In hoogfrequente toepassingen zoals 5G-basisstations, 77GHz millimetergolfradar, satellietcommunicatie, enz. is Rogers+fr4 hybride een industriestandaardoplossing geworden die RF-prestaties en kostenbeheersing in evenwicht brengt. Door Rogers alleen in de hoogfrequente signaallaag en fr4 in andere lagen te gebruiken, kunnen de materiaalkosten met 30% -70% worden verlaagd. Maar gemengd persen is niet simpelweg een kwestie van materiaalstapelen, en de procesuitdagingen die worden veroorzaakt door de verschillen in fysieke eigenschappen tussen de twee materialen maken het tot een ‘toetssteen’ voor het meten van de technische sterkte van hoogfrequente pcb’s.fabrikanten.
1, Wat is de moeilijkheid van het gemengde drukproces? Vier belangrijke technologische knelpunten
1.1 CTE-mismatch - de hoofdoorzaak van delaminatie en kromtrekken
Het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) is de fundamentele tegenstrijdigheid in het gemengde compressieproces, dat direct de bovengrens van de betrouwbaarheid van de gemengde compressieplaat bepaalt:
| Materiaaltype | Z--as CTE (ppm/graad C) | X/Y--as CTE (ppm/graad C) | Tg (graad) |
|---|---|---|---|
| Standaard fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Hoge Tg fr4 | 25~30 | 12~16 | Groter dan of gelijk aan 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| RogersRO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| PTFE-klasse (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Kettingstoring veroorzaakt door CTE-mismatch:
Delaminatie tussen de lagen: Wanneer de piektemperatuur bij reflow-solderen 245-260 graden C bedraagt, kan het verschil in uitzetting op de Z-as tussen de twee materialen tientallen micrometers bedragen, en kan de grensvlakschuifspanning 2-3 MPa bereiken. Als de hechtsterkte onvoldoende is, kan delaminatie direct worden uitgevoerd
Scheuren van koperen gaten: Tijdens thermische cycli wordt herhaalde trekdrukspanning geconcentreerd op de wand van het gat, en koperen gaten met een dikte van 20-25 μm zijn gevoelig voor microscheuren in het midden, wat leidt tot open circuits
Vervorming door kromtrekken: Asymmetrisch stapelen kan tot 1,2-2,5 mm/m kromtrekken, en het kromtrekken van 0,1 mm dik FR-4 gemengd met PTFE kan groter zijn dan 1,9 cm, wat ruimschoots de vereiste van 0,75% van de IPC-6012-norm overschrijdt
Impedantiestap: wanneer een signaallijn een medium kruist, wordt een voorbijgaande piek van +7 Ω gegenereerd, waardoor signaalreflectie ontstaat
Werkelijke testgegevens: Na thermische cycli bij -40 graden C ~ 85 graden C kan de delaminatiesnelheid van de niet-geoptimaliseerde gemengde drukplaat 12% bereiken en daalt de signaalstabiliteit scherp met 25%.
Het dilemma van de perstemperatuur veroorzaakt door het verschil in Tg 1,2
De optimale compressietemperatuur voor fr4 is 170 ~ 185 graden Celsius en moet volledig worden verknoopt en uitgehard
De Rogers RO4000-serie heeft een Tg van ongeveer 280 graden C en aanvaardbare temperatuurcompatibiliteit, maar PTFE-materialen zijn gevoelig voor lichte vervorming bij hoge temperaturen
Dilemma: Een te hoge temperatuur zorgt ervoor dat Rogers vervormt en de controle over de lijmstroom verliest; Als de temperatuur te laag is, zal de fr4 semi-uitgeharde plaat niet voldoende uitharden en zal de hechting tussen de lagen onvoldoende zijn
1.3 Mismatch diëlektrische constante - probleem met discontinuïteit van de impedantie
Rogers RO4350B:Dk≈3,48,Df≈ 0,0037@10GHz
Standaard FR-4: Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025@10GHz
Onder dezelfde lijnbreedte kan, wanneer het signaal van Rogers naar het fr4-gebied gaat, de impedantie-offset enkele ohm bereiken. Cross-layer-schakeling van hoogfrequente signaallijnen kan ernstige signaalreflectie en verslechtering van het invoegverlies veroorzaken.
1.4 PTFE-materiaal heeft een extreem lage oppervlakte-energie - inherent gebrek aan hechtsterkte
De oppervlakte-energie van op PTFE gebaseerde Rogers-materialen bedraagt slechts 18-20 mN/m (fr4 is ongeveer 40-50 mN/m), en hun natuurlijke hydrofobiciteit en chemische inertheid leiden tot:
Slechte hechting op koperfolie en halfuitgeharde plaat
Indien niet geactiveerd, is de grensvlakafpelsterkte veel lager dan die tussen fr4-lagen
Bij thermische schokken is het gevoelig voor delaminatie, barsten en loslaten van koper in de poriën
2, Hoe kan Rogers+fr4 goed worden ingedrukt? Volledige procestechnologie-oplossing
Stap 1: Materiaalselectie - De CTE-kloof ten opzichte van de bron verkleinen
Voorkeur 'mengbaar' Rogers-materiaal:
Aanbevolen RO4000-serie: RO4350B, RO4003C, RO4835 zijn speciaal ontworpen om te worden gemengd met fr4, met een X/Y-as CTE van 10-14 ppm/graad C, dichtbij FR-4's 12-16 ppm/graad C
Optimale oplossing voor keramische vulling: De CTE van de Z--as van RO4835 is 28 ppm/graad C, wat het verschil met hoge Tg fr4 (25 ppm/graad C) verkleint tot binnen 10%, en het risico op thermische spanningsmismatch minimaliseert
PTFE-materiaal moet met voorzichtigheid worden gebruikt: als het nodig is om PTFE-substraten zoals RT/duroid 5880 te gebruiken, moet de RO4350B aan beide zijden worden geconfigureerd als overgangslaag om een geleidelijke CTE-gradiënt te vormen
fr4 moet worden opgewaardeerd naar een materiaal met een hoge Tg:
Door gebruik te maken van lage CTE fr4 met Tg groter dan of gelijk aan 170 graden C, kan de CTE op de Z--as worden geoptimaliseerd tot 25-30 ppm/graad C
Het is verboden om gewone Tg=130~140 graden C FR-4 te gebruiken voor gemengde compressie, omdat de betrouwbaarheid van thermische cycli niet kan worden gegarandeerd
Stap 2: Stapelontwerp - Symmetrie is een ijzeren wet
Het afdwingen van 100% spiegelsymmetrisch stapelen is de meest effectieve manier om kromtrekken te beheersen:
Het materiaaltype, de dikte, de koperdikte en het PP-model van de bovenste en onderste diëlektrische lagen moeten volledig symmetrisch zijn, met de PCB-middenlaag als symmetrieas
De hoogfrequente lagen moeten symmetrisch in paren zijn gerangschikt en het is ten strengste verboden om slechts één laag hoogfrequent substraat aan één kant te plaatsen
Typisch voorbeeld van een 6-laags gemengde drukstructuur:
TekstL1: RO4350B (hoog-signaallaag) L2: PP (RO4450F) L3: hoge Tg fr4 (formatie) L4: hoge Tg fr4 (vermogenslaag) L5: hoge Tg fr4 (formatie) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (hoog-signaallaag) ← Spiegelsymmetrie met L1
Typische structuur met 10 lagen: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Werkelijke testresultaten: Symmetrisch stapelen kan de kromtrekking na thermische cycli verminderen van 1,2% tot binnen 0,5%.