Materiais para PCB de 10 camadas para placas FR-4, de baixa perda e de RF.

A seleção de materiais para uma placa de circuito impresso de 10 camadas não é uma simples consulta a uma tabela que converte o nome de uma interface em uma marca de laminado. Uma placa com DDR5, PCI Express ou um SerDes de alta velocidade pode ser fabricada em diversos sistemas de resina, dependendo do comprimento do canal, perfil do cobre, geometria da trilha, perda do conector, transições de vias, exposição à temperatura e capacidade de equalização do receptor. Por outro lado, uma rota curta pode falhar em um laminado caro se o caminho de retorno, a transição de campo da via ou do plano de referência for deficiente.

Este guia trata a escolha de materiais como uma decisão de engenharia, e não como uma hierarquia de marketing. Ele explica o significado das propriedades publicadas, onde comparar os dados das fichas técnicas, como o cobre e o vidro afetam o canal final e o que deve ser controlado quando dois materiais são combinados em uma mesma estrutura. As escolhas específicas do projeto devem ser revisadas juntamente com a estrutura de 10 camadas e o plano do canal de alta velocidade antes da definição final do layout.

Comece com os requisitos elétricos e de confiabilidade.

Uma decisão útil sobre os materiais começa com a análise das condições que a placa final deve suportar e o desempenho elétrico que o canal roteado deve apresentar. O conjunto mínimo de informações necessárias inclui o espectro de sinalização ou máscara de conformidade, o comprimento máximo da rota, a perda de inserção permitida, o número e tipo esperados de transições de vias, o arranjo do plano de referência, o perfil de montagem, a faixa de temperatura do produto e a classe de confiabilidade exigida. A seleção do material é então feita considerando-se apenas uma parte do orçamento total de perdas e confiabilidade.

“Alta Tg”, “baixa perda” e “material de RF” são categorias, não especificações completas. O grau selecionado, o teor de resina, o tipo de vidro, a espessura do núcleo, a construção do pré-impregnado e a folha de cobre devem ser identificados antes que a geometria de impedância final ou a simulação do canal sejam consideradas aprovadas.

Como ler a ficha técnica de um laminado sem misturar métodos de teste

Os valores publicados são frequentemente medidos por métodos diferentes. Um valor de linha de transmissão com impedância fixa, um valor de ressonador e um valor de projeto derivado da impedância não são intercambiáveis, mesmo quando relatados na mesma frequência. Os dados também podem descrever um sistema de resina nominal em vez da construção exata de vidro e resina usada na estrutura. Por esse motivo, um único número Dk copiado para um solucionador de campo pode produzir uma largura de trilha plausível, mas imprecisa.

Para impedância, o fabricante normalmente utiliza um “Dk de projeto” calibrado pelo processo ou um modelo empírico associado a uma construção de material específica. Para simulação de perda de inserção, o modelo deve identificar adicionalmente a rugosidade do cobre e, em frequências mais altas, o tipo de vidro real ou uma representação anisotrópica equivalente. O modelo utilizado para o projeto e o material fornecido pelo comprador devem se referir à mesma construção.

Famílias de materiais utilizadas em placas de 10 camadas

Sistemas FR-4 convencionais e de alta temperatura

O FR-4 abrange uma ampla família de laminados termofixos reforçados com fibra de vidro. É adequado para muitas placas industriais, de controle, de potência e digitais de velocidade moderada, mas a especificação exata ainda é importante. Uma placa de dez camadas com múltiplos ciclos de refluxo, furos metalizados de alta relação de aspecto ou laminação sequencial pode exigir menor expansão no eixo Z, maior tempo de delaminação e melhor desempenho de CAF (antiflação a frio) do que um produto simples de duas camadas. "Em conformidade com RoHS" não significa automaticamente que toda especificação de FR-4 seja apropriada para todos os perfis de montagem sem chumbo.

O FR-4 de alta Tg é frequentemente escolhido por sua margem térmica e dimensional, e não porque a Tg determine diretamente a velocidade do sinal. Um canal curto e bem roteado de alta velocidade pode funcionar em um bom sistema FR-4; um canal mais longo pode exigir menor perda dielétrica e de condução. A decisão deve ser baseada na análise de perdas e nas necessidades de confiabilidade, e não em um mero slogan de protocolo para material.

