Materiały PCB 10-warstwowe do płyt FR-4, niskostratnych i RF

Wybór materiałów dla 10-warstwowej płytki PCB nie jest tabelą wyszukiwania, która konwertuje nazwę interfejsu na markę laminatu. Płytka z pamięcią DDR5, PCI Express lub szybkim interfejsem SerDes może być produkowana na kilku systemach żywicowych, w zależności od długości kanału, profilu miedzi, geometrii ścieżek, strat sygnału na złączu, przejść przelotowych, ekspozycji na temperaturę i możliwości wyrównywania sygnału przez odbiornik. Z drugiej strony, krótka ścieżka może ulec awarii na drogim laminacie, jeśli ścieżka powrotna, pole przelotowe lub przejście płaszczyzny odniesienia są słabe.

Niniejszy przewodnik traktuje wybór materiałów jako decyzję inżynierską, a nie hierarchię marketingową. Wyjaśnia on znaczenie opublikowanych właściwości, gdzie można porównać dane z kart katalogowych, jak miedź i szkło wpływają na gotowy kanał oraz co należy kontrolować w przypadku łączenia dwóch materiałów w jednym układzie warstw. Wybory specyficzne dla projektu należy przeanalizować wraz z 10-warstwowym układem warstw i planem kanału o dużej przepustowości przed zamrożeniem układu.

Zacznij od wymagań dotyczących elektryczności i niezawodności

Wybór odpowiedniego materiału rozpoczyna się od warunków, w jakich musi przetrwać gotowa płytka, oraz parametrów elektrycznych, jakie musi zapewnić kanał. Minimalny zestaw wejściowy obejmuje widmo sygnału lub maskę zgodności, maksymalną długość trasy, dopuszczalną tłumienność wtrąceniową, oczekiwaną liczbę i typ przejść przelotowych, układ płaszczyzny odniesienia, profil montażu, zakres temperatur produktu oraz wymaganą klasę niezawodności. Materiał jest następnie wybierany jako jeden z elementów całkowitego budżetu strat i niezawodności.

„Wysoka Tg”, „niska stratność” i „materiał RF” to kategorie, a nie kompletne specyfikacje. Wybrany gatunek, zawartość żywicy, rodzaj szkła, grubość rdzenia, konstrukcja prepregu i folia miedziana muszą zostać określone przed uznaniem ostatecznej geometrii impedancji lub symulacji kanału za opublikowaną.

Jak czytać kartę charakterystyki laminatu bez mieszania metod badawczych

Publikowane wartości są często mierzone różnymi metodami. Wartość linii paskowej, wartość rezonatora i wartość projektowa wyprowadzona z impedancji nie są zamienne, nawet jeśli są podawane dla tej samej częstotliwości. Dane mogą również opisywać nominalny układ żywicy, a nie dokładną konstrukcję ze szkła i żywicy użytą w procesie układania. Z tego powodu pojedyncza wartość Dk skopiowana do solvera polowego może dać wiarygodną, ​​ale niedokładną szerokość śladu.

W przypadku impedancji, producent zazwyczaj stosuje skalibrowany w procesie „projekt Dk” lub model empiryczny powiązany z konkretną konstrukcją materiału. W przypadku symulacji strat wtrąceniowych model powinien dodatkowo identyfikować chropowatość miedzi, a przy wyższych częstotliwościach – rzeczywisty styl szkła lub równoważną reprezentację anizotropową. Model użyty do projektu i materiał dostarczony w momencie zakupu muszą odnosić się do tej samej konstrukcji.

Rodziny materiałów stosowane w płytach 10-warstwowych

Konwencjonalne i wysokotemperaturowe systemy FR-4

FR-4 obejmuje szeroką rodzinę laminatów termoutwardzalnych wzmocnionych tkaniną szklaną. Nadaje się do wielu płytek przemysłowych, sterujących, zasilających i cyfrowych o średniej prędkości, ale dokładna klasa nadal ma znaczenie. Płytka dziesięciowarstwowa z wieloma cyklami lutowania rozpływowego, otworami metalizowanymi o wysokim współczynniku kształtu lub laminowaniem sekwencyjnym może wymagać niższej ekspansji w osi Z, dłuższego czasu delaminacji i lepszej wydajności CAF niż prosty produkt dwuwarstwowy. Zgodność z RoHS nie oznacza automatycznie, że każda klasa FR-4 nadaje się do każdego profilu montażu bezołowiowego.

