Auswahl von FR4-Alternativen für PCB-Substratmaterialien für mehrlagige Platinen

Manchmal lohnt es sich, gegen den Strom zu schwimmen. FR4-Substrate sind bei weitem die beliebteste Option, die Sie von Herstellern finden werden, und jeder Hersteller hat seinen bevorzugten Lieferanten. Sie möchten jedoch alternative PCB-Substratmaterialien für eine Mehrlagenplatine in Betracht ziehen. Obwohl es mehrere Hersteller von PCB-Laminatmaterialien gibt, ist die breite Klasse der verfügbaren Substrate etwas begrenzt.

Wenn Sie ein Gerät bauen müssen, das für extreme Umgebungen, wiederholte thermische Zyklen oder Hochgeschwindigkeits-/RF-Geräte spezialisiert ist, gibt es alternative Materialien für Mehrlagen-PCB-Substrate, die eine bessere Wahl sein könnten. Ich werde einige Beispiele in diesem Artikel zeigen, obwohl ich mein Bestes tun werde, herstellerneutral zu bleiben. Wichtiger ist es, die Kriterien für die Auswahl einer Alternative zu einem FR4-Substrat zu verstehen, und ich werde die Kriterien bereitstellen, die für verschiedene Anwendungen wichtig sind.

Sie müssen sich nicht mit einem FR4-Substrat zufriedengeben

Was wir "FR4" nennen, ist eigentlich eine Bezeichnung der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) für eine Klasse von Materialien; es ist nicht ein spezifisches Material oder sogar eine spezifische Materialzusammensetzung. Diese PCB-Laminate entsprechen dem UL94V-0-Standard zur Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien.

Nachteile von FR4

Während FR4 bei weitem das beliebteste Substratmaterial für ein- und mehrlagige PCBs ist, hat es seine Nachteile:

• Geringe Wärmeleitfähigkeit: Wie andere elektrische Isolatoren ist auch FR4 ein schlechter Wärmeleiter im Vergleich zu anderen Materialien, die für die Unterstützung von gedruckten Schaltungen geeignet sind.
• Mäßig verlustbehaftet: FR4-Substratlaminaten sind für ihre verlustbehaftete Eigenschaft bekannt, gegeben durch ihren Verlustwinkel von ~0,02 bei etwa 1 GHz. Das Verlegen von Streifenleitungen oder einem substratintegrierten Wellenleiter gewährleistet eine hohe Isolation von anderen Signalen, aber auf Kosten einer größeren Dämpfung, da das Signal den gesamten Verlustwinkel sieht.
• Faserweb-Effekte: Bei mehreren 10 GHz erzeugt das Glasgewebe, das in FR4-Laminaten verwendet wird, interessante Effekte wie akkumulierte Verzögerungen und resonante Verluste entlang des Signalübertragungswegs.
• Unstimmigkeit mit Kupfer-CTE: Der Z-Achsen-Ausdehnungskoeffizient (CTE) der meisten FR4-Laminate weist eine große Unstimmigkeit mit Kupfer auf (typischerweise FR4:Cu = ~3:1). Dies ist nur ein größeres Problem bei wiederholtem thermischen Zyklus oder extremen Temperaturschwankungen über der Glasübergangstemperatur.

Für einfache Entwürfe, die mit niedriger Geschwindigkeit/niederfrequenz laufen und die nicht zu heiß werden oder in einer extremen Umgebung betrieben werden, werden diese Nachteile wahrscheinlich keine Rolle spielen. Für modernere Entwürfe ist es wichtig, zumindest Alternativen zu FR4 in Betracht zu ziehen. Bevor Sie mit dem Entwerfen um ein alternatives PCB-Substratmaterial beginnen, sprechen Sie mit einigen Herstellern, um zu sehen, mit welchen Materialien sie in ihrem Prozess arbeiten können und welche Schichtdicken sie in ihren Stackups empfehlen. Sie werden Ihnen eine PCB-Stackup-Tabelle zurücksenden, wie die im Bild unten gezeigte.

