Materiale PCB cu 10 straturi pentru plăci FR-4, cu pierderi reduse și RF

Selecția materialelor pentru un PCB cu 10 straturi nu este un tabel de căutare care convertește numele unei interfețe într-o marcă de laminat. O placă de bază care conține DDR5, PCI Express sau un SerDes de mare viteză poate fi fabricată pe mai multe sisteme de rășină, în funcție de lungimea canalului, profilul de cupru, geometria traseului, pierderea conectorului, tranzițiile prin interfață, expunerea la temperatură și capacitatea de egalizare a receptorului. În schimb, o rută scurtă poate eșua pe un laminat scump dacă calea de retur, prin tranziția câmpului sau a planului de referință, este slabă.

Acest ghid tratează alegerea materialelor ca pe o decizie inginerească, mai degrabă decât ca pe o ierarhie de marketing. Explică ce înseamnă proprietățile publicate, unde pot fi comparate numerele din fișele tehnice, cum afectează cuprul și sticla canalul finit și ce trebuie controlat atunci când două materiale sunt combinate într-o singură stivuire. Alegerile specifice proiectului ar trebui revizuite împreună cu... Stivuire cu 10 straturi si planul canalelor de mare viteză înainte ca macheta să fie înghețată.

Începeți cu cerințele electrice și de fiabilitate

O decizie utilă privind materialele începe cu condițiile pe care placa finită trebuie să le reziste și performanța electrică pe care canalul rutat trebuie să ofere. Setul minim de intrări este spectrul de semnalizare sau masca de conformitate, lungimea maximă rutată, pierderea de inserție admisă, numărul și tipul așteptate de tranziții via, aranjamentul planului de referință, profilul de asamblare, intervalul de temperatură al produsului și clasa de fiabilitate necesară. Materialul este apoi selectat ca o parte a bugetului total de pierderi și fiabilitate.

„Tg ridicat”, „pierderi reduse” și „material RF” sunt categorii, nu specificații complete. Calitatea selectată, conținutul de rășină, stilul sticlei, grosimea miezului, construcția prepreg și folia de cupru trebuie identificate înainte ca geometria finală a impedanței sau simularea canalului să fie considerată lansată.

Cum să citești o fișă tehnică a unui laminat fără a amesteca metodele de testare

Valorile publicate sunt adesea măsurate prin metode diferite. O valoare a unei benzi fixate, o valoare a rezonatorului și o valoare de proiectare derivată din impedanță nu sunt interschimbabile, chiar și atunci când sunt raportate la aceeași frecvență. Datele pot descrie, de asemenea, un sistem nominal de rășină, mai degrabă decât construcția exactă sticlă-rășină utilizată în stackup. Din acest motiv, un singur număr Dk copiat într-un solver de câmp poate produce o lățime a urmei plauzibilă, dar inexactă.

Pentru impedanță, producătorul folosește în mod normal un „Dk de proiectare” calibrat în funcție de proces sau un model empiric asociat cu o anumită construcție a materialului. Pentru simularea pierderilor de inserție, modelul ar trebui să identifice suplimentar rugozitatea cuprului și, la frecvențe mai mari, stilul real al sticlei sau o reprezentare anizotropă echivalentă. Modelul utilizat pentru proiectare și materialul livrat prin achiziție trebuie să se refere la aceeași construcție.

Familii de materiale utilizate în plăci cu 10 straturi

Sisteme FR-4 convenționale și la temperatură înaltă

FR-4 acoperă o familie largă de laminate termorezistente armate cu fibră de sticlă țesută. Este potrivit pentru multe plăci digitale industriale, de control, de putere și de viteză moderată, dar gradul exact contează în continuare. O placă cu zece straturi, cu cicluri multiple de reflow, găuri placate cu raport de aspect ridicat sau laminare secvențială poate necesita o expansiune pe axa Z mai mică, un timp de delaminare mai lung și o performanță CAF mai bună decât un produs simplu cu două straturi. „Conform cu RoHS” nu înseamnă automat că fiecare grad FR-4 este potrivit pentru fiecare profil de asamblare fără plumb.

