10-laags PCB-materiaal voor FR-4, verliesarme en RF-printplaten

De materiaalkeuze voor een 10-laags printplaat is geen kwestie van een interfacenaam omzetten naar een laminaatmerk. Een printplaat met DDR5, PCI Express of een snelle SerDes kan op verschillende harssystemen worden geproduceerd, afhankelijk van de kanaallengte, het koperprofiel, de spoorgeometrie, het connectorverlies, de via-overgangen, de temperatuurbelasting en het egalisatievermogen van de ontvanger. Omgekeerd kan een korte route op een duur laminaat falen als het retourpad, het via-veld of de referentievlakovergang van slechte kwaliteit is.

Deze handleiding beschouwt materiaalkeuze als een technische beslissing in plaats van een marketinghiërarchie. Het legt uit wat de gepubliceerde eigenschappen betekenen, waar datasheetwaarden mee vergeleken kunnen worden, hoe koper en glas het uiteindelijke kanaal beïnvloeden en waar rekening mee gehouden moet worden wanneer twee materialen in één opbouw worden gecombineerd. Projectspecifieke keuzes moeten samen met de 10-laags opbouw en het hogesnelheidskanaalplan worden beoordeeld voordat de lay-out definitief wordt vastgelegd.

Begin met de eisen ten aanzien van elektriciteit en betrouwbaarheid.

Een goede materiaalkeuze begint met de omstandigheden waaraan de printplaat moet voldoen en de elektrische prestaties die het aangelegde kanaal moet leveren. De minimale input bestaat uit het signaalspectrum of conformiteitsmasker, de maximale lengte van het aangelegde kanaal, het toegestane invoegverlies, het verwachte aantal en type via-overgangen, de referentievlakconfiguratie, het assemblageprofiel, het temperatuurbereik van het product en de vereiste betrouwbaarheidsklasse. Het materiaal wordt vervolgens geselecteerd als onderdeel van het totale verlies- en betrouwbaarheidsbudget.

"Hoge Tg", "lage verliezen" en "RF-materiaal" zijn categorieën, geen volledige specificaties. De gekozen kwaliteit, harssamenstelling, glassoort, kerndikte, prepreg-constructie en koperfolie moeten allemaal worden gespecificeerd voordat de definitieve impedantiegeometrie of kanaalsimulatie kan worden vrijgegeven.

Hoe lees je een gegevensblad van een laminaat zonder verschillende testmethoden te combineren?

Gepubliceerde waarden worden vaak met verschillende methoden gemeten. Een geklemde stripline-waarde, een resonatorwaarde en een op impedantie gebaseerde ontwerpwaarde zijn niet uitwisselbaar, zelfs niet wanneer ze bij dezelfde frequentie worden gerapporteerd. De gegevens kunnen ook een nominaal harssysteem beschrijven in plaats van de exacte glas-en-harsconstructie die in de stackup is gebruikt. Om deze reden kan een enkel Dk-getal dat in een veldberekeningsprogramma wordt ingevoerd, een plausibele maar onnauwkeurige spoorbreedte opleveren.

Voor impedantiemetingen gebruikt de fabrikant doorgaans een procesgekalibreerde "design Dk" of een empirisch model dat is gekoppeld aan een specifieke materiaalsamenstelling. Voor de simulatie van insertieverlies moet het model bovendien de ruwheid van het koper identificeren en, bij hogere frequenties, de werkelijke glassoort of een equivalente anisotrope representatie. Het model dat voor het ontwerp wordt gebruikt en het door de inkoopafdeling geleverde materiaal moeten betrekking hebben op dezelfde constructie.

Materiaalfamilies gebruikt in 10-laags printplaten

Conventionele en hogetemperatuur FR-4-systemen

FR-4 omvat een brede familie van geweven glasvezelversterkte thermohardende laminaten. Het is geschikt voor veel industriële, besturings-, voedings- en digitale printplaten met gemiddelde snelheid, maar de exacte kwaliteit blijft van belang. Een printplaat met tien lagen, meerdere reflow-cycli, geplateerde gaten met een hoge aspectverhouding of sequentiële laminering kan een lagere uitzetting in de Z-as, een langere delaminatietijd en betere CAF-prestaties vereisen dan een eenvoudig tweelaags product. "RoHS-conform" betekent niet automatisch dat elke FR-4-kwaliteit geschikt is voor elk loodvrij assemblageprofiel.

