10-шарові матеріали для друкованих плат FR-4, низьковтратних та радіочастотних плат

Вибір матеріалу для 10-шарової друкованої плати – це не таблиця пошуку, яка перетворює назву інтерфейсу на марку ламінату. Плата з DDR5, PCI Express або високошвидкісними SerDes може бути виготовлена ​​на кількох системах смол, залежно від довжини каналу, профілю міді, геометрії доріжок, втрат роз'єму, переходів між контактами, впливу температури та можливостей еквалайзера приймача. І навпаки, короткий маршрут може не вийти з ладу на дорогому ламінаті, якщо зворотний шлях, поле перехідного отвору або перехід опорної площини погані.

У цьому посібнику вибір матеріалу розглядається як інженерне рішення, а не як маркетингова ієрархія. У ньому пояснюється, що означають опубліковані властивості, де можна порівняти номери в технічних паспортах, як мідь та скло впливають на готовий канал, і що необхідно контролювати, коли два матеріали поєднуються в одному стеку. Вибір, специфічний для проекту, слід переглянути разом із 10-шаровим стеком та планом високошвидкісного каналу, перш ніж заморожувати макет.

Почніть з вимог щодо електрообладнання та надійності

Корисний вибір матеріалу починається з умов, які має витримувати готова плата, та електричних характеристик, які має забезпечувати прокладений канал. Мінімальний набір вхідних даних – це спектр сигналізації або маска відповідності, максимальна довжина прокладеного каналу, допустимі втрати на внесення, очікувана кількість та тип переходів, розташування опорної площини, профіль складання, діапазон температур виробу та необхідний клас надійності. Потім матеріал вибирається як одна частина загального бюджету втрат та надійності.

«Висока температура нагрівання», «низькі втрати» та «РЧ-матеріал» – це категорії, а не повні специфікації. Вибраний сорт, вміст смоли, тип скла, товщина осердя, конструкція препрегу та мідна фольга повинні бути визначені до того, як остаточна геометрія імпедансу або моделювання каналу вважатиметься опублікованою.

Як читати паспорт даних ламінату без змішування методів випробувань

Опубліковані значення часто вимірюються різними методами. Фіксоване значення смужкової лінії, значення резонатора та розрахункове значення, отримане з імпедансу, не є взаємозамінними, навіть якщо вони повідомляються на одній частоті. Дані також можуть описувати номінальну систему смоли, а не точну конструкцію зі скла та смоли, яка використовується в об'єднанні. З цієї причини одне число Dk, скопійоване в польовий вирішувач, може призвести до правдоподібної, але неточної ширини сліду.

Для імпедансу виробник зазвичай використовує калібровану в процесі «розрахункову Dk» або емпіричну модель, пов'язану з певною конструкцією матеріалу. Для моделювання вставних втрат модель повинна додатково визначати шорсткість міді та, на вищих частотах, фактичний тип скла або еквівалентне анізотропне представлення. Модель, що використовується для проектування, та матеріал, що постачається при покупці, повинні стосуватися однієї й тієї ж конструкції.

Сімейства матеріалів, що використовуються в 10-шарових платах

Звичайні та високотемпературні системи FR-4

FR-4 охоплює широке сімейство термореактивних ламінатів, армованих скловолокном. Він підходить для багатьох промислових, контрольних, силових та цифрових плат середньої швидкості, але точний сорт все ще має значення. Десятишарова плата з кількома циклами оплавлення, гальванічними отворами з високим співвідношенням сторін або послідовним ламінуванням може вимагати меншого розширення по осі Z, тривалішого часу розшарування та кращих характеристик CAF, ніж простий двошаровий продукт. «Відповідність RoHS» не означає автоматично, що кожен сорт FR-4 підходить для кожного профілю складання без використання свинцю.

FR-4 з високим Tg часто вибирають через запас по тепловому та розмірному балансу, а не тому, що Tg безпосередньо визначає швидкість сигналу. Короткий, добре прокладений високошвидкісний канал може працювати на хорошій системі FR-4; довший канал може вимагати менших діелектричних та провідних втрат. Рішення має прийматися на основі аналізу втрат та потреб надійності, а не на основі гасла «протокол-матеріал».

Цифрові ламінати з низькими втратами

Такі сімейства, як Panasonic MEGTRON, Isola I-Tera та аналогічні високошвидкісні системи, зменшують діелектричні втрати та зазвичай пропонуються з більш гладкими мідними варіантами. Вони не є автоматично взаємозамінними. Кожне сімейство містить кілька марок, а точні значення Dk/Df залежать від варіанта продукту, методу випробування, вмісту смоли та конструкції скла. Наприклад, у сучасній літературі щодо I-Tera MT40 представлені основні значення близько Dk 3.45 та Df 0.0031, тоді як таблиці конструкцій показують, що окремі осердя та препреги різняться. Саме ця варіація на рівні конструкції є причиною, чому затверджений стек повинен ідентифікувати більше, ніж назву сімейства.