Laminados digitais de baixa perda

Famílias como Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera e sistemas de alta velocidade comparáveis ​​reduzem a perda dielétrica e são geralmente oferecidas com opções de cobre mais suaves. Elas não são automaticamente intercambiáveis. Cada família contém múltiplas classes de dielétricos, e os valores exatos de Dk/Df dependem da variante do produto, do método de teste, do teor de resina e da construção do vidro. Por exemplo, a literatura atual sobre o I-Tera MT40 apresenta valores principais em torno de Dk 3.45 e Df 0.0031, enquanto as tabelas de construção mostram que os núcleos e pré-impregnados individuais variam. Essa variação no nível de construção é exatamente o motivo pelo qual uma especificação de empilhamento aprovada deve identificar mais do que apenas o nome da família.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 e MEGTRON 8 representam diferentes famílias de produtos e níveis de desempenho. O projetista deve especificar as características elétricas e de processo necessárias ou uma especificação precisa — não escrever “M6 ou equivalente” e permitir uma substituição sem controle. Nas taxas de dados mais altas, a opção de cobre e a arquitetura de vias podem ser o fator determinante na diferença entre dois dielétricos com perdas nominais baixas.

Sistemas de baixíssima perda e altíssima velocidade

O Isola Tachyon 100G é um exemplo de sistema de baixíssima perda. Sua ficha técnica atual lista valores principais próximos a Dk 3.02 e Df 0.0021, mas suas tabelas de construção detalhadas mostram novamente variações de acordo com o conteúdo de vidro e resina. Esses materiais são escolhidos quando a análise do canal os justifica; eles não devem ser descritos como um padrão obrigatório para todos os projetos de 112G ou PCIe.

Laminados de RF à base de hidrocarbonetos/cerâmica e PTFE

Um laminado especial de baixa perda e um laminado especial de baixa perda são laminados termofixos de hidrocarboneto/cerâmica reforçados com fibra de vidro, e não laminados de PTFE. Um laminado especial de baixa perda é publicado com Dk em torno de 3.38 e Df 0.0027 a 10 GHz; um laminado especial de baixa perda oferece uma opção relacionada e compatível com o processo, com diferentes características elétricas e de inflamabilidade. O laminado especial de baixa perda também fornece famílias verdadeiramente baseadas em PTFE, como alguns produtos de laminado de baixa perda à base de PTFE. A família correta depende da frequência, perda, tolerância de Dk, expansão térmica, requisitos de furos metalizados, inflamabilidade e processo de fabricação.

Incorporar um núcleo de RF em uma estrutura multicamadas de FR-4 pode ser eficaz, mas o material de ligação, o tratamento do cobre, a perfuração e o acabamento da superfície devem ser selecionados para a construção completa. Uma marca, por si só, não define um híbrido viável para fabricação.

Sistemas de poliimida para aplicações flexíveis e rígido-flexíveis

Circuitos flexíveis utilizam filmes de poliimida, sistemas adesivos ou laminados revestidos de cobre sem adesivo, camadas de cobertura e folhas de cobre selecionadas. DuPont Pyralux AP é uma família de laminados flexíveis sem adesivo; Pyralux TK é voltado para aplicações flexíveis com menores perdas. A escolha adequada depende da faixa de curvatura, número de camadas, impedância, temperatura e do processo de laminação rígido-flexível. Curvas de instalação estática e flexões dinâmicas contínuas são problemas de projeto diferentes e não devem compartilhar uma mesma especificação genérica de raio de curvatura.

Conteúdo de folha de cobre, tecido de vidro e resina

A rugosidade do cobre pertence ao modelo de perda.

Em altas frequências, a corrente se concentra na superfície do condutor. Uma superfície de ligação rugosa alonga o percurso efetivo da corrente e aumenta as perdas no condutor. Folhas eletrodepositadas padrão, folhas com tratamento reverso, produtos de perfil muito baixo e hiperperfil muito baixo podem, portanto, apresentar diferentes perdas de inserção no mesmo dielétrico. A questão não se resume a "quanto mais lisa, melhor": adesão, tratamento de óxido, composição da resina, manuseio e custo devem ser compatíveis com o processo de fabricação.

O desenho de fabricação deve identificar a classe de película aprovada ou o modelo de rugosidade máxima utilizado na simulação. Rótulos comerciais como VLP e HVLP não são perfeitamente padronizados entre os fornecedores, portanto, um projeto pode exigir uma designação de película específica do fornecedor ou um requisito de rugosidade mensurável.

A trama do vidro altera o Dk local e a distorção.

O vidro trançado e a resina possuem propriedades dielétricas diferentes. Uma trilha estreita ou um dos membros de um par diferencial pode percorrer predominantemente feixes de vidro enquanto a trilha adjacente percorre regiões ricas em resina, criando uma discrepância de atraso local. Construções com vidro espalhado, roteamento diagonal em relação à trama, trilhas mais largas, espaçamento maior entre pares quando apropriado e orientação aleatória da arte são opções para mitigar esse problema. A escolha correta depende do tipo de vidro utilizado e da tolerância à distorção.