FR-4 o wysokiej Tg jest często wybierany ze względu na margines termiczny i wymiarowy, a nie dlatego, że Tg bezpośrednio determinuje prędkość sygnału. Krótki, dobrze poprowadzony kanał o dużej szybkości może działać w dobrym systemie FR-4; dłuższy kanał może wymagać niższych strat dielektrycznych i strat przewodnika. Decyzja powinna być podejmowana na podstawie analizy strat i potrzeb w zakresie niezawodności, a nie na podstawie sloganu dotyczącego protokołu i materiału.

Laminaty cyfrowe o niskiej stratności

Rodziny takie jak Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera i porównywalne systemy o dużej szybkości redukują straty dielektryczne i są zazwyczaj oferowane z gładszymi opcjami miedzi. Nie są one automatycznie zamienne. Każda rodzina zawiera wiele gatunków, a dokładne wartości Dk/Df zależą od wariantu produktu, metody testowania, zawartości żywicy i konstrukcji szklanej. Na przykład, aktualna literatura dotycząca I-Tera MT40 podaje wartości nagłówkowe około Dk 3.45 i Df 0.0031, podczas gdy tabele konstrukcyjne pokazują, że poszczególne rdzenie i prepregi różnią się. To właśnie ta zmienność na poziomie konstrukcji jest powodem, dla którego zatwierdzony stackup musi identyfikować coś więcej niż tylko nazwę rodziny.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 i MEGTRON 8 reprezentują różne rodziny produktów i poziomy wydajności. Projektant powinien określić wymagane parametry elektryczne i procesowe lub precyzyjny gatunek – nie pisać „M6 lub równoważny” i dopuszczać niekontrolowaną wymianę. Przy najwyższych prędkościach transmisji danych, opcja miedziana i architektura przelotek mogą zdominować różnicę między dwoma dielektrykami o nominalnie niskich stratach.

Systemy o bardzo niskich stratach i bardzo dużej prędkości

Isola Tachyon 100G to przykład systemu o ultraniskich stratach. Aktualna karta produktu podaje wartości wyjściowe w okolicach Dk 3.02 i Df 0.0021, ale szczegółowe tabele konstrukcyjne ponownie pokazują różnice w zależności od zawartości szkła i żywicy. Materiały te są wybierane, gdy uzasadnia to analiza kanałowa; nie powinny być one określane jako obowiązkowe, domyślne dla każdego projektu 112G lub PCIe.

Laminaty RF na bazie węglowodorów/ceramiki i PTFE

Specjalistyczny laminat niskostratny i specjalistyczny laminat niskostratny to laminaty termoutwardzalne z włókna szklanego wzmocnionego tkaniną węglowodorowo-ceramiczną, a nie laminaty PTFE. Specjalistyczny laminat niskostratny ma wartości Dk na poziomie 3.38 i Df 0.0027 przy 10 GHz; specjalistyczny laminat niskostratny zapewnia powiązaną opcję kompatybilną z procesem, o różnych właściwościach elektrycznych i palności. Specjalistyczny laminat niskostratny dostarcza również produkty oparte na PTFE, takie jak wybrane produkty z laminatu niskostratnego na bazie PTFE. Prawidłowa rodzina produktów zależy od częstotliwości, strat, tolerancji Dk, rozszerzalności cieplnej, wymagań dotyczących otworów przelotowych, palności i procesu produkcji.

Połączenie rdzenia RF z wielowarstwowym rdzeniem FR-4 może być skuteczne, ale materiał łączący, obróbka miedzi, wiercenie i wykończenie powierzchni muszą zostać dobrane dla całej konstrukcji. Sama nazwa marki nie definiuje hybrydy nadającej się do produkcji.

Systemy poliimidowe do giętkich i sztywno-giętkich

Obwody elastyczne wykorzystują folie poliimidowe, systemy klejące lub bezklejowe laminaty pokryte miedzią, warstwy wierzchnie i wybrane folie miedziane. DuPont Pyralux AP to rodzina bezklejowych elastycznych laminatów; Pyralux TK jest przeznaczony do elastycznych aplikacji o niższych stratach. Właściwy wybór zależy od obciążenia gięcia, liczby warstw, impedancji, temperatury i procesu laminowania sztywno-giętkiego. Statyczne zagięcia instalacyjne i ciągłe dynamiczne zginanie to różne problemy projektowe i nie powinny mieć wspólnego ogólnego założenia dotyczącego promienia gięcia.