FR-4 met een hoge Tg-waarde wordt vaak gekozen vanwege de thermische en dimensionale marge, niet omdat Tg direct de signaalsnelheid bepaalt. Een kort, goed aangelegd hogesnelheidskanaal kan prima werken op een goed FR-4-systeem; een langer kanaal vereist mogelijk een lagere diëlektrische en geleiderverliezen. De keuze moet gebaseerd zijn op een verliesanalyse en betrouwbaarheidseisen, in plaats van op een algemene richtlijn voor het materiaal.

Digitale laminaten met laag verlies

Families zoals Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera en vergelijkbare hogesnelheidssystemen verminderen diëlektrisch verlies en worden vaak aangeboden met gladdere koperen opties. Ze zijn niet automatisch uitwisselbaar. Elke familie omvat meerdere kwaliteiten en de exacte Dk/Df-waarden zijn afhankelijk van de productvariant, testmethode, harsgehalte en glasconstructie. Zo geeft de huidige I-Tera MT40-documentatie bijvoorbeeld hoofdwaarden rond Dk 3.45 en Df 0.0031, terwijl de constructietabellen laten zien dat individuele kernen en prepregs variëren. Juist die variatie op constructieniveau is de reden waarom een ​​goedgekeurde stackup meer moet specificeren dan alleen de familienaam.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 en MEGTRON 8 vertegenwoordigen verschillende productfamilies en prestatieniveaus. Een ontwerper moet de vereiste elektrische en proceseigenschappen of een precieze kwaliteitsaanduiding specificeren – schrijf niet zomaar "M6 of equivalent" en sta geen ongecontroleerde vervanging toe. Bij de hoogste datasnelheden kunnen de koperoptie en de via-architectuur het verschil tussen twee nominaal verliesarme diëlektrische materialen bepalen.

Ultra-lage-verlies en zeer snelle systemen

Isola Tachyon 100G is een voorbeeld van een systeem met ultralage verliezen. De huidige productspecificaties vermelden waarden rond Dk 3.02 en Df 0.0021, maar de gedetailleerde constructietabellen laten variatie zien afhankelijk van het glas- en harsgehalte. Deze materialen worden gekozen wanneer de kanaalanalyse dit rechtvaardigt; ze mogen niet worden beschreven als een verplichte standaard voor elk 112G- of PCIe-ontwerp.

RF-laminaten op basis van koolwaterstof/keramiek en PTFE.

Een speciaal laagverlieslaminaat en een speciaal laagverlieslaminaat zijn geweven, met glasvezel versterkte koolwaterstof/keramische thermohardende laminaten, geen PTFE-laminaten. Een speciaal laagverlieslaminaat heeft een Dk-waarde van ongeveer 3.38 en een Df-waarde van 0.0027 bij 10 GHz; een speciaal laagverlieslaminaat biedt een verwante, procescompatibele optie met andere elektrische en brandbaarheidseigenschappen. Speciaal laagverlieslaminaat levert ook echte PTFE-gebaseerde productfamilies, zoals geselecteerde PTFE-gebaseerde laagverlieslaminaatproducten. De juiste productfamilie hangt af van de frequentie, het verlies, de Dk-tolerantie, de thermische uitzetting, de vereisten voor doorgeplateerde gaten, de brandbaarheid en het fabricageproces.

Het toevoegen van een RF-kern aan een FR-4 meerlaagse structuur kan effectief zijn, maar het hechtmateriaal, de koperbehandeling, het boren en de oppervlakteafwerking moeten voor de gehele constructie zorgvuldig worden gekozen. Een merknaam alleen is geen garantie voor een produceerbare hybride.

Polyimidesystemen voor flexibele en stijf-flexibele toepassingen

Flexibele circuits maken gebruik van polyimidefilms, lijmsystemen of lijmloze koperbeklede laminaten, afdeklaag en geselecteerde koperfolies. DuPont Pyralux AP is een familie van lijmloze flexibele laminaten; Pyralux TK is gericht op flexibele toepassingen met een lager verlies. De juiste keuze hangt af van de buigbelasting, het aantal lagen, de impedantie, de temperatuur en het stijf-flexibele lamineerproces. Statische installatiebuigingen en continue dynamische buiging zijn verschillende ontwerpproblemen en mogen niet onder één algemene buigradius vallen.

