Wybór alternatyw dla FR4 jako materiałów podłoża PCB dla płyt wielowarstwowych

Czasami opłaca się iść pod prąd. Substraty FR4 są zdecydowanie najpopularniejszą opcją, którą znajdziesz u producentów, a każdy producent ma swojego preferowanego dostawcę. Jednakże, możesz chcieć rozważyć alternatywne materiały substratów PCB dla wielowarstwowej płyty. Chociaż istnieje wielu producentów laminatów PCB, szeroka klasa dostępnych substratów jest dość ograniczona.

Jeśli musisz zbudować urządzenie specjalizowane do ekstremalnych środowisk, powtarzających się cykli termicznych, lub urządzeń wysokiej prędkości/RF, istnieją alternatywne materiały dla substratów wielowarstwowych PCB, które mogą być lepszym wyborem. Pokażę kilka przykładów w tym artykule, chociaż postaram się być neutralny względem dostawców. Ważniejsze jest zrozumienie kryteriów wyboru alternatywy dla substratu FR4, i przedstawię kryteria ważne dla różnych zastosowań.

Nie Musisz Zadowalać Się Substratem FR4

To, co nazywamy "FR4", to tak naprawdę oznaczenie National Electrical Manufacturers Association (NEMA) dla klasy materiałów; nie jest to jeden konkretny materiał ani nawet jedna konkretna kompozycja materiałowa. Te laminaty PCB są zgodne z normą UL94V-0 dotyczącą palności materiałów plastikowych.

Wady FR4

Chociaż FR4 jest zdecydowanie najpopularniejszym materiałem podłoża dla jedno- i wielowarstwowych PCB, ma swoje wady:

• Niska przewodność cieplna: Podobnie jak inne izolatory elektryczne, FR4 jest również słabym przewodnikiem ciepła w porównaniu z innymi materiałami odpowiednimi do wspierania drukowanych obwodów.
• Umiarkowanie stratny: Laminaty podłoża FR4 są znane ze swojej stratności, co wynika z ich tg δ wynoszącego około 0,02 przy około 1 GHz. Trasowanie linii paskowych lub zintegrowanego falowodu na podłożu zapewni wysoką izolację od innych sygnałów, ale kosztem większego tłumienia, ponieważ sygnał napotyka cały tg δ.
• Wpływ tkaniny szklanej: Przy kilkudziesięciu GHz, tkanina szklana używana w laminatach FR4 tworzy interesujące efekty, takie jak skumulowane skosy i rezonansowe straty wzdłuż ścieżki propagacji sygnału.
• Niedopasowanie z CTE miedzi: Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) w osi z większości laminatów FR4 ma duże niedopasowanie z miedzią (zwykle FR4:Cu = ~3:1). Jest to problem tylko przy powtarzającym się cyklu termicznym lub ekstremalnych wychyleniach temperatury powyżej temperatury przejścia szklistego.

Dla prostych projektów działających z niską prędkością/częstotliwością, które nie będą się zbytnio nagrzewać ani pracować w ekstremalnych warunkach, te wady prawdopodobnie nie będą miały znaczenia. Dla bardziej nowoczesnych projektów ważne jest, aby przynajmniej rozważyć alternatywy dla FR4. Zanim zaczniesz projektować w oparciu o alternatywny materiał podłoża PCB, porozmawiaj z kilkoma producentami, aby sprawdzić, z jakimi materiałami mogą pracować w swoim procesie i jakie grubości warstw polecają w swoich układach warstw. Wyślą Ci tabelę układu PCB podobną do tej pokazanej na poniższym obrazku.

Wymagania termiczne i niezawodność

Biorąc pod uwagę wymagania termiczne we współczesnych PCB, które działają z wysoką prędkością i/lub wysoką częstotliwością, oraz biorąc pod uwagę surowe środowiska, w których te systemy są wdrażane, może być sensowne użyć innego materiału dla Twojego następnego PCB. Masz kilka opcji materiałów podłoża, lub kilka alternatywnych rozwiązań projektowych, aby spróbować poradzić sobie z wysokim ciepłem w niektórych aplikacjach.