MEGTRON 6, MEGTRON 7 та MEGTRON 8 представляють різні сімейства продуктів та рівні продуктивності. Розробник повинен вказати необхідні електричні та технологічні характеристики або точний клас, а не писати «M6 або еквівалент» та допускати неконтрольовану заміну. ​​За найвищих швидкостей передачі даних мідний варіант та архітектура перехідних отворів можуть домінувати в різниці між двома номінально низькими діелектриками.

Системи з наднизькими втратами та дуже високою швидкістю

Isola Tachyon 100G є прикладом системи з наднизькими втратами. У поточному описі продукту вказані значення Dk близько 3.02 та Df 0.0021, але детальні таблиці конструкцій знову показують варіації залежно від вмісту скла та смоли. Ці матеріали вибираються, коли це виправдовує аналіз каналу; їх не слід описувати як обов'язкові матеріали за замовчуванням для кожної конструкції 112G або PCIe.

ВЧ-ламінати на основі вуглеводнів/кераміки та ПТФЕ

Спеціальний ламінат з низькими втратами та спеціальний ламінат з низькими втратами – це термореактивні ламінати з вуглеводнів/кераміки, армовані скловолокном, а не ламінати з ПТФЕ. Спеціальний ламінат з низькими втратами має значення Dk близько 3.38 та Df 0.0027 на частоті 10 ГГц; спеціальний ламінат з низькими втратами пропонує відповідний сумісний з процесом варіант з різними електричними характеристиками та характеристиками горючості. Спеціальний ламінат з низькими втратами також постачає справжні сімейства на основі ПТФЕ, такі як вибраний ламінат з низькими втратами на основі ПТФЕ, спеціальний ламінат з низькими втратами. Правильне сімейство залежить від частоти, втрат, допуску Dk, теплового розширення, вимог до наскрізного покриття, горючості та процесу виготовлення.

Змішування радіочастотного осердя до багатошарового матеріалу FR-4 може бути ефективним, але сполучний матеріал, обробка міді, свердління та оздоблення поверхні повинні бути обрані для всієї конструкції. Одна лише назва бренду не визначає технологічний гібрид.

Поліімідні системи для гнучких та жорстко-гнучких

У гнучких схемах використовуються поліімідні плівки, клейкі системи або безклейові міднопластові ламінати, покривні шари та вибрані мідні фольги. DuPont Pyralux AP – це сімейство безклейових гнучких ламінатів; Pyralux TK призначений для гнучких застосувань з низькими втратами. Відповідний вибір залежить від міцності на вигин, кількості шарів, імпедансу, температури та процесу жорстко-гнучкого ламінування. Статичні монтажні вигини та безперервний динамічний згин – це різні конструктивні проблеми, і вони не повинні мати спільного радіуса вигину.

Мідна фольга, скляне переплетення та вміст смоли

Шорсткість міді належить до моделі втрат

На високій частоті струм стискається до поверхні провідника. Шорстка поверхня з'єднання подовжує ефективний шлях струму та збільшує втрати в провіднику. Стандартна електроосаджена фольга, фольга зі зворотною обробкою, дуже низькопрофільні та наддуже низькопрофільні вироби можуть, таким чином, створювати різні внесені втрати на одному й тому ж діелектрику. Компроміс полягає не лише в тому, що «плавніше — краще»: адгезія, обробка оксидом, хімічний склад смоли, обробка та вартість повинні залишатися сумісними з процесом виготовлення.

На виробничому кресленні має бути зазначено або затверджений клас фольги, або модель максимальної шорсткості, що використовується в моделюванні. Маркетингові маркування, такі як VLP та HVLP, не є ідеально стандартизованими серед постачальників, тому для проекту може знадобитися специфічне для постачальника позначення фольги або вимога до вимірюваної шорсткості.

Скляне переплетення змінює локальний Dk та перекіс

Ткане скло та смола мають різні діелектричні властивості. Вузька доріжка або один член диференціальної пари може проходити переважно по скляних пучках, тоді як сусідня доріжка проходити по областях, багатих на смолу, створюючи локальну невідповідність затримки. Конструкції з розтягнутим склом, діагональна трасування відносно переплетення, ширші доріжки, більший інтервал між парами, де це доречно, та випадкова орієнтація ілюстрації є варіантами зменшення цього впливу. Правильний вибір залежить від фактичного стилю скла та бюджету перекосу.

