Selezione di Alternative FR4 per Materiali di Substrato di PCB per Schede Multistrato

A volte, conviene andare controcorrente. I substrati in FR4 sono di gran lunga l'opzione più popolare che troverai presso i fabbricanti, e ogni fabbricante ha il suo fornitore preferito. Tuttavia, potresti voler esplorare materiali alternativi per i substrati delle schede PCB multistrato. Sebbene ci siano diversi produttori di materiali laminati per PCB, la vasta classe di substrati disponibili è in qualche modo limitata.

Se devi costruire un dispositivo specializzato per ambienti estremi, cicli termici ripetuti o dispositivi ad alta velocità/RF, ci sono materiali alternativi per i substrati delle PCB multistrato che potrebbero essere una scelta migliore. Mostrerò alcuni esempi in questo articolo, anche se farò del mio meglio per essere agnostico rispetto ai fornitori. Ciò che è più importante è capire i criteri per selezionare un'alternativa a un substrato in FR4, e fornirò i criteri importanti per varie applicazioni.

Non Devi Accontentarti di un Substrato in FR4

Quello che chiamiamo "FR4" è in realtà una designazione della National Electrical Manufacturers Association (NEMA) per una classe di materiali; non si tratta di un materiale specifico o di una composizione materiale specifica. Questi laminati per PCB sono conformi allo standard UL94V-0 sull'inflammabilità dei materiali plastici.

Svantaggi del FR4

Sebbene l'FR4 sia di gran lunga il materiale di substrato più popolare per i PCB mono e multistrato, presenta alcuni svantaggi:

• Conducibilità termica bassa: Come altri isolanti elettrici, anche l'FR4 è un cattivo conduttore termico rispetto ad altri materiali adatti a supportare circuiti stampati.
• Moderatamente dissipativo: I laminati di substrato FR4 sono noti per la loro caratteristica dissipativa, data dal loro angolo di perdita di ~0.02 a circa 1 GHz. Il routing di stripline o di un waveguide integrato nel substrato garantirà un'alta isolazione da altri segnali, ma a costo di una maggiore attenuazione poiché il segnale subisce l'intero angolo di perdita.
• Effetti della tessitura in fibra: A diverse decine di GHz, la tessitura in vetro utilizzata nei laminati FR4 crea effetti interessanti come lo skew accumulato e le perdite risonanti lungo il percorso di propagazione del segnale.
• Disaccordo con il CTE del rame: Il valore del coefficiente di espansione termica (CTE) sull'asse z della maggior parte dei laminati FR4 presenta un grande disaccordo con il rame (tipicamente FR4:Cu = ~3:1). Questo rappresenta un problema significativo solo sotto cicli termici ripetuti o escursioni di temperatura estreme al di sopra della temperatura di transizione vetrosa.

Per i progetti semplici che funzionano a bassa velocità/bassa frequenza, e che non si surriscaldano o non operano in ambienti estremi, questi svantaggi probabilmente non saranno rilevanti. Per i progetti più moderni, è importante almeno considerare alternative al FR4. Prima di iniziare a progettare utilizzando un materiale alternativo per il substrato della PCB, parlate con alcuni fabbricanti per vedere con quali materiali possono lavorare nel loro processo, e per vedere quali spessori di strato raccomandano nelle loro impilature. Vi invieranno indietro una tabella di impilatura della PCB come quella mostrata nell'immagine qui sotto.

Richieste Termiche e Affidabilità

Dato il fabbisogno termico nelle moderne PCB che operano ad alta velocità e/o alta frequenza, e date le condizioni ambientali severe in cui questi sistemi vengono impiegati, potrebbe essere sensato utilizzare un materiale diverso per la vostra prossima PCB. Avete diverse opzioni per i materiali del substrato, o alcune scelte di progettazione alternative per cercare di gestire il calore elevato in alcune applicazioni.

Utilizzare una scheda con maggiore conduttività termica permette al calore di diffondersi facilmente in tutta la scheda, consentendo alla tua scheda di operare a una temperatura più uniforme. Le schede FR4 con dispositivi ad alta velocità/alta frequenza possono sviluppare punti caldi intorno ai processori ad alta velocità più grandi (ad esempio, FPGA o MPU). La conduttività termica complessiva della scheda può essere aumentata utilizzando un materiale alternativo o aggiungendo ulteriori strati di piano. In queste schede, dovresti comunque utilizzare dissipatori di calore sui componenti importanti, o possibilmente un ventilatore per un certo flusso d'aria. Un'altra opzione è utilizzare un materiale di interfaccia termica per collegare la scheda al suo involucro, fornendo un percorso per il calore direttamente all'involucro.