O teor de resina também afeta a espessura da prensagem e a densidade efetiva (Dk). O pré-impregnado não é uma folha plástica de espessura fixa: sua espessura final depende do tipo de fibra de vidro, do teor de resina, da densidade do cobre, do ciclo de prensagem e do fluxo local de resina. Portanto, os cálculos de espessura em camadas devem usar o modelo de prensagem do fabricante, em vez de apenas a espessura nominal do catálogo.

Empilhamentos de Materiais Híbridos e Controle de Substituição

Uma estrutura híbrida utiliza um material de baixa perda ou de radiofrequência (RF) apenas onde ele gera valor mensurável, como em torno de canais de linha de transmissão selecionados ou em uma camada superficial de RF. Isso pode reduzir o consumo de material, mas aumenta o trabalho de engenharia. O fabricante deve qualificar a camada de ligação ou o pré-impregnado, o ciclo de cura, o fluxo da resina, o tratamento da camada interna, a compensação dimensional, a perfuração, a remoção de resíduos e a confiabilidade dos furos metalizados para o sistema combinado.

A substituição de materiais deve ser tratada de uma das três maneiras a seguir: nenhuma substituição sem aprovação por escrito; substituição somente a partir de uma lista aprovada específica; ou substituição controlada após o fornecedor fornecer uma análise revisada da composição química, cálculo de impedância e as evidências de qualificação necessárias. A expressão “classe de desempenho equivalente” não é autorização suficiente.

Confiabilidade térmica, HDI e exposição de montagem

A confiabilidade de dez camadas é influenciada pelo histórico térmico total. Uma estrutura multicamadas convencional pode passar por um ciclo de laminação primário, enquanto uma construção HDI adiciona ciclos de deposição sequenciais e pode incluir preenchimento com cobre, planarização e operações adicionais de cura. O acabamento superficial, a montagem dos componentes e o retrabalho aumentam ainda mais a exposição térmica. O sistema de materiais deve tolerar todo o processo, não apenas um pico de refluxo.

As evidências relevantes podem incluir o comportamento T260/T288, o coeficiente de expansão térmica (CTE) no eixo Z, o condicionamento de umidade, a simulação de refluxo, as microseções de tensão térmica e os testes de interconexão. Os testes aplicáveis ​​e a frequência de amostragem devem ser definidos pela especificação do produto e pelo risco. É impreciso afirmar que um determinado valor de Td torna automaticamente um material "obrigatório" para um determinado número de camadas de deposição. A geometria da via, o sistema de resina, a deposição de cobre, a umidade, o ciclo de prensagem e o projeto do cupom contribuem para esse resultado.

Para HDI, a espessura do dielétrico sob uma microvia é selecionada juntamente com o diâmetro do laser e a área de captura. Microvias empilhadas repetidamente exigem um processo com preenchimento e confiabilidade interfacial comprovados. A página de materiais deve embasar essa decisão, enquanto o plano de construção e aceitação propriamente dito deve constar na especificação de engenharia de HDI de 10 camadas.

O que incluir no desenho de fabricação e na ordem de compra

Uma ordem de compra que menciona apenas “FR-4 de alta Tg” ou “equivalente a MEGTRON” deixa muitas ambiguidades. Uma nota de material pronta para produção deve identificar a classe ou especificação de desempenho aprovada, a regra de substituição, os requisitos de folha de cobre, as necessidades de inflamabilidade ou regulamentares, o nível de rastreabilidade do material e quaisquer dados elétricos específicos da construção utilizados no projeto.

Envie estas anotações juntamente com a tabela de impedância e a configuração das camadas. O guia de impedância controlada explica o que o fabricante precisa calcular e verificar para a geometria final.

Custo do material sem acréscimos percentuais enganosos

O custo do material é influenciado pelo preço da chapa, quantidade mínima de compra, tamanho útil do painel, prazo de validade, opção de cobre necessária, disponibilidade de pré-impregnado e rendimento da estrutura completa. Uma construção híbrida pode reduzir a área dielétrica, que é cara, mas pode aumentar a complexidade de aquisição, laminação e qualificação. Por outro lado, uma construção totalmente de baixa perda pode, às vezes, simplificar a compra e a laminação, mesmo que a matéria-prima seja mais cara.

Para o orçamento, solicite ao fornecedor que discrimine o impacto do sistema de materiais dos ciclos HDI, acabamento, testes e documentação. Não considere uma porcentagem fixa encontrada em uma página da web como um orçamento. O guia de custos de PCBs de 10 camadas fornece um modelo de fatores de custo que pode ser usado para comparar alternativas sem a necessidade de criar multiplicadores de preço universais.

Solicite uma revisão de materiais e empilhamento.

