Trong các ứng dụng tần số cao như trạm gốc 5G, radar sóng milimet 77GHz, truyền thông vệ tinh, v.v., Rogers+fr4 hybrid đã trở thành giải pháp tiêu chuẩn công nghiệp giúp cân bằng giữa hiệu suất RF và kiểm soát chi phí. Bằng cách chỉ sử dụng Rogers ở lớp tín hiệu tần số cao và fr4 ở các lớp khác, chi phí vật liệu có thể giảm 30% -70%. Nhưng ép hỗn hợp không chỉ đơn giản là vấn đề xếp chồng vật liệu, và những thách thức trong quá trình do sự khác biệt về tính chất vật lý giữa hai vật liệu mang lại khiến nó trở thành “tiêu chuẩn” để đo độ bền kỹ thuật của pcb tần số cao.các nhà sản xuất.
1, Khó khăn của quá trình áp suất hỗn hợp là gì? Bốn nút thắt công nghệ cốt lõi
1.1 CTE không khớp - nguyên nhân cốt lõi của hiện tượng bong tróc và cong vênh
Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là mâu thuẫn cơ bản trong quá trình nén hỗn hợp, trực tiếp quyết định giới hạn trên của độ tin cậy của tấm nén hỗn hợp:
| Loại vật liệu | Trục Z-CTE (ppm/ độ C) | Trục X/Y-CTE (ppm/ độ C) | Tg ( độ ) |
|---|---|---|---|
| tiêu chuẩn fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Tg fr4 cao | 25~30 | 12~16 | Lớn hơn hoặc bằng 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Lớp PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Lỗi dây chuyền do CTE không khớp:
Phân tách giữa các lớp: Khi nhiệt độ cao nhất của hàn nóng chảy lại là 245-260 độ C, chênh lệch độ giãn nở trục Z giữa hai vật liệu có thể đạt tới hàng chục micromet và ứng suất cắt bề mặt có thể đạt tới 2-3MPa. Nếu cường độ liên kết không đủ, có thể tiến hành tách lớp trực tiếp
Nứt lỗ đồng: Trong quá trình đạp xe nhiệt, ứng suất nén kéo lặp đi lặp lại tập trung vào thành lỗ và các lỗ đồng có độ dày 20-25 μ m dễ bị các vết nứt nhỏ ở giữa, dẫn đến hở mạch
Biến dạng cong vênh: Xếp chồng không đối xứng có thể cong vênh lên tới 1,2-2,5 mm / m và độ cong vênh của FR-4 dày 0,1mm trộn với PTFE có thể vượt quá 1,9cm, vượt xa yêu cầu 0,75% của tiêu chuẩn IPC-6012
Bước trở kháng: Khi đường tín hiệu đi qua môi trường, một đỉnh nhất thời +7 Ω được tạo ra, gây ra phản xạ tín hiệu
Dữ liệu thử nghiệm thực tế: Sau khi chu trình nhiệt ở -40 độ C ~ 85 độ C, tốc độ phân tách của tấm áp suất hỗn hợp không được tối ưu hóa có thể đạt tới 12% và độ ổn định tín hiệu giảm mạnh 25%.
Vấn đề nan giải về nhiệt độ ép do chênh lệch Tg 1.2
Nhiệt độ nén tối ưu cho fr4 là 170 ~ 185 độ C, và nó cần được liên kết ngang và xử lý hoàn toàn
Dòng Rogers RO4000 có Tg khoảng 280 độ C và khả năng tương thích nhiệt độ chấp nhận được, tuy nhiên vật liệu PTFE dễ bị biến dạng nhẹ ở nhiệt độ cao
Vấn đề nan giải: Nhiệt độ quá cao khiến Rogers bị biến dạng và mất khả năng kiểm soát dòng keo; Nếu nhiệt độ quá thấp, tấm bán bảo dưỡng fr4 sẽ không đủ cứng và độ bám dính giữa các lớp sẽ không đủ.
