Материалы для 10-слойных печатных плат из материала FR-4, для низкопотерных и радиочастотных плат.

Выбор материала для 10-слойной печатной платы — это не таблица соответствия, которая преобразует название интерфейса в марку ламината. Плата с DDR5, PCI Express или высокоскоростным SerDes может быть изготовлена ​​на нескольких полимерных системах в зависимости от длины канала, профиля меди, геометрии дорожек, потерь в разъемах, переходов через переходные отверстия, температурного воздействия и возможностей эквализации приемника. И наоборот, короткий путь может выйти из строя на дорогостоящем ламинате, если обратный путь, поле переходных отверстий или переход в опорной плоскости имеют плохое качество.

В данном руководстве выбор материала рассматривается как инженерное решение, а не как маркетинговая иерархия. В нем объясняется, что означают опубликованные свойства, где можно сравнивать номера из технических паспортов, как медь и стекло влияют на готовый канал и что необходимо контролировать при сочетании двух материалов в одной конструкции. Выбор, специфичный для конкретного проекта, следует рассматривать совместно с... 10-слойный стек и высокоскоростной план каналов до того, как макет будет зафиксирован.

Начните с требований к электрооборудованию и надежности.

Выбор подходящего материала начинается с условий, в которых должна работать готовая плата, и электрических характеристик, которые должен обеспечивать проложенный канал. Минимальный набор входных параметров включает в себя спектр сигналов или маску соответствия, максимальную длину трассировки, допустимые потери на входе, ожидаемое количество и тип переходных отверстий, расположение опорной плоскости, профиль сборки, диапазон температур изделия и требуемый класс надежности. Затем материал выбирается как часть общего бюджета потерь и надежности.

«Высокая температура стеклования», «низкие потери» и «ВЧ-материал» — это категории, а не полные технические характеристики. Перед выпуском окончательной геометрии импеданса или моделирования канала необходимо указать выбранный сорт, содержание смолы, тип стекла, толщину сердечника, конструкцию препрега и медную фольгу.

Как читать технические характеристики ламината, не смешивая методы испытаний.

Опубликованные значения часто измеряются разными методами. Значение для полосковой линии с зажимом, значение для резонатора и расчетное значение, полученное на основе импеданса, не являются взаимозаменяемыми, даже если они приводятся на одной и той же частоте. Данные также могут описывать номинальную систему смол, а не точную конструкцию из стекла и смолы, используемую в многослойной структуре. По этой причине одно значение Dk, скопированное в программу для расчета поля, может дать правдоподобную, но неточную ширину трассы.

Для расчета импеданса производитель обычно использует откалиброванное в процессе производства «расчетное значение Dk» или эмпирическую модель, связанную с конкретной конструкцией материала. Для моделирования потерь на вставке модель должна дополнительно определять шероховатость меди и, на более высоких частотах, фактический тип стекла или эквивалентное анизотропное представление. Модель, используемая для проектирования, и материал, поставляемый заказчиком, должны соответствовать одной и той же конструкции.

Семейства материалов, используемые в 10-слойных печатных платах

Традиционные и высокотемпературные системы FR-4

FR-4 охватывает широкое семейство термореактивных ламинатов, армированных стекловолокном. Он подходит для многих промышленных, контрольных, силовых и среднескоростных цифровых плат, но точный марка все равно имеет значение. Десятислойная плата с многократными циклами оплавления, металлизированными отверстиями с высоким соотношением сторон или последовательным ламинированием может потребовать меньшего расширения по оси Z, большего времени расслоения и лучших характеристик CAF, чем простая двухслойная плата. «Соответствие RoHS» не означает автоматически, что каждая марка FR-4 подходит для любого профиля бессвинцовой сборки.

Высокотемпературный FR-4 часто выбирают из-за запаса прочности по температуре и размерам, а не потому, что температура стеклования напрямую определяет скорость сигнала. Короткий, хорошо проложенный высокоскоростной канал может работать в хорошей системе на основе FR-4; более длинный канал может потребовать меньших диэлектрических и проводниковых потерь. Решение должно приниматься на основе анализа потерь и требований к надежности, а не на основе принципа «от протокола к материалу».