Esempi di Materiali Alternativi per Substrati di PCB Multistrato

In questa sezione, voglio presentare alcune opzioni alternative che alcuni progettisti potrebbero non aver considerato. Questi materiali alternativi mirano a un particolare svantaggio riscontrato nei substrati FR4. È importante notare che non esiste un singolo materiale alternativo per substrati di PCB che superi ogni svantaggio dei laminati FR4. Invece, devi scegliere lo specifico svantaggio che è rilevante per il tuo sistema. Alcuni esempi si trovano nella seguente tabella:

Schede con nucleo metallico o supportate da metallo

La gestione termica nelle schede FR4 può essere integrata utilizzando una scheda con nucleo metallico o supportata da metallo. La grande lastra di alluminio utilizzata in queste schede permette di dissipare efficacemente il calore attraverso la scheda e in un involucro o alloggiamento, garantendo una distribuzione della temperatura più uniforme. Questo è utile in numerose applicazioni, come le schede per l'illuminazione a LED o i regolatori di alta potenza in ambienti particolari.

Ceramiche

I materiali alternativi per i substrati di PCB multistrato offrono altri vantaggi oltre alla gestione termica. Ad esempio, il processo di fabbricazione dei PCB in ceramica permette di incorporare componenti passivi negli strati interni di un PCB multistrato in ceramica. La miscela di materiali necessaria per creare una scheda in ceramica consente di regolare le loro proprietà meccaniche mantenendo un alto rapporto di conducibilità termica a elettrica. Il coefficiente di espansione termica delle ceramiche per PCB è più vicino a quello della maggior parte dei conduttori, il che riduce lo stress meccanico durante i cicli di temperatura.

Materiali Compositi Epossidici (CEM)

Un gruppo alternativo di materiali molto popolare, specialmente in Asia, è rappresentato dai materiali compositi epossidici (CEM), in particolare il CEM-3. Questa classe di materiali compositi è realizzata a partire da superfici in tessuto di vetro intrecciato e un nucleo in vetro non intrecciato combinati con una resina epossidica sintetica. Alcuni produttori sostengono che il CEM-3 dovrebbe completamente sostituire l'FR4 poiché è più economico da produrre, offre lo stesso livello di resistenza alla fiamma ed è utilizzabile con gli stessi processi di fabbricazione dell'FR4.

La temperatura di transizione vetrosa del CEM-3 (circa 125 °C) è simile a quella dell'FR4 (circa 135 °C). Altri materiali basati su CEM, per esempio il CEM-1 e il CEM-2, hanno temperature di transizione vetrosa molto più basse e non dovrebbero essere utilizzati con schede multistrato. La maggior parte dei produttori raccomanda l'uso del CEM-3 solo per un numero limitato di strati, sebbene venga utilizzato per sostituire le schede FR4 con un numero simile di strati.

Laminati ad Alta Frequenza

Un materiale laminato per PCB classificato come "ad alta frequenza" potrebbe riferirsi alla sua utilità in due aree importanti:

• Basso fattore di perdita a frequenze elevate, normalmente ~0.003 o meno a ~10 GHz o superiori
• Gli effetti della tessitura delle fibre, sebbene questi laminati possano avere lo stesso fattore di perdita dei materiali FR4 tipici

I materiali che soddisfano entrambi i criteri sono spesso utilizzati in applicazioni come moduli radar operanti a 24 GHz (corto raggio), 76-77 GHz (lungo raggio) o 77-81 GHz (corto raggio). Altre applicazioni speciali includono radar per imaging, radar per droni, MAN wireless, telerilevamento, SATCOM, telerilevamento e molto altro. Nel dominio digitale, sono necessari materiali alternativi per il substrato delle PCB ad alte frequenze per consentire lunghezze di canale molto estese, come nei backplane o nelle schede madri dei server. Ad esempio, grandi backplane 3U/6U possono avere lunghezze di canale ad alta velocità che raggiungono le 20 pollici con larghezze di banda che superano le frequenze radar. Se progettassimo questa scheda su FR4, non recupereresti mai il segnale da un canale così lungo.

Probabilmente i due materiali di substrato per PCB ad alta frequenza più popolari sono i laminati a base di PTFE (Teflon) con riempitivo di microvetro (ad esempio, Rogers) e Megtron. Nei dispositivi che opereranno ad alta frequenza, l'utilizzo di uno di questi materiali laminati per PCB ad alta frequenza può essere la scelta migliore se i tuoi canali di instradamento saranno molto lunghi. In canali corti, la perdita di ritorno sarà il meccanismo di perdita dominante

Costruzione Ibrida con PTFE

I laminati ad alta velocità/alta frequenza sono spesso utilizzati nello strato esterno dei PCB ad alta velocità/alta frequenza al fine di ridurre l'attenuazione del segnale. I laminati a base di PTFE sono normalmente posizionati sopra un nucleo interno nei dispositivi ad alta velocità, consentendo naturalmente il loro uso con PCB multistrato. Rispetto al FR4, il Teflon è raccomandato per frequenze in GHz e tassi di trasferimento dati superiori a causa della sua dispersione molto inferiore e costante dielettrica inferiore, portando a una velocità di propagazione del segnale più veloce a queste alte velocità.