FR-4 cu Tg ridicat este adesea selectat pentru marja termică și dimensională, nu pentru că Tg determină direct viteza semnalului. Un canal de mare viteză scurt și bine rutat poate funcționa pe un sistem FR-4 bun; un canal mai lung poate necesita pierderi dielectrice și de conductor mai mici. Decizia ar trebui să vină din analiza pierderilor și nevoile de fiabilitate, mai degrabă decât dintr-un slogan protocol-material.

Laminate digitale cu pierderi reduse

Familii precum Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera și sisteme comparabile de mare viteză reduc pierderile dielectrice și sunt oferite în mod obișnuit cu opțiuni de cupru mai neted. Acestea nu sunt interschimbabile automat. Fiecare familie conține mai multe clase, iar valorile exacte Dk/Df depind de varianta produsului, metoda de testare, conținutul de rășină și construcția sticlei. De exemplu, literatura actuală despre I-Tera MT40 prezintă valori principale în jur de Dk 3.45 și Df 0.0031, în timp ce tabelele de construcție arată că miezurile și preimpregnatele individuale variază. Această variație la nivel de construcție este exact motivul pentru care o configurație aprobată trebuie să identifice mai mult decât numele familiei.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 și MEGTRON 8 reprezintă familii de produse și niveluri de performanță diferite. Un proiectant ar trebui să specifice caracteristicile electrice și de proces necesare sau un grad precis - nu să scrie „M6 sau echivalent” și să permită o înlocuire necontrolată. La cele mai mari rate de transfer de date, opțiunea de cupru și arhitectura via pot domina diferența dintre doi dielectrici cu pierderi nominale reduse.

Sisteme cu pierderi ultra-mici și de foarte mare viteză

Isola Tachyon 100G este un exemplu de sistem cu pierderi ultra-scăzute. Fișa sa actuală de produs prezintă valori principale apropiate de Dk 3.02 și Df 0.0021, dar tabelele sale detaliate de construcție arată din nou variațiile în funcție de conținutul de sticlă și rășină. Aceste materiale sunt alese atunci când analiza canalului le justifică; ele nu ar trebui descrise ca o implicită obligatorie pentru fiecare design 112G sau PCIe.

Laminate RF pe bază de hidrocarburi/ceramică și PTFE

Rogers RO4003C și RO4350B sunt laminate termorezistente din hidrocarburi/ceramică armate cu țesătură de sticlă, nu laminate din PTFE. RO4003C este publicat în jurul valorii de Dk 3.38 și Df 0.0027 la 10 GHz; RO4350B oferă o opțiune compatibilă cu procesul similar, cu caracteristici electrice și de inflamabilitate diferite. Rogers furnizează, de asemenea, familii de produse pe bază de PTFE, cum ar fi anumite produse RT/duroid și RO3000. Familia corectă depinde de frecvență, pierderi, toleranță Dk, dilatare termică, cerințe pentru găurile traversante placate, inflamabilitate și procesul de fabricație.

Amestecarea unui miez RF într-un multistrat altfel FR-4 poate fi eficientă, dar materialul de legătură, tratamentul cu cupru, găurirea și finisajul suprafeței trebuie selectate pentru construcția completă. Un nume de marcă în sine nu definește un hibrid fabricabil.

Sisteme poliimide pentru flex și rigid-flex

Circuitele flexibile utilizează pelicule de poliimidă, sisteme adezive sau laminate placate cu cupru fără adeziv, straturi de acoperire și folii de cupru selectate. DuPont Pyralux AP este o familie de laminate flexibile fără adeziv; Pyralux TK este destinată aplicațiilor flexibile cu pierderi reduse. Alegerea potrivită depinde de sarcina de îndoire, numărul de straturi, impedanță, temperatură și procesul de laminare rigid-flex. Îndoirile la instalarea statică și flexarea dinamică continuă sunt probleme de proiectare diferite și nu ar trebui să aibă aceeași afirmație generică privind raza de îndoire.