Цифровые ламинаты с низкими потерями

Семейства, такие как Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera и аналогичные высокоскоростные системы, снижают диэлектрические потери и обычно предлагаются с более гладкими медными покрытиями. Они не являются автоматически взаимозаменяемыми. Каждое семейство включает в себя несколько марок, и точные значения Dk/Df зависят от варианта продукта, метода испытаний, содержания смолы и конструкции стекловолокна. Например, в текущей документации по I-Tera MT40 указаны значения Dk около 3.45 и Df 0.0031, в то время как таблицы конструкции показывают, что отдельные сердечники и препреги различаются. Именно это различие на уровне конструкции является причиной того, почему в утвержденной схеме укладки необходимо указывать не только название семейства.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 и MEGTRON 8 представляют собой разные семейства продуктов и уровни производительности. Разработчик должен указывать требуемые электрические и технологические характеристики или точный класс, а не писать «M6 или эквивалент» и допускать неконтролируемую замену. При самых высоких скоростях передачи данных медь и архитектура переходных отверстий могут доминировать в разнице между двумя диэлектриками с номинально низкими потерями.

Системы со сверхнизкими потерями и очень высокой скоростью

Isola Tachyon 100G — пример системы со сверхнизкими потерями. В текущем техническом описании указаны значения Dk около 3.02 и Df 0.0021, но подробные таблицы характеристик конструкции снова показывают вариации в зависимости от содержания стекла и смолы. Эти материалы выбираются, когда анализ канала это оправдывает; их не следует описывать как обязательный вариант по умолчанию для каждой конструкции 112G или PCIe.

Радиочастотные ламинаты на основе углеводородов, керамики и ПТФЭ

Rogers RO4003C и RO4350B — это термореактивные ламинаты на основе углеводородов и керамики, армированные тканым стекловолокном, а не ламинаты из ПТФЭ. Значения диэлектрической проницаемости RO4003C составляют около 3.38 и коэффициента деформационной способности Df 0.0027 на частоте 10 ГГц; RO4350B представляет собой аналогичный, совместимый с технологическим процессом вариант с другими электрическими характеристиками и огнестойкостью. Rogers также поставляет настоящие семейства на основе ПТФЭ, такие как отдельные продукты RT/duroid и RO3000. Выбор правильного семейства зависит от частоты, потерь, допуска Dk, теплового расширения, требований к металлизированным сквозным отверстиям, огнестойкости и технологического процесса изготовления.

Включение радиочастотного сердечника в многослойную структуру из материала FR-4 может быть эффективным, но при этом необходимо тщательно выбирать материал для склеивания, обработку меди, сверление и финишную обработку поверхности для всей конструкции. Одного лишь названия бренда недостаточно для определения возможности производства гибридного изделия.

Полиимидные системы для гибких и жестко-гибких конструкций.

В гибких печатных платах используются полиимидные пленки, клеевые системы или бесклеевые медные ламинаты, защитные покрытия и отдельные виды медной фольги. DuPont Pyralux AP — это семейство бесклеевых гибких ламинатов; Pyralux TK предназначен для гибких применений с меньшими потерями. Правильный выбор зависит от режима изгиба, количества слоев, импеданса, температуры и процесса жестко-гибкого ламинирования. Статические изгибы при монтаже и непрерывное динамическое изгибание — это разные задачи проектирования, и для них не следует использовать один общий параметр радиуса изгиба.

Медная фольга, стекловолокно и смола

Шероховатость меди учитывается в модели потерь.

На высоких частотах ток концентрируется у поверхности проводника. Шероховатая поверхность соединения удлиняет эффективный путь тока и увеличивает потери в проводнике. Поэтому стандартная электроосажденная фольга, фольга с обратной обработкой, изделия со сверхнизким и сверхнизким профилем могут иметь разные вносимые потери на одном и том же диэлектрике. Компромисс заключается не просто в принципе «чем глаже, тем лучше»: адгезия, обработка оксида, химический состав смолы, удобство обращения и стоимость должны оставаться совместимыми с процессом изготовления.

На чертеже для изготовления следует указать либо утвержденный класс фольги, либо модель максимальной шероховатости, используемую в моделировании. Маркировка, такая как VLP и HVLP, не является идеально стандартизированной у разных поставщиков, поэтому для проекта может потребоваться обозначение фольги, специфичное для конкретного поставщика, или измеримое требование к шероховатости.

Стекловолокно изменяет локальные значения Dk и перекоса.

Плетеное стекло и смола обладают разными диэлектрическими свойствами. Узкая дорожка или один элемент дифференциальной пары может преимущественно проходить по пучкам стекла, в то время как соседняя дорожка проходит по областям, богатым смолой, создавая локальное несоответствие задержки. Для смягчения этой проблемы можно использовать конструкции с распределенным стеклом, диагональную трассировку относительно плетения, более широкие дорожки, большее расстояние между парами там, где это необходимо, и случайную ориентацию графического изображения. Правильный выбор зависит от конкретного типа стекла и допустимого перекоса.