Thermische Anforderungen und Zuverlässigkeit

Angesichts der thermischen Anforderungen in modernen PCBs, die mit hoher Geschwindigkeit und/oder hoher Frequenz betrieben werden, und angesichts der rauen Umgebungen, in denen diese Systeme eingesetzt werden, könnte es sinnvoll sein, ein anderes Material für Ihr nächstes PCB zu verwenden. Sie haben einige Optionen für Substratmaterialien oder einige alternative Designentscheidungen, um in einigen Anwendungen mit hoher Hitze umzugehen.

Die Verwendung einer Platine mit höherer Wärmeleitfähigkeit ermöglicht es der Wärme, sich leicht über die gesamte Platine zu verteilen, sodass Ihre Platine bei einer gleichmäßigeren Temperatur arbeiten kann. FR4-Platinen mit Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzgeräten können Hotspots um die größeren Hochgeschwindigkeitsprozessoren (z.B. FPGAs oder MPUs) entwickeln. Die gesamte Wärmeleitfähigkeit der Platine kann durch die Verwendung eines alternativen Materials oder zusätzlicher Lagen erhöht werden. Bei diesen Platinen sollten Sie auf jeden Fall Kühlkörper auf wichtigen Komponenten verwenden oder möglicherweise einen Lüfter für etwas Luftstrom. Eine weitere Option ist die Verwendung eines thermischen Interface-Materials, um die Platine mit ihrem Gehäuse zu verbinden und so einen Weg für die Wärme direkt zurück zum Gehäuse zu schaffen.

Beispiele für alternative Multilayer-PCB-Substratmaterialien

In diesem Abschnitt möchte ich einige alternative Optionen vorstellen, die einige Designer möglicherweise nicht in Betracht gezogen haben. Diese alternativen Materialien zielen auf einen spezifischen Nachteil ab, der bei FR4-Substraten zu sehen ist. Es ist wichtig zu beachten, dass es kein einzelnes alternatives PCB-Substratmaterial gibt, das jeden Nachteil von FR4-Laminaten überwindet. Stattdessen müssen Sie den spezifischen Nachteil auswählen, der für Ihr System wichtig ist. Einige Beispiele finden Sie in der folgenden Tabelle:

Metallkern- oder metallgestützte Platinen

Das thermische Management in FR4-Platinen kann durch die Verwendung einer Metallkern- oder metallgestützten Platine ergänzt werden. Die große Aluminiumplatte, die in diesen Platinen verwendet wird, ermöglicht es, dass Wärme schön durch die Platine und in ein Gehäuse oder eine Hülle abgeleitet wird, was eine gleichmäßigere Temperaturverteilung gewährleistet. Dies ist nützlich in einer Reihe von Anwendungen, wie zum Beispiel Platinen für LED-Beleuchtung oder Hochleistungsregler in einzigartigen Umgebungen.

Keramiken

Alternative Materialien für Mehrlagen-PCB-Substrate bieten neben dem thermischen Management weitere Vorteile. Als Beispiel ermöglicht der Herstellungsprozess für keramische PCBs passive Komponenten in den inneren Schichten eines mehrlagigen keramischen PCBs einzubetten. Die Mischung der Materialien, die benötigt wird, um eine keramische Platine zu erstellen, erlaubt es, ihre mechanischen Eigenschaften zu justieren, während ein hohes Verhältnis von thermischer zu elektrischer Leitfähigkeit beibehalten wird. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Keramiken für PCBs liegt näher an dem der meisten Leiter, was mechanischen Stress während des Zyklus reduziert.

Komposit-Epoxidmaterial (CEM)

Eine beliebte alternative Materialgruppe, insbesondere in Asien, sind Komposit-Epoxidmaterialien (CEM), speziell CEM-3. Diese Klasse von Verbundmaterialien besteht aus gewebten Glasfaseroberflächen und einem nicht gewebten Glaskern, kombiniert mit einem Epoxidharz. Einige Hersteller vertreten die Ansicht, dass CEM-3 FR4 vollständig ersetzen sollte, da es günstiger herzustellen ist, das gleiche Niveau an Flammbeständigkeit bietet und mit den gleichen Herstellungsprozessen wie FR4 verwendet werden kann.