Koperfolie, glasweefsel en harsgehalte

Koperruwheid hoort bij het verliesmodel.

Bij hoge frequenties concentreert de stroom zich rond het oppervlak van de geleider. Een ruw hechtingsoppervlak verlengt het effectieve stroompad en verhoogt het geleiderverlies. Standaard elektrolytisch afgezette folie, omgekeerd behandelde folie, zeer dunne en extreem dunne producten kunnen daarom verschillende invoegverliezen opleveren op hetzelfde diëlektricum. De afweging is niet simpelweg "gladder is beter": hechting, oxidebehandeling, harschemie, verwerking en kosten moeten compatibel blijven met het fabricageproces.

De fabricagetekening moet ofwel de goedgekeurde folieklasse ofwel het in de simulatie gebruikte maximale ruwheidsmodel vermelden. Marketinglabels zoals VLP en HVLP zijn niet perfect gestandaardiseerd bij alle leveranciers, dus een project kan een leverancierspecifieke folieaanduiding of een meetbare ruwheidseis vereisen.

Glasweefsel verandert de lokale Dk en scheefstand.

Geweven glas en hars hebben verschillende diëlektrische eigenschappen. Een smalle geleidingslijn of één lid van een differentieel paar kan voornamelijk over glasbundels lopen, terwijl de aangrenzende geleidingslijn over harsrijke gebieden loopt, wat lokale vertragingsverschillen veroorzaakt. Spreidingsconstructies van glas, diagonale routing ten opzichte van het weefsel, bredere geleidingslijnen, grotere afstand tussen paren waar nodig en een willekeurige oriëntatie van de printplaat zijn mogelijke oplossingen. De juiste keuze hangt af van het specifieke glastype en het beschikbare vertragingsbudget.

Het harsgehalte beïnvloedt ook de geperste dikte en de effectieve Dk-waarde. Prepreg is geen kunststofplaat met een vaste dikte: de uiteindelijke dikte hangt af van het glassoort, het harsgehalte, de koperdichtheid, de perscyclus en de lokale harsvloei. Bij stapelberekeningen moet daarom het persmodel van de fabrikant worden gebruikt in plaats van alleen de nominale catalogusdikte.

Hybride materiaalstapelingen en substitutiecontrole

Bij een hybride stackup wordt een materiaal met lage verliezen of RF-materiaal alleen gebruikt waar het meetbare waarde oplevert, bijvoorbeeld rond geselecteerde stripline-kanalen of een RF-oppervlaktelaag. Dit kan het materiaalverbruik verminderen, maar brengt wel extra engineeringwerk met zich mee. De fabrikant moet de betrouwbaarheid van de bondply of prepreg, de uithardingscyclus, de harsvloei, de behandeling van de binnenlaag, de dimensionale compensatie, het boren, het ontvetten en de geplateerde gaten voor het gecombineerde systeem kwalificeren.

Materiaalvervanging dient op een van de volgende drie manieren te geschieden: geen vervanging zonder schriftelijke toestemming; vervanging uitsluitend vanuit een specifieke, goedgekeurde lijst; of gecontroleerde vervanging nadat de leverancier een herziene samenstelling, impedantieberekening en het vereiste kwalificatiebewijs heeft aangeleverd. "Equivalente prestatieklasse" is geen voldoende autorisatie.

Thermische betrouwbaarheid, HDI en blootstelling tijdens assemblage

De betrouwbaarheid van een tienlaags systeem wordt beïnvloed door de totale thermische geschiedenis. Een conventioneel meerlaags systeem doorloopt mogelijk één primaire lamineercyclus, terwijl een HDI-constructie opeenvolgende opbouwcycli omvat, zoals het vullen met koper, het egaliseren van de lagen en extra uithardingsprocessen. Oppervlakteafwerking, componentassemblage en nabewerking zorgen vervolgens voor nog meer blootstelling. Het materiaalsysteem moet het volledige traject kunnen doorstaan, niet slechts één reflow-piek.