Disponibilidade, situação regulatória e fornecimento a longo prazo

A disponibilidade de materiais é uma restrição de projeto quando uma placa permanecerá em produção por anos. Uma determinada classe de material pode ser tecnicamente adequada, mas estar disponível apenas em espessuras, folhas de cobre ou tamanhos de painel selecionados. Quantidades mínimas de compra, controles de prazo de validade e estoque regional podem determinar o tempo de entrega do protótipo. Antes de definir um projeto específico, confirme se as combinações necessárias de núcleo e pré-impregnado fazem parte da oferta atual do fabricante e se o fabricante possui um processo aprovado para elas.

A inflamabilidade, as alegações de ausência de halogênios, as declarações RoHS/REACH e o reconhecimento UL são questões distintas. Um laminado pode ser compatível com RoHS, mas não atender à classificação de inflamabilidade exigida pelo produto final; uma construção específica pode estar fora da faixa de espessura para um reconhecimento. A especificação de compra deve identificar a comprovação regulamentar necessária e o local de fabricação ao qual ela se aplica. Não infira a certificação com base em um sobrenome ou na qualificação de outra fábrica.

Para programas de longa duração, mantenha uma lista controlada de materiais aprovados com pelo menos uma alternativa tecnicamente revisada, sempre que possível. A alternativa deve ser avaliada antes de uma interrupção no fornecimento, e não introduzida durante uma escassez sem antes realizar análises de impedância, laminação e confiabilidade. As responsabilidades de última compra, notificação de alterações e requalificação devem estar incluídas no contrato com o fornecedor.

Aprovação da seleção de materiais

Uma decisão sobre a qualidade do material está pronta para ser tomada quando a linguagem de compra, a construção da estrutura e os modelos elétricos se referem à mesma classe e construção. Descrições genéricas como "alta Tg", "baixa perda" ou "equivalente" são insuficientes quando a impedância, a perda de inserção ou a exposição térmica repetida são fatores relevantes.

• Indique a nota aprovada ou a lista de materiais aprovados e o processo de substituição por escrito.
• Identificar a construção do núcleo e do pré-impregnado, o teor de resina, o tipo de fibra de vidro e o perfil de cobre utilizados nos modelos.
• Registre o método de teste Dk/Df, a frequência e se o valor é um valor da ficha técnica do laminado ou um modelo de projeto.
• Verificar o histórico térmico desde a laminação sequencial, passando pelo preenchimento, acabamento, refluxo da montagem e retrabalho previsto.
• Confirme a disponibilidade, a quantidade mínima de compra, o risco de atraso no prazo de entrega, o status regulatório e as necessidades de fornecimento a longo prazo.
• Exija uma nova análise de empilhamento e cálculo de impedância sempre que uma substituição aprovada alterar a construção.

O melhor material é o sistema qualificado de menor custo que atenda a todos os requisitos elétricos, mecânicos, térmicos e de alimentação. Um sistema de resina de alta qualidade não compensa um caminho de retorno inadequado, ressonância por meio de derivação ou substituição descontrolada.

Dossier de Qualificação de Materiais para Produção Repetida

Programas que dependem de perdas elétricas, exposição térmica repetida ou longa vida útil devem manter um dossiê de materiais, em vez de apenas o nome comercial do fornecedor. O dossiê torna os pedidos repetidos, as revisões de fornecedores alternativos e a análise de falhas mais confiáveis.

• Fabricante, especificação exata, revisão e situação regulamentar;
• Construções de núcleo/pré-impregnado aprovadas e estilos de vidro disponíveis;
• Tipo de folha de cobre e tratamento utilizado em cada camada de sinal controlada;
• Fonte de dados Dk/Df, método de teste, frequência e pressupostos do modelo de projeto;
• Dados térmicos relevantes para a sequência real do processo, incluindo a laminação e a exposição durante a montagem;
• Qualificação de processo ou evidência de primeiro artigo para furos metalizados, microvias e ligações híbridas;
• Instruções de armazenamento, prazo de validade, cozimento e manuseio em relação à umidade, quando aplicável;
• alternativas aprovadas e as condições que desencadeiam a requalificação elétrica ou de confiabilidade.

O envelhecimento e a disponibilidade dos materiais também são importantes. Um laminado pode permanecer tecnicamente adequado, mas tornar-se comercialmente inviável devido à descontinuação da espessura do núcleo, do tipo de fibra de vidro ou da opção de cobre. Portanto, revisões periódicas do ciclo de vida devem ser realizadas antes que a última construção aprovada se torne indisponível. Quando uma nova revisão de uma família de materiais é introduzida, compare os dados de processamento e construção em vez de presumir que o nome comercial garante a intercambialidade.

Para construções híbridas, mantenha as premissas de camada de ligação, óxido ou tratamento alternativo e laminação, juntamente com o material da camada de sinal. O dielétrico que transporta o sinal pode receber a maior atenção, mas a interface entre os sistemas de materiais geralmente controla o comportamento dimensional e a confiabilidade a longo prazo.