Die Glasübergangstemperatur von CEM-3 (ungefähr 125 °C) ist ähnlich der von FR4 (ungefähr 135 °C). Andere auf CEM basierende Materialien, zum Beispiel CEM-1 und CEM-2, haben deutlich niedrigere Glasübergangstemperaturen und sollten nicht bei mehrschichtigen Platinen verwendet werden. Die meisten Hersteller empfehlen die Verwendung von CEM-3 nur für Platinen mit einer geringen Anzahl von Schichten, obwohl es verwendet wird, um FR4-Platinen mit einer ähnlichen Anzahl von Schichten zu ersetzen.

Hochfrequenz-Laminate

Ein PCB-Laminatmaterial, das als "hochfrequent" eingestuft wird, könnte sich auf seine Nützlichkeit in zwei wichtigen Bereichen beziehen:

• Niedriger Verlustfaktor bei hohen Frequenzen, normalerweise ~0,003 oder weniger bei ~10 GHz oder höher
• Fasergewebeeffekte, obwohl diese Laminate denselben Verlustfaktor wie typische FR4-Materialien haben können

Materialien, die beide Kriterien erfüllen, werden oft in Anwendungen wie Radar-Modulen verwendet, die bei 24 GHz (kurze Reichweite), 76-77 GHz (lange Reichweite) oder 77-81 GHz (kurze Reichweite) arbeiten. Andere spezielle Anwendungen sind Bildgebungsradar, Drohnenradar, drahtlose MANs, Fernerkundung, SATCOM, Fernerkundung und vieles mehr. Im digitalen Bereich werden alternative PCB-Substratmaterialien für hohe Frequenzen benötigt, um sehr lange Kanallängen zu ermöglichen, wie bei Backplanes oder Server-Motherboards. Zum Beispiel können große 3U/6U Backplanes Kanallängen von bis zu 20 Zoll mit Bandbreiten erreichen, die über Radarfrequenzen hinausgehen. Wenn wir dieses Board auf FR4 entworfen hätten, könnten Sie das Signal aus einem so langen Kanal niemals wiederherstellen.

Wahrscheinlich sind die beiden beliebtesten Hochfrequenz-PCB-Substratmaterialien PTFE-basierte Laminate (Teflon) mit Mikroglassfüller (z.B. Rogers) und Megtron. Bei Geräten, die mit hoher Frequenz arbeiten werden, könnte die Verwendung eines dieser Hochfrequenz-PCB-Laminatmaterialien die beste Wahl sein, wenn Ihre Routing-Kanäle sehr lang sein werden. Bei kurzen Kanälen wird der Rückflussverlust der dominierende Verlustmechanismus sein

Hybridkonstruktion mit PTFE

Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzlaminate werden oft in der äußeren Schicht von Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-PCBs verwendet, um die Signalabschwächung zu reduzieren. PTFE-basierte Laminate werden normalerweise auf einen inneren Kern in Hochgeschwindigkeitsgeräten aufgebracht, was natürlich deren Verwendung mit mehrlagigen PCBs ermöglicht. Im Vergleich zu FR4 wird Teflon für GHz und höhere Frequenzen sowie Datenübertragungsraten empfohlen, da es eine viel geringere Dispersion und eine niedrigere dielektrische Konstante aufweist, was zu einer schnelleren Signalübertragungsgeschwindigkeit bei diesen hohen Geschwindigkeiten führt.

PTFE bietet auch andere Vorteile. Es absorbiert kaum Wasser, daher ist es in feuchten oder nassen Umgebungen nützlich. Es kann als Oberflächenschicht oder innere Laminatschicht mit einer Reihe von Materialien verwendet werden, sodass es verwendet werden kann, um eine Schicht mit geringen Verlusten speziell für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsignale zu bilden. Allerdings ist es teurer als FR4 und schwieriger in der Stapelkonstruktion zu verarbeiten, da es bei ~370 °C gepresst werden muss. Es hat auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als FR4, daher ist das thermische Management in PTFE-Platinen wichtig.

Leiterplatten-Laminatmaterialien für hochdichte Leiterplattendesigns

Es gibt eine Vielzahl anderer Materialien, die für Hochgeschwindigkeits-, Hochtemperatur- und HDI-Mehrschichtplatinen verwendet werden können. Standardmaterialien, die in den Bereich von FR4 oder PTFE-basierten Materialien fallen, können nur bis zu einer bestimmten Mindestdicke hergestellt werden und müssen mechanisch gebohrt werden. Diese Materialien können in HDI-PCBs mit mechanisch gebohrten Blind-/Buried-Vias verwendet werden, sind aber möglicherweise nicht mit Mikrovias kompatibel. Für HDI-PCBs und fortschrittlichere UHDI-PCBs/IC-Substrate sind alternative Materialien erforderlich; diese Alternativen müssen mit Ätz- oder Additivabscheidung sowie mit Laserbohren kompatibel sein.

