäljitettävyystaso ja kaikki suunnittelussa käytetyt rakennekohtaiset sähkötiedot.

Lähetä nämä muistiinpanot yhdessä impedanssitaulukon ja pinoamistaulukon kanssa. kontrolloidun impedanssin opas selittää, mitä valmistajan on tehtävä lopullisen geometrian laskemiseksi ja tarkistamiseksi.

Materiaalikustannukset ilman harhaanjohtavia prosenttiosuuksien lisäyksiä

Materiaalikustannuksiin vaikuttavat levyn hinta, vähimmäisostomäärä, käytettävissä oleva paneelin koko, säilyvyysaika, vaadittava kuparivaihtoehto, prepregin saatavuus ja koko pinon saanto. Hybridirakenne voi vähentää kallista dielektristä pinta-alaa, mutta se voi lisätä hankinnan, lay-inin ja kelpuutuksen monimutkaisuutta. Toisaalta täysi pienihäviöinen rakenne voi joskus yksinkertaistaa hankintaa ja laminointia, vaikka raaka-aine on kalliimpaa.

Pyydä budjetointia varten toimittajaa erottamaan materiaalijärjestelmän vaikutus HDI-sykleistä, viimeistelystä, testauksesta ja dokumentoinnista. Älä käsittele verkkosivulta löytyvää kiinteää prosenttiosuutta tarjouksena. 10-kerroksisen piirilevyn kustannusopas tarjoaa kustannusajurimallin, jota voidaan käyttää vaihtoehtojen vertailuun keksimättä universaaleja hintakertoimia.

Pyydä materiaali- ja pinoamisarviointia

Saatavuus, sääntelyasema ja pitkäaikainen toimitus

Materiaalin saatavuus on suunnittelulle rajoite, kun levyä valmistetaan vuosia. Laatu voi olla teknisesti sopiva, mutta sitä on saatavilla vain tietyissä paksuuksissa, kuparifolioissa tai paneelikoissa. Minimiostomäärät, säilyvyysajan rajoitukset ja alueellinen varastointi voivat vaikuttaa prototyypin toimitusaikaan. Ennen kuin jäädytät erikoisrakenteen, varmista, että vaaditut ydin- ja prepreg-yhdistelmät ovat osa valmistajan nykyistä tarjontaa ja että valmistajalla on niille hyväksytty prosessi.

Syttyvyys, halogeenittomuusväitteet, RoHS/REACH-ilmoitukset ja UL-hyväksyntä ovat eri kysymyksiä. Laminaatti voi olla RoHS-yhteensopiva, mutta se ei täytä lopputuotteen vaatimaa liekinkestävyysluokitusta; tietty rakenne voi olla hyväksynnän paksuusalueen ulkopuolella. Ostospesifikaatiossa tulee yksilöidä vaadittu sääntelytodistus ja valmistuspaikka, johon se koskee. Älä päättele sertifiointia sukunimestä tai toisen tehtaan pätevyydestä.

Pitkäikäisissä ohjelmissa ylläpidä valvottua hyväksyttyjen materiaalien luetteloa, jossa on vähintään yksi teknisesti tarkastettu vaihtoehto, jos se on käytännössä mahdollista. Vaihtoehto tulisi arvioida ennen toimituskatkosta, eikä sitä tulisi ottaa käyttöön pulatilanteessa ilman impedanssin, laminoinnin ja luotettavuuden tarkistusta. Viimeisen oston, muutosilmoitusten ja uudelleenhyväksynnän vastuut tulisi sisällyttää toimittajasopimukseen.

Materiaalivalinnan hyväksyntä

Materiaalipäätös on valmis julkaistavaksi ostohetkellä, kun kieli, pinottava rakenne ja sähköiset mallit viittaavat samaan laatuluokkaan ja rakenteeseen. Yleiset kuvaukset, kuten "korkea Tg", "alhainen häviö" tai "vastaava", eivät riitä, kun impedanssilla, väliinkytkentähäviöllä tai toistuvalla lämpöaltistuksella on merkitystä.