Folie de cupru, țesătură de sticlă și conținut de rășină

Rugozitatea cuprului face parte din modelul de pierderi

La frecvență înaltă, curentul se înghesuie spre suprafața conductorului. O suprafață de lipire rugoasă prelungește calea efectivă de curent și crește pierderile din conductor. Folia standard electrodepusă, folia tratată invers, produsele cu profil foarte redus și hiperprofil foarte redus pot produce, prin urmare, pierderi de inserție diferite pe același dielectric. Compromisul nu este pur și simplu „mai fin înseamnă mai bine”: aderența, tratamentul oxidului, chimia rășinii, manipularea și costul trebuie să rămână compatibile cu procesul de fabricație.

Desenul de fabricație ar trebui să identifice fie clasa foliei aprobată, fie modelul de rugozitate maximă utilizat în simulare. Etichetele de marketing precum VLP și HVLP nu sunt perfect standardizate între furnizori, așa că un proiect poate necesita o denumire specifică furnizorului pentru folie sau o cerință de rugozitate măsurabilă.

Modificări locale ale țesăturii de sticlă Dk și înclinare

Sticla țesută și rășina au proprietăți dielectrice diferite. O urmă îngustă sau un membru al unei perechi diferențiale se poate deplasa predominant peste fascicule de sticlă, în timp ce urma adiacentă se deplasează peste regiuni bogate în rășină, creând o nepotrivire locală a întârzierii. Construcțiile din sticlă dispersată, rutarea diagonală față de țesătură, urmele mai late, distanțarea mai mare între perechi, acolo unde este cazul, și orientarea randomizată a lucrărilor de artă sunt opțiuni de atenuare. Alegerea corectă depinde de stilul real al sticlei și de bugetul de asimetrie.

Conținutul de rășină afectează, de asemenea, grosimea presată și grosimea efectivă a foliei (Dk). Prepreg-ul nu este o folie de plastic cu grosime fixă: grosimea sa finală depinde de tipul sticlei, conținutul de rășină, densitatea cuprului, ciclul de presare și curgerea locală a rășinii. Prin urmare, calculele de suprapunere ar trebui să utilizeze modelul de presare al producătorului, mai degrabă decât grosimea nominală din catalog.

Stocarea materialelor hibride și controlul substituției

O suprapunere hibridă plasează un material cu pierderi reduse sau RF doar acolo unde creează o valoare măsurabilă, cum ar fi în jurul canalelor selectate ale liniei de bandă sau a unui strat de suprafață RF. Acest lucru poate reduce consumul de material, dar adaugă muncă de inginerie. Fabricantul trebuie să califice stratul de legătură sau prepreg-ul, ciclul de întărire, curgerea rășinii, tratamentul stratului interior, compensarea dimensională, găurirea, desmearul și fiabilitatea găurii placate pentru sistemul combinat.

Înlocuirea materialelor trebuie gestionată într-unul din următoarele trei moduri: nicio înlocuire fără aprobare scrisă; înlocuire doar dintr-o listă aprobată nominal; sau înlocuire controlată după ce furnizorul furnizează o configurație revizuită, un calcul al impedanței și dovezile de calificare necesare. „Clasa de performanță echivalentă” nu constituie o autorizație suficientă.

Fiabilitate termică, HDI și expunere la asamblare

Fiabilitatea straturilor cu zece straturi este influențată de istoricul termic total. O construcție multistrat convențională poate avea un ciclu de laminare primară, în timp ce o construcție HDI adaugă cicluri secvențiale de acumulare și poate include umplere cu cupru, planarizare și operațiuni suplimentare de întărire. Finisarea suprafeței, asamblarea componentelor și refacerea acestora adaugă apoi o expunere mai mare. Sistemul de materiale trebuie să tolereze întregul traseu, nu doar un vârf de reflow.