Laserbohrbare Laminate

Prepregs und Kerne, die in HDI-Designs mit Mikrovias verwendet werden sollen, müssen mit dem Laserbohren kompatibel sein. Die Harzmischung, der Glasgewebestil und die Schichtdicke dieser Materialien sind alle für den Laserbohrprozess formuliert. Dies ermöglicht die Herstellung von Vias mit kleinem Durchmesser (<6 Mil Durchmesser), und angesichts der zulässigen Aspektverhältnisgrenzen für diese Strukturen ist eine dünne dielektrische Schicht erforderlich. Materialhersteller werden ihre Materialien speziell für die Verwendung in Laserbohrprozessen vermarkten, wenn die Materialien kompatibel sind.

Laserbohrbare Laminate umfassen eine Reihe von kommerziell verfügbaren Marken und Materialformulierungen, von denen einige in Slash Sheets spezifiziert sind und den IPC-Standards entsprechen. Sie beinhalten glasverstärkte Harzmaterialien, die in die Definition von FR4 passen, und diese Materialien sind von vielen beliebten Herstellern erhältlich (z.B. Isola und ITEQ). Es gibt andere Materialien, die laserbohrbar sind, aber nicht in die Definition von FR4 fallen:

• Kupferbeschichtete, harzbasierte Filme (RCC)
• Polyimid
• Faserverstärktes Polyamid (auch bekannt als Aramid)
• Bismaleimid-Triazin-Harz, auch bekannt als BT-Epoxy

Einige dieser Materialien sind sowohl für PCBs als auch für hochdichte Substrate für Halbleiterchips oder Chiplets nützlich. Zum Beispiel ist RCC eine gängige Option für den Einsatz in beiden Bereichen als Materialsystem für hochdichte Konstruktionen, die mehrere Sub-Laminierungen beinhalten.

Aufbaufolien

Der Begriff "Aufbaufolie" wird manchmal anstelle von laserbohrbarem Laminat verwendet, das in HDI-PCBs zu finden wäre. Diese Folien werden als Rollen verpackt, die dann auf die Basis-PCB-Materialien laminiert werden. Die gängigste Aufbaufolie ist Ajinomoto Buildup Film (ABF), obwohl ihre häufigste Verwendung in der Produktion von Halbleitersubstraten und nicht als PCB-Material liegt. Derzeit dominiert ABF die Lieferkette für Halbleiter-IC-Substrate, aber es kann in HDI/UHDI-PCBs verwendet werden. ABF hat auch eine relativ niedrige dielektrische Konstante (bis zu Dk = 3.3) und geringere Verluste als FR4, was es nützlich für ASICs oder Prozessoren macht, die Hochbandbreitenkanäle benötigen. Ein sehr naher Ersatz für Designs mit geringerer Dichte (subtraktive Ätzung) ist RCC, das organische Harze verwendet, die mit Kupferfolie beschichtet sind.

Dieser Film kann auf einem FR4-Kern, BT-Epoxidkern, duroplastischem Harzkern oder anderen starren organischen Kernen aufgebaut werden. Dies folgt dem Standardaufbau von HDI-Stackups mit gestapelten blinden/begrabenen Vias (Typ II), jedoch skaliert auf höhere Dichten und oft mit einem additiven Verfahren hergestellt.

Blick in die Zukunft

Da fortschrittlichere Chips ultra-dünne, niedrig-Dk-Aufbaufilme für UHDI-PCBs und Halbleiterverpackungen verlangen, ist zu erwarten, dass ABF sowohl innerhalb als auch außerhalb der Halbleiterindustrie eine größere Verwendung findet. Aufgrund der Marktdominanz von ABF bei Aufbaufilmen suchen innovative Unternehmen jedoch nach dem Aufbaufilm der Zukunft. Diese Alternativen zu FR4 für die äußere Schichtverarbeitung sollen ebenfalls ein Dk

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