Relevant bewijsmateriaal kan onder meer bestaan ​​uit T260/T288-gedrag, CTE in de Z-as, vochtconditionering, reflow-simulatie, thermische spanningsmicrosecties en interconnectietesten. De toepasselijke testen en bemonsteringsfrequentie moeten worden gedefinieerd door de productspecificatie en het risico. Het is onjuist om te beweren dat een bepaalde Td-waarde automatisch een materiaal "vereist" maakt voor een bepaald aantal opbouwlagen. Via-geometrie, harssysteem, koperbeplating, vochtgehalte, perscyclus en couponontwerp spelen allemaal een rol.

Voor HDI wordt de dikte van het diëlektricum onder een microvia gekozen in combinatie met de laserdiameter en de capture land. Herhaaldelijk gestapelde microvias vereisen een proces met bewezen betrouwbaarheid van de vulling en de interface. De materiaalspecificaties moeten deze keuze onderbouwen, terwijl het daadwerkelijke opbouw- en acceptatieplan in de technische specificatie voor 10-laags HDI thuishoren.

Wat moet er op de fabricagetekening en de inkooporder komen te staan?

Een inkooporder die alleen "hoog-Tg FR-4" of "MEGTRON-equivalent" vermeldt, laat te veel onduidelijkheid. Een productieklaar materiaalspecificatie moet de goedgekeurde kwaliteit of prestatiespecificatie, de substitutieregel, de eisen aan koperfolie, brandbaarheids- of wettelijke vereisten, het niveau van materiaaltraceerbaarheid en alle constructiespecifieke elektrische gegevens die in het ontwerp worden gebruikt, specificeren.

Lever deze notities samen met de impedantietabel en de opbouw in. De handleiding voor gecontroleerde impedantie legt uit wat de fabrikant moet berekenen en controleren om de uiteindelijke geometrie te bepalen.

Materiaalkosten zonder misleidende percentage-toevoegingen

De materiaalkosten worden beïnvloed door de prijs van de platen, de minimale afnamehoeveelheid, de bruikbare paneelgrootte, de houdbaarheid, de vereiste koperoptie, de beschikbaarheid van prepreg en het rendement van de complete stackup. Een hybride constructie kan het dure diëlektrische oppervlak verminderen, maar kan de inkoop, de laminering en de kwalificatie complexer maken. Omgekeerd kan een volledig verliesarme constructie de inkoop en laminering soms vereenvoudigen, ook al is het basismateriaal duurder.

Vraag de leverancier bij het opstellen van een budget om de invloed van het materiaalsysteem te scheiden van de HDI-cycli, afwerking, testen en documentatie. Beschouw een vast percentage op een webpagina niet als een offerte. De kostengids voor 10-laags printplaten biedt een kostenbepalend model waarmee alternatieven kunnen worden vergeleken zonder universele prijsvermenigvuldigers te hoeven bedenken.

Vraag een materiaal- en stackup-beoordeling aan.

Beschikbaarheid, wettelijke status en levering op lange termijn

De beschikbaarheid van materialen is een ontwerpbeperking wanneer een printplaat jarenlang in productie moet blijven. Een materiaalsoort kan technisch geschikt zijn, maar is mogelijk alleen verkrijgbaar in bepaalde diktes, koperfolies of paneelformaten. Minimale afnamehoeveelheden, houdbaarheidsbeperkingen en regionale voorraadbeheer kunnen de doorlooptijd van prototypes sterk beïnvloeden. Controleer voordat een nicheconstructie definitief wordt vastgelegd of de vereiste kern- en prepregcombinaties deel uitmaken van het huidige aanbod van de fabrikant en of de verwerker een goedgekeurd proces hiervoor heeft.

Brandbaarheid, halogeenvrije claims, RoHS/REACH-verklaringen en UL-certificering zijn afzonderlijke kwesties. Een laminaat kan RoHS-compatibel zijn, maar niet voldoen aan de brandveiligheidseisen van het eindproduct; een bepaalde constructie kan buiten het diktebereik van een certificering vallen. De aankoopspecificatie moet het vereiste wettelijke bewijs en de productielocatie waarop het betrekking heeft, vermelden. Leid geen certificering af uit een familienaam of de kwalificatie van een andere fabriek.