• Ilmoita hyväksyttyjen laatujen tai materiaalien luettelo ja kirjallinen korvausprosessi.
• Tunnista mallien käyttämät ydin- ja prepreg-rakenteet, hartsipitoisuus, lasin tyyppi ja kupariprofiili.
• Kirjaa ylös Dk/Df-testimenetelmä, tiheys ja se, onko arvo laminaatin datalehden arvo vai suunnittelumalli.
• Tarkista terminen historia peräkkäisestä laminoinnista täytön, viimeistelyn, kokoonpanon uudelleensulatuksen ja odotetun uudelleentyöstön kautta.
• Vahvista saatavuus, vähimmäisostomäärä, läpimenoaikariski, sääntelystatus ja pitkän aikavälin toimitustarpeet.
• Vaadi tarkistettu pinoamis- ja impedanssilaskenta aina, kun hyväksytty korvaus muuttaa rakennetta.

Paras materiaali on edullisin pätevä järjestelmä, joka täyttää kaikki sähkö-, mekaaniset, lämpö- ja syöttövaatimukset. Ensiluokkainen hartsijärjestelmä ei voi kompensoida huonoa paluutietä, resonanssia stubin kautta tai hallitsematonta korvaamista.

Materiaalin kelpoisuusaineisto toistuvaa tuotantoa varten

Sähköhäviöistä, toistuvasta lämpöaltistuksesta tai pitkästä käyttöiästä riippuvaisille ohjelmille tulisi säilyttää materiaalitiedosto pelkän toimittajan kauppanimen sijaan. Tiedosto tekee toistuvista tilauksista, vaihtoehtoisten lähteiden tarkastuksista ja vika-analyyseistä luotettavampia.

• valmistaja, tarkka laatu, tarkistus ja sääntelystatus;
• hyväksytyt ydin-/prepreg-rakenteet ja saatavilla olevat lasityypit;
• kuparifolion tyyppi ja käsittely, jota käytetään kullakin ohjatulla signaalikerroksella;
• Dk/Df-tietolähde, testausmenetelmä, taajuus ja suunnittelumallin oletukset;
• varsinaisen prosessijärjestyksen kannalta merkitykselliset lämpötiedot, mukaan lukien laminoinnin ja kokoonpanon altistuminen;
• prosessikelpoisuus tai ensikappaletodisteet pinnoitetuille rei'ille, mikrorei'ille ja hybridisidoksille;
• säilytys-, säilyvyys-, paisto- ja kosteudenkäsittelyohjeet soveltuvin osin;
• hyväksytyt varaosat ja olosuhteet, jotka käynnistävät sähkö- tai luotettavuusuudelleenhyväksynnän.

Myös materiaalin ikääntymisellä ja saatavuudella on merkitystä. Laminaatti voi pysyä teknisesti sopivana, mutta siitä voi tulla kaupallisesti epäkäytännöllinen, koska ydinpaksuus, lasityyli tai kuparivaihtoehto poistuu käytöstä. Siksi elinkaaritarkastus tulisi tehdä säännöllisesti ennen kuin viimeinen hyväksytty rakenne tulee saataville. Kun materiaaliperheen uusi versio otetaan käyttöön, vertaa prosessointi- ja rakennetietoja sen sijaan, että olettaisit kauppanimen takaavan vaihdettavuuden.

Hybridirakenteissa säilytä sideaine-, oksidi- tai vaihtoehtoinen käsittely- ja laminointioletukset yhdessä signaalikerrosmateriaalin kanssa. Signaalia kuljettava eriste saattaa saada eniten huomiota, mutta materiaalijärjestelmien välinen rajapinta usein ohjaa mittakäyttäytymistä ja pitkän aikavälin luotettavuutta.