Folia miedziana, splot szklany i zawartość żywicy

Chropowatość miedzi należy do modelu strat

Przy wysokiej częstotliwości prąd gromadzi się w kierunku powierzchni przewodnika. Chropowata powierzchnia łączenia wydłuża efektywną ścieżkę prądu i zwiększa straty w przewodniku. Standardowe folie elektrooporowe, folie poddane obróbce odwrotnej, produkty o bardzo niskim profilu i bardzo niskim profilu mogą zatem generować różne straty wtrąceniowe na tym samym dielektryku. Kompromis nie polega po prostu na zasadzie „gładsze znaczy lepsze”: przyczepność, obróbka tlenkowa, skład chemiczny żywicy, obsługa i koszty muszą być zgodne z procesem produkcji.

Rysunek wykonawczy powinien określać zatwierdzoną klasę folii lub maksymalny model chropowatości użyty w symulacji. Etykiety marketingowe, takie jak VLP i HVLP, nie są w pełni ujednolicone u różnych dostawców, dlatego projekt może wymagać oznaczenia folii przez konkretnego dostawcę lub mierzalnego wymogu dotyczącego chropowatości.

Tkanina szklana zmienia lokalne Dk i ukos

Tkane szkło i żywica mają różne właściwości dielektryczne. Wąska ścieżka lub jeden element pary różnicowej może przebiegać głównie przez wiązki szklane, podczas gdy sąsiednia ścieżka przebiega przez obszary bogate w żywicę, powodując lokalne niedopasowanie opóźnień. Konstrukcje ze szkła rozproszonego, prowadzenie diagonalne względem splotu, szersze ścieżki, większe odstępy między parami w razie potrzeby oraz losowa orientacja grafiki to opcje łagodzące. Właściwy wybór zależy od rzeczywistego stylu szkła i możliwości przekoszenia.

Zawartość żywicy wpływa również na grubość po prasowaniu i efektywny współczynnik Dk. Prepreg nie jest arkuszem tworzywa sztucznego o stałej grubości: jego ostateczna grubość zależy od rodzaju szkła, zawartości żywicy, gęstości miedzi, cyklu prasowania i lokalnego przepływu żywicy. Dlatego obliczenia stosu powinny być oparte na modelu wytłaczania producenta, a nie wyłącznie na nominalnej grubości katalogowej.

Hybrydowe układanie materiałów i kontrola substytucji

W hybrydowym układzie warstw materiał o niskiej stratności lub RF jest umieszczany tylko tam, gdzie generuje on mierzalną wartość, na przykład wokół wybranych kanałów linii pasmowych lub warstwy powierzchniowej RF. Może to zmniejszyć zużycie materiału, ale wiąże się z dodatkowymi nakładami inżynieryjnymi. Producent musi zakwalifikować spoinę bondply lub prepreg, cykl utwardzania, przepływ żywicy, obróbkę warstwy wewnętrznej, kompensację wymiarową, wiercenie, usuwanie smug oraz niezawodność otworów metalizowanych dla połączonego systemu.

Zastąpienie materiału powinno odbywać się na jeden z trzech sposobów: brak zastąpienia bez pisemnej zgody; zastąpienie wyłącznie z listy zatwierdzonych materiałów; lub kontrolowane zastąpienie po dostarczeniu przez dostawcę poprawionego zestawienia materiałów, obliczenia impedancji i wymaganych dowodów kwalifikacji. „Równoważna klasa wydajności” nie jest wystarczającym upoważnieniem.

Niezawodność termiczna, HDI i ekspozycja montażu

Niezawodność dziesięciowarstwowa zależy od całkowitej historii termicznej. Konwencjonalna konstrukcja wielowarstwowa może obejmować jeden cykl laminowania, podczas gdy konstrukcja HDI obejmuje sekwencyjne cykle narastania i może obejmować wypełnianie miedzią, planaryzację i dodatkowe operacje utwardzania. Wykończenie powierzchni, montaż komponentów i przeróbka dodatkowo zwiększają narażenie. System materiałowy musi tolerować całą ścieżkę, a nie tylko jeden szczyt temperatury topnienia.