1.3 Vấn đề mất liên tục trở kháng - của hằng số điện môi
Rogers RO4350B:Dk≈3,48,Df≈ 0,0037@10GHz
Tiêu chuẩn FR-4: Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025@10GHz
Trong cùng một độ rộng đường truyền, khi tín hiệu đi từ Rogers vào vùng fr4, độ lệch trở kháng có thể đạt tới vài ohm. Chuyển đổi lớp chéo của các đường tín hiệu tần số cao-có thể gây ra hiện tượng phản xạ tín hiệu nghiêm trọng và suy giảm khả năng chèn.
1.4 Vật liệu PTFE có năng lượng bề mặt cực thấp - vốn thiếu độ bền liên kết
Năng lượng bề mặt của vật liệu Rogers dựa trên PTFE chỉ là 18-20 mN/m (fr4 là khoảng 40-50 mN/m), tính kỵ nước tự nhiên và tính trơ hóa học của chúng dẫn đến:
Độ bám dính kém với lá đồng và tấm bán cứng
Khi không được kích hoạt, độ bền bong tróc bề mặt thấp hơn nhiều so với độ bền giữa các lớp fr4
Dưới tác động nhiệt, nó dễ bị phân tách, nứt và tách đồng trong lỗ chân lông
2, Làm thế nào có thể ép tốt Rogers+fr4? Giải pháp công nghệ toàn diện
Bước 1: Lựa chọn vật liệu - Thu hẹp khoảng cách CTE so với nguồn
Vật liệu Rogers 'có thể trộn được' ưa thích:
Dòng RO4000 ưu tiên: RO4350B, RO4003C, RO4835 được thiết kế đặc biệt để trộn với fr4, với CTE trục X/Y là 10-14 ppm/độ C gần với 12-16 ppm/độ C của FR-4
Giải pháp tối ưu để trám gốm: CTE trục Z-của RO4835 là 28 ppm/độ C, giúp giảm chênh lệch với Tg fr4 cao (25 ppm/độ C) xuống trong khoảng 10% và giảm thiểu nguy cơ ứng suất nhiệt không khớp
Nên thận trọng khi sử dụng vật liệu PTFE: Nếu cần sử dụng các chất nền PTFE như RT/duroid 5880, RO4350B nên được cấu hình ở cả hai mặt làm lớp chuyển tiếp để tạo thành độ dốc dần dần CTE
fr4 phải được nâng cấp lên loại vật liệu có Tg cao:
Sử dụng CTE fr4 thấp với Tg Lớn hơn hoặc bằng 170 độ C, CTE trục Z-có thể được tối ưu hóa thành 25-30 ppm/độ C
Cấm sử dụng Tg=130~140 độ C FR-4 thông thường để nén hỗn hợp vì không thể đảm bảo độ tin cậy của chu trình nhiệt
Bước 2: Thiết kế xếp chồng - Tính đối xứng là một định luật sắt
Thực thi xếp chồng đối xứng gương 100% là cách hiệu quả nhất để kiểm soát cong vênh:
Loại vật liệu, độ dày, độ dày đồng và mô hình PP của lớp điện môi trên và dưới phải hoàn toàn đối xứng, với lớp trung tâm PCB là trục đối xứng
Các-lớp tần số cao phải được sắp xếp đối xứng theo cặp và nghiêm cấm chỉ đặt một lớp nền tần số cao ở một bên
Ví dụ cấu trúc hỗn hợp áp suất 6 lớp điển hình:
TextL1: RO4350B (lớp tín hiệu tần số cao-) L2: PP (RO4450F) L3: cao Tg fr4 (hình thành) L4: cao Tg fr4 (lớp năng lượng) L5: cao Tg fr4 (hình thành) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (lớp tín hiệu tần số cao{15}}) ← Đối xứng gương với L1
Cấu trúc 10 lớp điển hình: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Kết quả thử nghiệm thực tế: Xếp chồng đối xứng có thể làm giảm hiện tượng cong vênh sau chu trình nhiệt từ 1,2% xuống còn 0,5%.