Dovezile relevante pot include comportamentul T260/T288, CTE pe axa Z, condiționarea la umiditate, simularea reflow, microsecțiunile de stres termic și testarea interconectării. Testele aplicabile și frecvența eșantionării ar trebui definite în funcție de specificațiile produsului și de risc. Este inexact să se susțină că o anumită valoare Td face automat ca un material să fie „necesar” pentru un anumit număr de straturi de acumulare. Prin geometrie, sistemul de rășină, placarea cu cupru, umiditate, ciclul de presare și designul cuponului contribuie.

Pentru HDI, grosimea dielectricului de sub o microvia este selectată împreună cu diametrul laserului și zona de captare. Microviile suprapuse repetat necesită un proces cu umplere demonstrată și fiabilitate interfacială. Pagina cu materialul ar trebui să susțină această decizie, în timp ce planul propriu-zis de construire și acceptare aparține... Specificații tehnice HDI cu 10 straturi.

Ce trebuie să includeți în desenul de fabricație și în comanda de achiziție

O comandă de achiziție care menționează doar „FR-4 cu Tg ridicat” sau „echivalent MEGTRON” lasă prea multe de oferit. O notă privind materialul pregătit pentru producție ar trebui să identifice gradul sau specificațiile de performanță aprobate, regula de înlocuire, cerințele privind folia de cupru, inflamabilitatea sau nevoile de reglementare, nivelul de trasabilitate a materialului și orice date electrice specifice construcției utilizate în cadrul proiectului.

Trimiteți aceste note împreună cu tabelul de impedanță și schema de calcul. ghid cu impedanță controlată explică ce are nevoie fabricatorul pentru a calcula și verifica geometria finală.

Costul materialelor fără adunări procentuale înșelătoare

Costul materialului este influențat de prețul plăcii, cantitatea minimă de achiziție, dimensiunea utilizabilă a panoului, durata de valabilitate, opțiunea de cupru necesară, disponibilitatea prepreg-urilor și randamentul stivuirii complete. O construcție hibridă poate reduce suprafața dielectrică costisitoare, dar poate adăuga complexitate la achiziții, laminare și calificare. În schimb, o construcție completă cu pierderi reduse poate uneori simplifica achiziționarea și laminarea, chiar dacă materia primă este mai scumpă.

Pentru bugetare, rugați furnizorul să separe efectul sistemului de materiale de ciclurile HDI, finisare, testare și documentație. Nu tratați un procent fix găsit pe o pagină web ca o ofertă de preț. Ghid de costuri pentru PCB-uri cu 10 straturi oferă un model de factor de cost care poate fi utilizat pentru a compara alternativele fără a inventa multiplicatori universali de preț.

Solicitați o revizuire a materialelor și a stivuirii

Disponibilitate, statut de reglementare și aprovizionare pe termen lung

Disponibilitatea materialelor este o constrângere de proiectare atunci când o placă va rămâne în producție ani de zile. O anumită clasă poate fi potrivită din punct de vedere tehnic, dar disponibilă numai în anumite grosimi, folii de cupru sau dimensiuni de panouri. Cantitățile minime de achiziție, controalele privind durata de valabilitate și stocarea regională pot domina timpul de livrare a prototipului. Înainte de a îngheța o construcție de nișă, confirmați că combinațiile necesare de miez și prepreg fac parte din oferta actuală a producătorului și că acesta are un proces aprobat pentru acestea.

Inflamabilitatea, declarațiile privind lipsa halogenului, declarațiile RoHS/REACH și recunoașterea UL sunt chestiuni separate. Un laminat poate fi compatibil cu RoHS, dar nu poate îndeplini clasificarea la flacără cerută de produsul finit; o anumită construcție poate intra în afara intervalului de grosimi al unei recunoașteri. Specificațiile de achiziție trebuie să identifice dovezile de reglementare necesare și locul de fabricație căruia i se aplică. Nu deduceți certificarea dintr-un nume de familie sau din calificarea altei fabrici.