Содержание смолы также влияет на толщину прессования и эффективную диэлектрическую проницаемость (Dk). Препрег не является пластиковым листом фиксированной толщины: его конечная толщина зависит от типа стекловолокна, содержания смолы, плотности меди, цикла прессования и локального потока смолы. Поэтому при расчетах накопления следует использовать модель прессования, разработанную производителем, а не только номинальную толщину, указанную в каталоге.

Совокупность гибридных материалов и контроль замещения

В гибридной многослойной конструкции низкопотерный или ВЧ-материал размещается только там, где он создает измеримую ценность, например, вокруг выбранных каналов полосковых линий или ВЧ-поверхностного слоя. Это может снизить расход материала, но увеличивает объем инженерных работ. Изготовитель должен проверить надежность связующего слоя или препрега, цикл отверждения, текучесть смолы, обработку внутреннего слоя, компенсацию размеров, сверление, удаление загрязнений и надежность металлизированных отверстий для объединенной системы.

Замена материалов должна осуществляться одним из трех способов: замена без письменного разрешения запрещена; замена только из указанного утвержденного списка; или контролируемая замена после того, как поставщик предоставит пересмотренную структуру материалов, расчет импеданса и необходимые подтверждающие документы. «Эквивалентный класс характеристик» не является достаточным основанием для разрешения.

Термостойкость, индекс теплового воздействия и воздействие при сборке.

Надежность десятислойной конструкции зависит от общей термической истории. В обычной многослойной конструкции может быть один основной цикл ламинирования, в то время как в конструкции HDI добавляются последовательные циклы наращивания, а также могут включаться заполнение медью, выравнивание и дополнительные операции отверждения. Обработка поверхности, сборка компонентов и доработка затем увеличивают воздействие внешних факторов. Материальная система должна выдерживать весь процесс, а не только один пик оплавления.

К соответствующим доказательствам могут относиться поведение при температурах T260/T288, коэффициент теплового расширения по оси Z, увлажнение, моделирование оплавления, микросрезы термических напряжений и тестирование межсоединений. Применимые испытания и частота выборки должны быть определены в соответствии со спецификацией продукта и рисками. Неверно утверждать, что определенное значение Td автоматически делает материал «необходимым» для заданного количества слоев наплавки. Геометрия переходных отверстий, система смол, меднение, влажность, цикл прессования и конструкция образца — все это влияет на результат.

Для HDI толщина диэлектрика под микроотверстием выбирается вместе с диаметром лазера и контактной площадкой захвата. Для многослойных микроотверстий требуется процесс с доказанной надежностью заполнения и межфазного взаимодействия. Решение должно быть обосновано описанием материала, а фактический план сборки и приемки должен быть представлен в документации. Технические характеристики 10-слойного HDI.

Что следует указать на чертеже для изготовления и в заказе на закупку?

Заказ на закупку, в котором указано только «высокотемпературный FR-4» или «эквивалент MEGTRON», оставляет слишком много неопределенностей. В сопроводительной документации к материалу, готовой к производству, должны быть указаны утвержденный сорт или технические характеристики, правила замены, требования к медной фольге, требования к воспламеняемости или нормативные требования, уровень прослеживаемости материала и любые специфические для конструкции электрические данные, используемые в проекте.

Приложите эти заметки к таблице импедансов и сводной таблице. руководство с контролируемым импедансом В документе объясняется, что необходимо изготовителю для расчета и проверки окончательной геометрии.

Стоимость материалов без вводящих в заблуждение процентных надбавок

На стоимость материалов влияют цена листа, минимальное количество закупаемого материала, полезный размер панели, срок годности, необходимый вариант медной изоляции, наличие препрега и выход годной продукции всей многослойной структуры. Гибридная конструкция может уменьшить дорогостоящую площадь диэлектрика, но может усложнить закупку, укладку и квалификацию. И наоборот, полностью низкопотерная конструкция иногда может упростить закупку и ламинирование, даже несмотря на более высокую стоимость сырья.

При составлении бюджета попросите поставщика отделить влияние системы материалов от циклов HDI, отделки, испытаний и документации. Не рассматривайте фиксированный процент, указанный на веб-странице, как коммерческое предложение. руководство по стоимости 10-слойных печатных плат Предлагается модель факторов, влияющих на стоимость, которую можно использовать для сравнения альтернатив без изобретения универсальных ценовых мультипликаторов.