Istotnymi dowodami mogą być zachowanie T260/T288, współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) w osi Z, kondycjonowanie wilgocią, symulacja reflow, mikroskroje naprężeń cieplnych oraz badania połączeń międzywarstwowych. Odpowiednie testy i częstotliwość próbkowania powinny być określone przez specyfikację produktu i ryzyko. Nieprawdziwe jest twierdzenie, że konkretna wartość Td automatycznie czyni materiał „wymaganym” dla danej liczby warstw. Wpływ na to ma geometria, układ żywic, miedziowanie, wilgotność, cykl prasowania i konstrukcja próbki.

W przypadku HDI grubość dielektryka pod mikrootworem jest dobierana wraz ze średnicą lasera i obszarem przechwytywania. Powtarzalne mikrootwory warstwowe wymagają procesu o udowodnionej niezawodności wypełnienia i interfejsu. Strona dotycząca materiału powinna uzasadniać tę decyzję, natomiast rzeczywisty plan budowy i akceptacji powinien być zawarty w specyfikacji technicznej 10-warstwowego HDI.

Co umieścić na rysunku wykonawczym i zamówieniu zakupu

Zamówienie, w którym wskazano jedynie „wysokotemperaturowy FR-4” lub „ekwiwalent MEGTRON”, pozostawia zbyt wiele otwartych kwestii. Nota materiałowa gotowa do produkcji powinna określać zatwierdzony gatunek lub specyfikację wydajności, zasady zamienników, wymagania dotyczące folii miedzianej, palność lub wymogi regulacyjne, poziom identyfikowalności materiału oraz wszelkie dane elektryczne specyficzne dla danej konstrukcji, wykorzystane w projekcie.

Prześlij te notatki wraz z tabelą impedancji i zestawieniem. Przewodnik po kontrolowanej impedancji wyjaśnia, co wykonawca musi obliczyć i zweryfikować ostateczną geometrię.

Koszt materiału bez wprowadzających w błąd dodatków procentowych

Na koszt materiału wpływa cena arkusza, minimalna ilość zakupu, użyteczny rozmiar panelu, okres trwałości, wymagana opcja miedzi, dostępność prepregu oraz wydajność całego układu warstw. Konstrukcja hybrydowa może zmniejszyć kosztowną powierzchnię dielektryczną, ale może zwiększyć złożoność procesu zakupu, układania warstw i kwalifikacji. Z kolei konstrukcja o niskiej stratności może czasami uprościć zakup i laminowanie, mimo że surowiec jest droższy.

W celu sporządzenia budżetu należy poprosić dostawcę o oddzielenie wpływu systemu materiałowego od cykli HDI, wykończenia, testów i dokumentacji. Nie należy traktować ustalonego procentu podanego na stronie internetowej jako oferty. Przewodnik po kosztach 10-warstwowych płytek PCB stanowi model kosztorysowy, który można wykorzystać do porównywania alternatyw bez konieczności tworzenia uniwersalnych mnożników cenowych.

Poproś o przegląd materiałów i stosów

Dostępność, status regulacyjny i długoterminowe dostawy

Dostępność materiałów stanowi ograniczenie projektowe, gdy płyta będzie produkowana przez lata. Gatunek może być technicznie odpowiedni, ale dostępny tylko w określonych grubościach, foliach miedzianych lub rozmiarach paneli. Minimalne ilości zakupu, kontrola okresu przydatności do użycia i regionalne magazynowanie mogą mieć decydujący wpływ na czas realizacji prototypu. Przed zamrożeniem niszowej konstrukcji należy upewnić się, że wymagane kombinacje rdzenia i prepregów znajdują się w aktualnej ofercie producenta i że producent posiada zatwierdzony proces dla nich.

Palność, deklaracje dotyczące braku halogenów, deklaracje RoHS/REACH i certyfikat UL to odrębne kwestie. Laminat może być zgodny z dyrektywą RoHS, ale nie spełniać wymogów dotyczących palności wymaganych przez produkt końcowy; dana konstrukcja może wykraczać poza zakres grubości certyfikatu. Specyfikacja zakupu powinna określać wymagane dowody regulacyjne i miejsce produkcji, do którego się odnoszą. Nie należy wnioskować o certyfikacji na podstawie nazwy rodziny ani kwalifikacji innej fabryki.