Il PTFE offre anche altri vantaggi. È un cattivo assorbitore di acqua, quindi è utile in ambienti umidi o bagnati. Può essere utilizzato come strato superficiale o interno in laminati con diversi materiali, quindi può essere impiegato per formare uno strato a bassa perdita specificamente per segnali ad alta velocità/alta frequenza. Tuttavia, è più costoso del FR4 ed è più difficile da lavorare nella costruzione dello stackup poiché richiede una pressatura a circa 370 °C. Ha anche una conducibilità termica inferiore rispetto al FR4, quindi la gestione termica nelle schede in PTFE è importante.

Materiali laminati per PCB ad alta densità

Ci sono una varietà di altri materiali che possono essere utilizzati per circuiti ad alta velocità, ad alta temperatura e PCB multistrato HDI. I set di materiali standard che rientrano nel dominio dei materiali a base di FR4 o PTFE possono essere realizzati solo fino a uno spessore minimo e devono essere forati meccanicamente. Questi materiali possono essere utilizzati nei PCB HDI con vie cieche/interrotte forate meccanicamente, ma potrebbero non essere utilizzabili con microvie. Sono necessari materiali alternativi per i PCB HDI e per i substrati di circuiti integrati/UHDI più avanzati; queste alternative devono essere compatibili con l'incisione o la deposizione additiva, e la foratura laser.

Laminati forabili con laser

I prepreg e i core che devono essere utilizzati nei progetti HDI con microvie devono essere compatibili con la perforazione laser. La miscela di resina, lo stile di tessitura del vetro e lo spessore del strato di questi materiali sono tutti formulati per il processo di perforazione laser. Questo consente la fabbricazione di vie di piccolo diametro (<6 mil di diametro), e data la limite del rapporto di aspetto consentito per queste strutture, è richiesto uno strato dielettrico sottile. I produttori di materiali commercializzeranno i loro materiali specificamente per l'uso nei processi di perforazione laser se i materiali sono compatibili.

I laminati perforabili con laser comprendono una gamma di marchi e formulazioni di materiali disponibili commercialmente, alcuni dei quali sono specificati in fogli slash e sono conformi agli standard IPC. Essi includono materiali di resina rinforzata con vetro che rientrano nella definizione di FR4, e questi materiali sono disponibili da molti produttori popolari (ad esempio, Isola e ITEQ). Ci sono altri materiali che sono perforabili con laser ma non rientrano nella definizione di FR4:

• Film basati su resina rivestiti di rame (RCC)
• Polimide
• Poliammide rinforzata con fibre (nota anche come, aramide)
• Resina di Bismaleimmide-Triazina, nota anche come BT epoxy

Alcuni di questi materiali sono utili sia nelle PCB che nei substrati ad alta densità per chip di semiconduttori o chiplet. Ad esempio, RCC è un'opzione comune per l'uso in entrambe le aree come sistema di materiali per costruzioni ad alta densità che coinvolgono molteplici sotto-laminazioni.

Film di Accumulo

Il termine "film di accumulo" è talvolta usato al posto del laminato forabile con laser che si troverebbe in una PCB HDI. Questi film sono confezionati come rotoli di film che vengono poi laminati sui materiali di base della PCB. Il film di accumulo più comune è l'Ajinomoto Buildup Film (ABF), sebbene il suo uso più comune sia nella produzione di substrati per semiconduttori piuttosto che come materiale per PCB. Attualmente, l'ABF domina la catena di fornitura per i substrati IC dei semiconduttori, ma può essere utilizzato nelle PCB HDI/UHDI. L'ABF ha anche una costante dielettrica ragionevolmente bassa (fino a Dk = 3.3) e perdite inferiori rispetto a FR4, il che lo rende utile per ASIC o processori che richiedono canali ad alta larghezza di banda. Un sostituto molto vicino per i design a densità inferiore (incisione sottrattiva) è l'RCC, che utilizza resine organiche rivestite con foglio di rame.

Questo film può essere costruito su un nucleo in FR4, nucleo in epossidico BT, nucleo in resina termoindurente o altri nuclei organici rigidi. Questo segue la costruzione standard dello stackup HDI con via cieche/interrotte impilate (tipo II), ma scalato a densità più elevate e spesso fabbricato con un processo additivo.

Guardando al futuro

Man mano che chip più avanzati richiedono opzioni di film di costruzione ultra-sottili e a basso Dk per PCB UHDI e packaging di semiconduttori, ci si aspetta che l'ABF veda un maggiore utilizzo all'interno e all'esterno dell'industria dei semiconduttori. Tuttavia, a causa del dominio di mercato dell'ABF nei film di costruzione, le aziende innovative stanno cercando il film di costruzione del futuro. Anche queste alternative all'FR4 per l'elaborazione dello strato esterno sono destinate ad avere un Dk

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