Вміст смоли також впливає на товщину пресування та ефективний коефіцієнт дифракції Dk. Препрег не є пластиковим листом фіксованої товщини: його кінцева товщина залежить від типу скла, вмісту смоли, щільності міді, циклу пресування та локального потоку смоли. Тому розрахунки штабелювання повинні використовувати модель пресування виробника, а не лише номінальну товщину за каталогом.

Гібридні стеки матеріалів та контроль заміщення

Гібридне стекування розміщує матеріал з низькими втратами або радіочастотний матеріал лише там, де він створює вимірну цінність, наприклад, навколо вибраних каналів смужкової лінії або поверхневого шару радіочастотного матеріалу. Це може зменшити витрату матеріалу, але додає інженерних зусиль. Виробник повинен кваліфікувати сполучний шар або препрег, цикл затвердіння, поток смоли, обробку внутрішнього шару, компенсацію розмірів, свердління, видалення змащення та надійність гальванічного покриття отворів для комбінованої системи.

Заміну матеріалів слід здійснювати одним із трьох способів: без письмового дозволу; заміна лише з іменованого затвердженого списку; або контрольована заміна після того, як постачальник надасть переглянутий план стека, розрахунок імпедансу та необхідні кваліфікаційні докази. «Еквівалентний клас продуктивності» не є достатнім дозволом.

Термічна надійність, HDI та вплив складання

На надійність десятишарової конструкції впливає загальна термічна історія. Звичайна багатошарова конструкція може мати один первинний цикл ламінування, тоді як конструкція HDI додає послідовні цикли нарощування та може включати заповнення міддю, планаризацію та додаткові операції затвердіння. Оздоблення поверхні, складання компонентів та повторна обробка потім додають більше експозиції. Система матеріалів повинна витримувати весь маршрут, а не лише один пік паяння.

Відповідні докази можуть включати поведінку T260/T288, коефіцієнт теплової розривної сили по осі Z, кондиціонування вологістю, моделювання паяння, мікрошліфи термічного напруження та випробування міжз'єднань. Застосовні випробування та частота вибірки повинні визначатися специфікацією продукту та ризиком. Неточно стверджувати, що певне значення Td автоматично робить матеріал «необхідним» для заданої кількості шарів нарощування. Геометрія, система смол, міднення, вологість, цикл пресування та конструкція купона – все це впливає на результат.

Для HDI товщина діелектрика під мікровідверстим отвором вибирається разом з діаметром лазера та зоною захоплення. Повторювані багатошарові мікровідверстия вимагають процесу з продемонстрованою надійністю заповнення та міжфазної поверхні. Сторінка з матеріалами повинна підтверджувати це рішення, тоді як фактичний план нарощування та приймання належать до інженерної специфікації 10-шарового HDI.

Що вказати на виробничому кресленні та в замовленні на придбання

Замовлення на придбання, в якому зазначено лише «високотемпературний FR-4» або «еквівалент MEGTRON», залишає забагато відкритих питань. У примітці до готовності матеріалу до виробництва слід вказати затверджений клас або специфікацію експлуатаційних характеристик, правило заміни, вимоги до мідної фольги, вимоги щодо займистості або нормативні вимоги, рівень відстеження матеріалу та будь-які конструктивно-специфічні електричні дані, що використовуються в проекті.

Надішліть ці нотатки разом із таблицею імпедансу та схемою розташування елементів. У посібнику з контрольованого імпедансу пояснюється, що потрібно виробнику для розрахунку та перевірки остаточної геометрії.

Вартість матеріалів без оманливих додавачів відсотків

Вартість матеріалу залежить від ціни листа, мінімальної кількості для закупівлі, розміру панелі, терміну придатності, необхідного варіанту міді, наявності препрегу та виходу повного стеку. Гібридна конструкція може зменшити дорогу діелектричну площу, але може збільшити складність закупівлі, укладання та кваліфікації. І навпаки, повна конструкція з низькими втратами іноді може спростити закупівлю та ламінування, навіть якщо сировина дорожча.

Для складання бюджету попросіть постачальника відокремити вплив системи матеріалів від циклів HDI, обробки, тестування та документації. Не розглядайте фіксований відсоток, знайдений на веб-сторінці, як цінову пропозицію. Довідник з вартості 10-шарових друкованих плат надає модель фактора витрат, яку можна використовувати для порівняння альтернатив без винаходження універсальних цінових множників.