Voor langlopende programma's is het belangrijk een gecontroleerde lijst met goedgekeurde materialen bij te houden, met waar mogelijk ten minste één technisch beoordeeld alternatief. Dit alternatief moet worden geëvalueerd vóór een leveringsonderbreking en mag niet tijdens een tekort worden geïntroduceerd zonder eerst de impedantie, laminering en betrouwbaarheid te controleren. De verantwoordelijkheden met betrekking tot de laatste inkoop, wijzigingsmeldingen en herkwalificatie moeten in de leveranciersovereenkomst worden opgenomen.

Goedkeuring materiaalselectie

Een definitieve materiaalkeuze is gemaakt wanneer de taal, de opbouw en de elektrische specificaties verwijzen naar dezelfde kwaliteit en constructie. Algemene omschrijvingen zoals "hoge Tg", "lage verliezen" of "equivalent" zijn onvoldoende wanneer impedantie, invoegverlies of herhaalde thermische belasting van belang zijn.

• Vermeld de goedgekeurde leerjaren of de goedgekeurde materiaallijst en de schriftelijke procedure voor het vervangen van materialen.
• Identificeer de kern- en prepreg-constructies, het harsgehalte, het glassoort en het koperprofiel dat in de modellen is gebruikt.
• Noteer de Dk/Df-testmethode, de frequentie en of de waarde afkomstig is uit het gegevensblad van het laminaat of uit een ontwerpmodel.
• Controleer de thermische geschiedenis vanaf de opeenvolgende laminering, via het vullen, de afwerking, het reflow-proces tijdens de assemblage en de verwachte nabewerking.
• Controleer de beschikbaarheid, de minimale afnamehoeveelheid, het risico met betrekking tot de levertijd, de wettelijke status en de leveringsbehoeften op lange termijn.
• Een herziene opbouw en impedantieberekening zijn vereist wanneer een goedgekeurde vervanging de constructie wijzigt.

Het beste materiaal is het minst kostbare, gekwalificeerde systeem dat volledig voldoet aan de elektrische, mechanische, thermische en voedingseisen. Een hoogwaardig harssysteem kan een slechte retourleiding, resonantie via een aftakking of ongecontroleerde vervanging niet compenseren.

Materiaalkwalificatiedossier voor herhaalproductie

Programma's die afhankelijk zijn van elektrisch verlies, herhaalde thermische belasting of een lange levensduur, moeten een materiaaldossier bijhouden in plaats van alleen de handelsnaam van de leverancier. Het dossier maakt herhaalbestellingen, beoordelingen van alternatieve leveranciers en foutenanalyses betrouwbaarder.

• fabrikant, exacte kwaliteit, revisie en wettelijke status;
• goedgekeurde kern-/prepregconstructies en beschikbare glassoorten;
• Het type en de behandeling van de koperfolie die op elke gecontroleerde signaallaag wordt gebruikt;
• Dk/Df-gegevensbron, testmethode, frequentie en ontwerpmodelaannames;
• thermische gegevens die relevant zijn voor de feitelijke processequentie, inclusief laminering en blootstelling tijdens de assemblage;
• proceskwalificatie of bewijsmateriaal van het eerste artikel voor geplateerde gaten, microvias en hybride verbindingen;
• Bewaar-, houdbaarheids-, bak- en vochtbehandelingsinstructies, indien van toepassing;
• goedgekeurde alternatieven en de voorwaarden die leiden tot herkeuring op het gebied van elektrische systemen of betrouwbaarheid.

Ook de veroudering en beschikbaarheid van materialen spelen een rol. Een laminaat kan technisch geschikt blijven, maar commercieel onhaalbaar worden doordat een bepaalde kerndikte, glassoort of koperoptie niet meer leverbaar is. Periodieke evaluatie van de levenscyclus moet daarom plaatsvinden voordat de laatst goedgekeurde constructie niet meer beschikbaar is. Wanneer een nieuwe versie van een materiaalfamilie wordt geïntroduceerd, vergelijk dan de verwerkings- en constructiegegevens in plaats van ervan uit te gaan dat de merknaam uitwisselbaarheid garandeert.

Bij hybride constructies moeten de aannames met betrekking tot de hechtlaag, oxide- of alternatieve behandeling en laminering, samen met het materiaal van de signaallaag, behouden blijven. Het diëlektrische materiaal dat het signaal geleidt, krijgt wellicht de meeste aandacht, maar de interface tussen de materiaalsystemen bepaalt vaak het dimensionale gedrag en de betrouwbaarheid op lange termijn.