Wykorzystanie płytki o wyższej przewodności cieplnej pozwala na łatwe rozprzestrzenianie się ciepła na całej płytce, co pozwala na pracę płytki w bardziej jednolitej temperaturze. Płytki FR4 z urządzeniami o wysokiej prędkości/częstotliwości mogą rozwijać punkty gorące wokół większych procesorów wysokiej prędkości (np. FPGA lub MPU). Ogólną przewodność cieplną płytki można zwiększyć, stosując alternatywny materiał lub dodatkowe warstwy płaszczyzn. W tych płytkach i tak powinieneś używać radiatorów na ważnych komponentach, a możliwe także wentylatora dla pewnego przepływu powietrza. Inną opcją jest użycie materiału interfejsu cieplnego do połączenia płytki z jej obudową, dając ścieżkę dla ciepła bezpośrednio z powrotem do obudowy.

Przykłady alternatywnych materiałów substratowych dla wielowarstwowych PCB

W tej sekcji chcę przedstawić niektóre alternatywne opcje, które niektórzy projektanci mogli nie wziąć pod uwagę. Te alternatywne materiały mają na celu zwalczenie konkretnego problemu obserwowanego w substratach FR4. Ważne jest, aby zauważyć, że nie ma jednego alternatywnego materiału substratowego PCB, który pokonuje każdy problem laminatów FR4. Zamiast tego, musisz wybrać konkretny problem, który ma znaczenie dla twojego systemu. Niektóre przykłady znajdują się w poniższej tabeli:

Płytki z rdzeniem metalowym lub wsparte na metalu

Zarządzanie temperaturą w płytach FR4 może być uzupełnione przez użycie płytki z rdzeniem metalowym lub wspartej na metalu. Duża płyta aluminiowa używana w tych płytach pozwala na rozpraszanie ciepła na całej płycie i do obudowy lub obłożenia, zapewniając bardziej równomierny rozkład temperatury. Jest to przydatne w wielu zastosowaniach, takich jak płytki do oświetlenia LED czy wysokomocowych regulatorów w unikalnych środowiskach.

Ceramika

Alternatywne materiały dla wielowarstwowych podłoży PCB oferują inne zalety poza zarządzaniem temperaturą. Jako przykład, proces produkcyjny dla ceramicznych PCB pozwala na wbudowanie pasywnych komponentów w wewnętrznych warstwach wielowarstwowej ceramicznej PCB. Mieszanka materiałów wymagana do stworzenia płytki ceramicznej pozwala na dostrojenie ich właściwości mechanicznych przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego stosunku przewodności cieplnej do elektrycznej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramiki dla PCB jest bliższy większości przewodników, co redukuje naprężenia mechaniczne podczas cykli.Materiał kompozytowy epoksydowy (CEM)

Jedną z popularnych alternatywnych grup materiałów, szczególnie w Azji, są materiały kompozytowe epoksydowe (CEM), a konkretnie CEM-3. Ta klasa materiałów kompozytowych jest wykonana z powierzchni z tkaniny szklanej oraz rdzenia z niewłóknistego szkła połączonych z syntetyczną żywicą epoksydową. Niektórzy producenci argumentują, że CEM-3 powinien całkowicie zastąpić FR4, ponieważ jest tańszy w produkcji, zapewnia ten sam poziom odporności na płomienie i można go używać z tymi samymi procesami produkcyjnymi co FR4.

Temperatura przejścia szklistego CEM-3 (około 125 °C) jest podobna do FR4 (około 135 °C). Inne materiały na bazie CEM, na przykład CEM-1 i CEM-2, mają znacznie niższe temperatury przejścia szklistego i nie powinny być używane z wielowarstwowymi płytkami. Większość producentów będzie rekomendować użycie CEM-3 tylko dla płytek o niskiej liczbie warstw, chociaż jest on używany do zastępowania płyt FR4 o podobnej liczbie warstw.