Запит на огляд матеріалів та стеків

Наявність, регуляторний статус та довгострокові постачання

Наявність матеріалів є обмеженням конструкції, коли плата залишатиметься у виробництві протягом багатьох років. Марка може бути технічно придатною, але доступною лише для певної товщини, мідної фольги або розмірів панелей. Мінімальні кількості закупівлі, контроль терміну придатності та регіональні запаси можуть визначати час виконання прототипу. Перш ніж заморозити нішеву конструкцію, переконайтеся, що необхідні комбінації серцевини та препрегу є частиною поточної пропозиції виробника, і що виробник має затверджений процес для них.

Займистість, заяви про відсутність галогенів, декларації RoHS/REACH та визнання UL – це окремі питання. Ламінат може бути сумісним з RoHS, але не відповідати вимогам щодо вогнестійкості кінцевого продукту; певна конструкція може виходити за межі діапазону товщини, що підлягає визнанню. У специфікації закупівлі повинні бути зазначені необхідні нормативні документи та місце виробництва, до якого вони застосовуються. Не робіть висновки про сертифікацію на основі прізвища або кваліфікації іншого заводу.

Для програм тривалого терміну служби слід вести контрольований список затверджених матеріалів, щонайменше з одним технічно перевіреним альтернативним матеріалом, де це можливо. Альтернативний матеріал слід оцінювати перед перериванням постачання, а не вводити під час дефіциту без перевірки імпедансу, ламінування та надійності. Обов'язки щодо останньої покупки, повідомлення про зміни та повторної кваліфікації повинні бути включені до угоди з постачальником.

Підтвердження вибору матеріалу

Рішення щодо матеріалу готове до публікації, коли мова про закупівлю, конструкція стека та електричні моделі відносяться до одного класу та конструкції. Загальних описів, таких як «висока температура нагрівання», «низькі втрати» або «еквівалент», недостатньо, коли значення мають імпеданс, внесені втрати або багаторазовий тепловий вплив.

• Вкажіть затверджений перелік сортів або затверджених матеріалів та письмову процедуру заміни.
• Визначте конструкції серцевини та препрегу, вміст смоли, тип скла та мідний профіль, що використовуються в моделях.
• Запишіть метод випробування Dk/Df, частоту та чи є значення значенням з технічного паспорта ламінату чи конструкторською моделлю.
• Перевірте історію термічних процесів від послідовного ламінування, через заповнення, фінішну обробку, пакування складання та очікувану повторну обробку.
• Підтвердьте наявність, мінімальну кількість закупівлі, ризик, пов'язаний з часом виконання замовлення, регуляторний статус та довгострокові потреби в постачаннях.
• Вимагати перегляду розрахунку стеку та імпедансу щоразу, коли затверджена заміна змінює конструкцію.

Найкращий матеріал – це найменш дорога кваліфікована система, яка повністю задовольняє електричні, механічні, теплові та електроживильні вимоги. Високоякісна система зі смоли не може компенсувати поганий зворотний шлях, резонансний через шлейф або неконтрольоване заміщення.

Досьє кваліфікації матеріалу для повторного виробництва

Програми, що залежать від електричних втрат, багаторазового теплового впливу або тривалого терміну служби, повинні зберігати досьє на матеріал, а не лише торговельну назву постачальника. Досьє робить повторні замовлення, огляди альтернативних джерел та аналіз відмов більш надійними.

• виробник, точний сорт, версія та нормативний статус;
• затверджені конструкції серцевини/препрегу та доступні стилі скла;
• тип мідної фольги та обробка, що використовуються на кожному шарі контрольованого сигналу;
• Джерело даних Dk/Df, метод випробування, частота та припущення щодо моделі проектування;
• теплові дані, що стосуються фактичної послідовності процесу, включаючи ламінування та експозицію складання;
• кваліфікація процесу або докази першої статті для гальванічних отворів, мікровідкриттів та гібридних з'єднань;
• інструкції щодо зберігання, терміну придатності, випікання та обробки вологи, де це можливо;
• затверджені альтернативні варіанти та умови, що призводять до повторної кваліфікації електричних приладів або приладів з надійності.

Старіння та доступність матеріалу також мають значення. Ламінат може залишатися технічно придатним, але водночас стати комерційно непрактичним через зняття з виробництва товщини серцевини, стилю скла або мідного варіанту. Тому періодично слід проводити перегляд життєвого циклу, перш ніж остання затверджена конструкція стане недоступною. Коли вводиться нова версія сімейства матеріалів, порівнюйте дані щодо обробки та конструкції, замість того, щоб вважати, що торгова назва гарантує взаємозамінність.

Для гібридних конструкцій слід зберігати припущення щодо сполучного шару, оксиду або альтернативної обробки та ламінування разом із матеріалом сигнального шару. Діелектрику, що передає сигнал, може бути приділено найбільшу увагу, але інтерфейс між матеріальними системами часто контролює розмірну поведінку та довгострокову надійність.