Запросить проверку материалов и структуры слоев

Наличие, нормативно-правовой статус и долгосрочные поставки

Доступность материалов является ограничивающим фактором при проектировании печатных плат, которые будут выпускаться в течение многих лет. Марка материала может быть технически подходящей, но доступна только в определенных толщинах, с определенным количеством медной фольги или в определенных размерах панелей. Минимальные объемы закупки, контроль срока годности и региональные складские запасы могут существенно влиять на сроки изготовления прототипа. Перед утверждением нишевой конструкции необходимо убедиться, что требуемые комбинации сердечника и препрега входят в текущий ассортимент производителя и что у изготовителя есть утвержденный технологический процесс для их производства.

Воспламеняемость, отсутствие галогенов, соответствие требованиям RoHS/REACH и сертификация UL — это отдельные вопросы. Ламинат может соответствовать требованиям RoHS, но не отвечать требованиям огнестойкости конечного продукта; конкретная конструкция может выходить за пределы диапазона толщины, установленного сертификацией. В технической документации должны быть указаны необходимые нормативные документы и производственная площадка, к которой они относятся. Не следует делать вывод о сертификации на основании фамилии производителя или квалификации другого предприятия.

Для программ с длительным сроком службы необходимо вести контролируемый список утвержденных материалов, включающий, по возможности, как минимум один технически обоснованный альтернативный вариант. Альтернативный вариант должен быть оценен до перебоев в поставках, а не использоваться во время дефицита без проверки на устойчивость, ламинирование и надежность. В соглашение с поставщиком должны быть включены обязанности по последней закупке, уведомлению об изменениях и повторной квалификации.

Утверждение выбора материалов

Решение о выборе материала принимается, когда в формулировках, конструктивных особенностях и электрических моделях используются обозначения одного и того же класса и конструкции. Общие описания, такие как «высокая температура стеклования», «низкие потери» или «эквивалент», недостаточны, когда важны импеданс, вносимые потери или многократное воздействие тепла.

• Укажите утвержденный сорт или список утвержденных материалов, а также письменную процедуру замены.
• Определите конструкцию сердечника и препрега, содержание смолы, тип стекловолокна и профиль меди, используемые в моделях.
• Запишите метод испытания Dk/Df, частоту и то, является ли полученное значение значением из технического паспорта ламината или значением, полученным на основе проектной модели.
• Проверьте термическую историю последовательного ламинирования, заполнения, финишной обработки, оплавления при сборке и ожидаемой доработки.
• Уточните наличие товара, минимальный объем закупки, риски, связанные со сроками поставки, нормативно-правовой статус и долгосрочные потребности в поставках.
• При каждом изменении конструкции в результате утвержденной замены требуется пересмотр расчета суммарного сопротивления и импеданса.

Наилучшим материалом является наименее дорогая, но качественная система, удовлетворяющая всем электрическим, механическим, тепловым требованиям и требованиям к электроснабжению. Высококачественная смоляная система не может компенсировать плохой обратный путь, резонанс через отводы или неконтролируемую замену.

Документация по квалификации материалов для повторного производства

Программы, зависящие от потерь электроэнергии, многократного воздействия высоких температур или длительного срока службы, должны содержать досье на материалы, а не только торговое наименование поставщика. Досье повышает надежность повторных заказов, анализа альтернативных поставщиков и анализа отказов.

• производитель, точный сорт, редакция и нормативный статус;
• утвержденные конструкции из препрега и доступные варианты остекления;
• Тип и обработка медной фольги, используемые на каждом слое управляемого сигнала;
• Источник данных Dk/Df, метод испытаний, частота и допущения, лежащие в основе проектной модели;
• Тепловые данные, относящиеся к фактической последовательности процесса, включая условия ламинирования и сборки;
• Квалификация процесса или подтверждение получения первого образца для гальванизированных отверстий, микроотверстий и гибридных соединений;
• Инструкции по хранению, сроку годности, выпечке и обращению с влагой (где это применимо);
• утвержденные альтернативные варианты и условия, которые приводят к повторной аттестации по электрическим параметрам или надежности.

Старение материала и его доступность также имеют значение. Ламинат может оставаться технически пригодным, но при этом становиться коммерчески нецелесообразным из-за снятия с производства варианта толщины сердцевины, типа стекловолокна или медного покрытия. Поэтому периодический анализ жизненного цикла следует проводить до того, как последний утвержденный вариант конструкции станет недоступным. При выпуске новой версии семейства материалов следует сравнивать данные по обработке и конструкции, а не предполагать, что торговое наименование гарантирует взаимозаменяемость.

При гибридных конструкциях следует сохранять предположения о слоистой структуре, оксидной или альтернативной обработке и ламинировании, а также о материале сигнального слоя. Диэлектрику, несущему сигнал, может уделяться наибольшее внимание, но интерфейс между материальными системами часто определяет размерные характеристики и долговременную надежность.