Laminaty wysokoczęstotliwościowe

Materiał laminatu PCB, który jest klasyfikowany jako "wysokoczęstotliwościowy", może odnosić się do jego przydatności w dwóch ważnych obszarach:

• Niski współczynnik strat dielektrycznych przy wysokich częstotliwościach, zazwyczaj ~0,003 lub mniej przy ~10 GHz lub wyższych
• Efekty splocenia włókien, chociaż te laminaty mogą mieć taki sam współczynnik strat jak typowe materiały FR4

Materiały spełniające oba kryteria często są używane w aplikacjach takich jak moduły radarowe pracujące na 24 GHz (krótki zasięg), 76-77 GHz (długi zasięg) lub 77-81 GHz (krótki zasięg). Inne specjalistyczne zastosowania to radar obrazowy, radar dronów, bezprzewodowe MANy, zdalne czujniki, SATCOM, zdalne czujniki i wiele więcej. W dziedzinie cyfrowej, alternatywne materiały podłoża PCB dla wysokich częstotliwości są potrzebne, aby umożliwić bardzo długie długości kanałów, takie jak w backplane'ach lub płytach głównych serwerów. Na przykład, duże backplane'y 3U/6U mogą mieć długości kanałów wysokiej prędkości osiągające 20 cali z pasmami przekraczającymi częstotliwości radarowe. Jeśli zaprojektowalibyśmy tę płytę na FR4, nigdy nie odzyskalibyśmy sygnału z kanału tak długiego.

Prawdopodobnie dwa najpopularniejsze materiały substratowe PCB do wysokich częstotliwości to laminaty na bazie PTFE (Teflon) z mikroszklanym wypełniaczem (np. Rogers) oraz Megtron. W urządzeniach, które będą pracować na wysokich częstotliwościach, użycie jednego z tych materiałów laminatowych do PCB wysokiej częstotliwości może być najlepszym wyborem, jeśli kanały routingu będą bardzo długie. W krótkich kanałach dominującym mechanizmem strat będzie strata zwrotna

Hybrydowa konstrukcja z PTFE

Laminaty wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości są często używane w zewnętrznej warstwie PCB wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości w celu zmniejszenia tłumienia sygnału. Laminaty na bazie PTFE są zwykle umieszczane na wierzchu wewnętrznego rdzenia w urządzeniach wysokiej prędkości, co naturalnie pozwala na ich użycie w wielowarstwowych PCB. W porównaniu do FR4, Teflon jest zalecany dla częstotliwości GHz i wyższych oraz szybkości przesyłania danych ze względu na znacznie niższą dyspersję i niższy stały dielektryczny, co prowadzi do szybszej prędkości propagacji sygnału przy tych wysokich prędkościach.

PTFE oferuje również inne zalety. Jest słabym absorberem wody, więc jest użyteczny w wilgotnych lub mokrych środowiskach. Może być używany jako warstwa powierzchniowa lub wewnętrzna warstwa laminatu z wieloma materiałami, dzięki czemu może być używany do tworzenia warstwy o niskich stratach specjalnie dla sygnałów o wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości. Jednakże, jest droższy niż FR4 i jest trudniejszy w pracy przy konstrukcji stosu, ponieważ wymaga prasowania w temperaturze około 370 °C. Ma również niższą przewodność cieplną niż FR4, więc zarządzanie ciepłem w płytach PTFE jest ważne.

Materiały laminatowe PCB dla projektowania PCB o wysokiej gęstości

Istnieje wiele innych materiałów, które mogą być używane dla wysokiej prędkości, wysokiej temperatury i PCB wielowarstwowych HDI. Standardowe zestawy materiałów należące do domeny materiałów na bazie FR4 lub PTFE mogą być wykonane tylko do pewnej minimalnej grubości i muszą być mechanicznie wiercone. Te materiały mogą być używane w PCB HDI z mechanicznie wierconymi ślepymi/ukrytymi przelotkami, ale mogą nie być użyteczne z mikroprzelotkami. Alternatywne materiały są potrzebne dla PCB HDI i bardziej zaawansowanych PCB/UHDI IC substratów; te alternatywy muszą być kompatybilne z trawieniem lub addytywnym osadzaniem oraz wierceniem laserowym.

Laminaty możliwe do wiercenia laserowego

Prepregi i rdzenie, które mają być używane w projektach HDI z mikroprzewierceniami, muszą być kompatybilne z wierceniem laserowym. Mieszanka żywicy, styl tkaniny szklanej i grubość warstw tych materiałów są wszystkie formułowane pod kątem procesu wiercenia laserowego. Umożliwia to tworzenie przewiereń o małej średnicy (<6 mil średnicy), a biorąc pod uwagę dopuszczalne limity stosunku wysokości do średnicy dla tych struktur, wymagana jest cienka warstwa dielektryczna. Producenci materiałów będą reklamować swoje materiały specjalnie do użytku w procesach wiercenia laserowego, jeśli materiały są z nimi kompatybilne.