Pentru programele cu durată lungă de viață, mențineți o listă de materiale aprobate controlate, cu cel puțin o alternativă revizuită din punct de vedere tehnic, acolo unde este posibil. Alternativa trebuie evaluată înainte de o întrerupere a aprovizionării, nu introdusă în timpul unei lipse fără o revizuire a impedanței, laminării și fiabilității. Responsabilitățile privind ultima achiziție, notificarea modificărilor și recalificarea trebuie incluse în acordul cu furnizorul.

Aprobarea selecției materialelor

O decizie privind materialul este gata de emisie la momentul achiziționării, limbajul constructiv, construcția stackup-ului și modelele electrice se referă la aceeași clasă și construcție. Descrieri generice precum „Tg ridicat”, „pierderi reduse” sau „echivalent” sunt insuficiente atunci când impedanța, pierderea de inserție sau expunerea termică repetată contează.

• Menționați gradul aprobat sau lista de materiale aprobate și procesul de substituire în scris.
• Identificați construcțiile miezului și ale prepreg-ului, conținutul de rășină, stilul sticlei și profilul de cupru utilizate de modele.
• Înregistrați metoda de testare Dk/Df, frecvența și dacă valoarea este o valoare din fișa tehnică a laminatului sau un model de proiectare.
• Verificați istoricul termic de la laminarea secvențială, prin umplere, finisare, refacere a ansamblului și refacerea preconizată.
• Confirmați disponibilitatea, cantitatea minimă de achiziție, riscul aferent timpului de livrare, statutul de reglementare și nevoile de aprovizionare pe termen lung.
• Solicitați o revizuire a calculului stackup-ului și a impedanței ori de câte ori o substituție aprobată modifică construcția.

Cel mai bun material este sistemul calificat, cel mai puțin costisitor, care satisface toate cerințele electrice, mecanice, termice și de alimentare. Un sistem de rășină premium nu poate compensa o cale de retur slabă, rezonanță prin stub sau substituție necontrolată.

Dosar de calificare a materialelor pentru producție repetată

Programele care depind de pierderi electrice, expunere termică repetată sau durată lungă de viață ar trebui să păstreze un dosar de materiale, mai degrabă decât doar o denumire comercială a furnizorului. Dosarul face ca comenzile repetate, revizuirile de la surse alternative și analiza defecțiunilor să fie mai fiabile.

• producător, gradul exact, revizia și statutul de reglementare;
• construcții de miez/prepreg aprobate și stiluri de sticlă disponibile;
• tipul de folie de cupru și tratamentul utilizat pe fiecare strat de semnal controlat;
• Sursa de date Dk/Df, metoda de testare, frecvența și ipotezele modelului de proiectare;
• date termice relevante pentru secvența reală a procesului, inclusiv laminarea și expunerea la asamblare;
• calificarea procesului sau dovada primului articol pentru găuri placate, microvii și legături hibride;
• instrucțiuni de depozitare, termen de valabilitate, coacere și manipulare a umidității, dacă este cazul;
• alternative aprobate și condițiile care declanșează recalificarea electrică sau a fiabilității.

Îmbătrânirea și disponibilitatea materialului contează, de asemenea. Un laminat poate rămâne adecvat din punct de vedere tehnic, devenind în același timp impracticabil din punct de vedere comercial, deoarece o grosime a miezului, un stil de sticlă sau o opțiune de cupru sunt întrerupte. Prin urmare, ar trebui să aibă loc o revizuire periodică a ciclului de viață înainte ca ultima construcție aprobată să devină indisponibilă. Atunci când este introdusă o nouă revizuire a unei familii de materiale, comparați datele de procesare și construcție în loc să presupuneți că denumirea comercială garantează interschimbabilitatea.

Pentru construcțiile hibride, păstrați ipotezele privind stratul de legătură, oxidul sau tratamentul alternativ și laminarea împreună cu materialul stratului de semnal. Dielectricul care transportă semnalul poate primi cea mai mare atenție, dar interfața dintre sistemele de materiale controlează adesea comportamentul dimensional și fiabilitatea pe termen lung.