W przypadku programów o długim okresie eksploatacji należy prowadzić kontrolowaną listę zatwierdzonych materiałów, zawierającą co najmniej jedną technicznie zweryfikowaną alternatywę, o ile jest to możliwe. Alternatywa powinna zostać oceniona przed przerwą w dostawach, a nie wprowadzana w trakcie niedoboru bez przeglądu impedancji, laminacji i niezawodności. Obowiązki dotyczące zakupu po raz ostatni, powiadamiania o zmianach i ponownej kwalifikacji powinny być zawarte w umowie z dostawcą.

Zatwierdzenie wyboru materiałów

Decyzja o materiale jest gotowa do wydania, gdy język zakupu, konstrukcja stosu i modele elektryczne odnoszą się do tej samej klasy i konstrukcji. Ogólne opisy, takie jak „wysoka Tg”, „niska stratność” lub „równoważny”, są niewystarczające, gdy istotna jest impedancja, tłumienność wtrąceniowa lub powtarzające się narażenie na temperaturę.

• Podaj zatwierdzoną klasę lub listę zatwierdzonych materiałów i pisemny opis procesu zastępowania.
• Zidentyfikuj konstrukcję rdzenia i prepregu, zawartość żywicy, styl szkła i profil miedzi używany przez modele.
• Zapisz metodę pomiaru Dk/Df, częstotliwość i czy wartość jest wartością z arkusza danych laminatu czy modelu projektowego.
• Sprawdź historię termiczną od laminowania sekwencyjnego, poprzez wypełnianie, wykończenie, ponowne lutowanie i spodziewaną przeróbkę.
• Sprawdź dostępność, minimalną ilość zakupu, ryzyko związane z czasem realizacji, status regulacyjny i długoterminowe zapotrzebowanie na dostawy.
• Wymagaj skorygowanych obliczeń stosu i impedancji za każdym razem, gdy zatwierdzona zamiana zmienia konstrukcję.

Najlepszym materiałem jest najtańszy, kwalifikowany system, który spełnia wszystkie wymagania elektryczne, mechaniczne, termiczne i zasilania. System z żywicy premium nie jest w stanie zrekompensować słabej ścieżki powrotnej, rezonansu w otworze lub niekontrolowanej wymiany.

Dokumentacja kwalifikacji materiałów do produkcji powtórnej

Programy, które zależą od strat energii elektrycznej, powtarzającej się ekspozycji na ciepło lub długiego okresu użytkowania, powinny zawierać dokumentację materiałową, a nie tylko nazwę handlową dostawcy. Dokumentacja zwiększa wiarygodność zamówień powtarzalnych, przeglądów alternatywnych źródeł i analiz awarii.

• producent, dokładny gatunek, rewizja i status regulacyjny;
• zatwierdzone konstrukcje rdzeni/prepregów i dostępne style szkła;
• typ i obróbka folii miedzianej stosowana na każdej warstwie sygnału kontrolowanego;
• Źródło danych Dk/Df, metoda testowania, częstotliwość i założenia modelu projektowego;
• dane termiczne odnoszące się do rzeczywistej sekwencji procesu, w tym laminowania i ekspozycji na montaż;
• kwalifikacja procesu lub dowód pierwszego artykułu dla otworów metalizowanych, mikrootworów i wiązań hybrydowych;
• instrukcje dotyczące przechowywania, przydatności do spożycia, pieczenia i postępowania z wilgocią, jeśli mają zastosowanie;
• zatwierdzone alternatywy i warunki powodujące konieczność ponownej kwalifikacji elektrycznej lub niezawodności.

Starzenie się i dostępność materiałów również mają znaczenie. Laminat może pozostać technicznie odpowiedni, a jednocześnie stać się niepraktyczny komercyjnie, ponieważ grubość rdzenia, rodzaj szkła lub opcja miedziana zostaną wycofane. Dlatego okresowy przegląd cyklu życia powinien być przeprowadzany, zanim ostatnia zatwierdzona konstrukcja stanie się niedostępna. W przypadku wprowadzenia nowej wersji rodziny materiałów, należy porównać dane dotyczące przetwarzania i konstrukcji, zamiast zakładać, że nazwa handlowa gwarantuje zamienność.

W przypadku konstrukcji hybrydowych należy zachować założenia dotyczące warstwy sklejonej, tlenku lub alternatywnej obróbki i laminowania, a także materiału warstwy sygnałowej. Dielektryk przenoszący sygnał może być przedmiotem największej uwagi, ale interfejs między systemami materiałowymi często kontroluje zachowanie wymiarów i długoterminową niezawodność.