Laminaty możliwe do przewiercenia laserem obejmują szereg dostępnych komercyjnie marek i formułacji materiałowych, niektóre z nich są określone w arkuszach specyfikacji i są zgodne z normami IPC. Obejmują one materiały żywiczne wzmacniane szkłem, które mieszczą się w definicji FR4, i te materiały są dostępne od wielu popularnych producentów (np. Isola i ITEQ). Istnieją również inne materiały możliwe do przewiercenia laserem, które nie mieszczą się w definicji FR4:

• Pokryte miedzią filmy na bazie żywicy (RCC)
• Polimid
• Wzmocniony włóknem poliamid (znany również jako aramid)
• Żywica bismaleimidowo-triazynowa, znana również jako epoksyd BT

Niektóre z tych materiałów są użyteczne zarówno w PCB, jak i w gęstych substratach dla układów scalonych lub chipletów. Na przykład, RCC jest często wybieraną opcją do zastosowania w obu obszarach jako system materiałowy dla konstrukcji o wysokiej gęstości, obejmujących wiele podlaminacji.

Filmy budujące

Termin "film budujący" jest czasami używany zamiast laminatu możliwego do przewiercania laserem, który znajdowałby się w HDI PCB. Te filmy są pakowane w rolki filmowe, które następnie są laminowane na bazowe materiały PCB. Najbardziej powszechnym filmem budującym jest Ajinomoto Buildup Film (ABF), chociaż jego najczęstsze zastosowanie to produkcja substratów półprzewodnikowych, a nie jako materiał PCB. Obecnie, ABF dominuje w łańcuchu dostaw dla substratów układów scalonych IC, ale może być używany w HDI/UHDI PCB. ABF ma również stosunkowo niską stałą dielektryczną (do Dk = 3.3) i mniejsze straty niż FR4, co czyni go użytecznym dla ASICów lub procesorów wymagających kanałów o wysokiej przepustowości. Bardzo bliskim substytutem dla projektów o mniejszej gęstości (etykowanie subtrakcyjne) jest RCC, który używa organicznych żywic pokrytych folią miedzianą.

Ta folia może być zbudowana na rdzeniu FR4, rdzeniu z żywicy epoksydowej BT, rdzeniu z żywicy termoutwardzalnej lub innych sztywnych rdzeniach organicznych. Jest to zgodne ze standardową konstrukcją stosu HDI z układanymi ślepymi/pogrzebanymi przelotkami (typ II), ale skalowanymi do wyższych gęstości i często produkowanymi metodą addytywną.

Patrząc w przyszłość

W miarę jak bardziej zaawansowane układy scalone wymagają ultracienkich opcji folii z niskim Dk dla PCB UHDI i pakowania półprzewodników, można oczekiwać, że ABF znajdzie szersze zastosowanie wewnątrz i na zewnątrz branży półprzewodnikowej. Jednakże, ze względu na dominację ABF na rynku folii budujących, innowacyjne firmy poszukują folii budującej przyszłości. Te alternatywy dla FR4 do obróbki warstw zewnętrznych mają również mieć Dk

Bez względu na to, jakie alternatywne materiały do substratu PCB użyjesz w swojej następnej wielowarstwowej płytce, potrzebujesz odpowiedniego oprogramowania do projektowania, aby stworzyć swój układ PCB i fizyczny układ. Altium Designer^® został stworzony z narzędziami, które pozwalają na budowanie zaawansowanych PCB dla dowolnej aplikacji. Materiały stosowane w układach kompilują odpowiednie specyfikacje elektryczne i mechaniczne dla szerokiego zakresu materiałów, a to narzędzie bezpośrednio współpracuje z twoim projektem, symulacją i funkcjami dokumentacji w zjednoczonym środowisku projektowym.

Pobierz darmową wersję próbną Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej o funkcjach projektowania płytek i środowisku projektowym. Będziesz miał również dostęp do najlepszych w branży funkcji projektowych w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.