Selecionando Alternativas de FR4 para Materiais de Substrato de Placas de Circuito Impresso Multicamadas

Às vezes, compensa ir contra a maré. Os substratos FR4 são, de longe, a opção mais popular que você encontrará entre os fabricantes, e cada fabricante tem seu fornecedor preferido. No entanto, você pode querer buscar materiais alternativos para substratos de PCB para uma placa multicamadas. Embora existam vários fabricantes de materiais laminados para PCB, a ampla classe de substratos disponíveis é um tanto limitada.

Se você precisa construir um dispositivo especializado para ambientes extremos, ciclos térmicos repetidos ou dispositivos de alta velocidade/RF, existem materiais alternativos para substratos de PCB multicamadas que podem ser uma escolha melhor. Mostrarei alguns exemplos neste artigo, embora eu faça o meu melhor para ser agnóstico em relação aos fornecedores. O mais importante é entender os critérios para selecionar uma alternativa a um substrato FR4, e eu fornecerei os critérios importantes para várias aplicações.

Você Não Precisa Se Contentar com um Substrato FR4

O que chamamos de "FR4" é na verdade uma designação da National Electrical Manufacturers Association (NEMA) para uma classe de materiais; não é um material específico ou mesmo uma composição material específica. Esses laminados de PCB cumprem o padrão UL94V-0 sobre a inflamabilidade de materiais plásticos.

Desvantagens do FR4

Embora o FR4 seja de longe o material de substrato mais popular para PCBs de camada única e multicamadas, ele possui suas desvantagens:

• Condutividade térmica baixa: Como outros isolantes elétricos, o FR4 também é um mau condutor térmico comparado a outros materiais que são adequados para suportar circuitos impressos.
• Moderadamente perdedor: Os laminados de substrato FR4 são conhecidos por sua característica perdedora, dada pelo seu ângulo de perda de ~0,02 a cerca de 1 GHz. O encaminhamento de linhas de transmissão ou um guia de onda integrado ao substrato garantirá alta isolação de outros sinais, mas à custa de maior atenuação à medida que o sinal encontra o ângulo de perda total.
• Efeitos da trama de fibra: A várias dezenas de GHz, a trama de vidro usada nos laminados FR4 cria efeitos interessantes como acúmulo de desvio e perdas ressonantes ao longo do caminho de propagação do sinal.
• Desajuste com o CTE do cobre: O valor do coeficiente de expansão térmica (CTE) no eixo z da maioria dos laminados FR4 tem um grande desajuste com o cobre (tipicamente FR4:Cu = ~3:1). Isso só é um problema maior sob ciclagem térmica repetida ou excursões de temperatura extremas acima da temperatura de transição vítrea.

Para designs simples que operam em baixa velocidade/frequência baixa, e que não vão esquentar demais ou estar em um ambiente extremo, essas desvantagens provavelmente não importarão. Para designs mais modernos, é importante pelo menos considerar alternativas ao FR4. Antes de começar a projetar com um material de substrato de PCB alternativo, converse com alguns fabricantes para ver com quais materiais eles podem trabalhar em seu processo, e para ver quais espessuras de camada eles recomendam em suas empilhagens. Eles enviarão de volta uma tabela de empilhamento de PCB como a mostrada na imagem abaixo.

Exigências Térmicas e Confiabilidade

Dadas as exigências térmicas em PCBs modernos que operam em alta velocidade e/ou alta frequência, e dado os ambientes severos nos quais esses sistemas estão sendo implantados, pode fazer sentido usar um material diferente para o seu próximo PCB. Você tem algumas opções para materiais de substrato, ou algumas escolhas de design alternativas para tentar lidar com o calor alto em algumas aplicações.

Usar uma placa com maior condutividade térmica permite que o calor se espalhe facilmente por toda a placa, permitindo que sua placa opere a uma temperatura mais uniforme. Placas FR4 com dispositivos de alta velocidade/frequência podem desenvolver pontos quentes ao redor dos processadores de alta velocidade maiores (por exemplo, FPGAs ou MPUs). A condutividade térmica geral da placa pode ser aumentada usando algum material alternativo ou adicionando camadas de plano adicionais. Nessas placas, você deve estar usando dissipadores de calor em componentes importantes de qualquer forma, ou possivelmente um ventilador para algum fluxo de ar. Outra opção é usar um material de interface térmica para unir a placa ao seu invólucro, proporcionando um caminho para o calor diretamente de volta ao invólucro.

Exemplos de Material de Substrato de PCB Multicamadas Alternativos

Nesta seção, quero apresentar algumas opções alternativas que alguns designers podem não ter considerado. Esses materiais alternativos visam uma desvantagem específica observada em substratos FR4. É importante notar que não existe um único material de substrato de PCB alternativo que supere todas as desvantagens dos laminados FR4. Em vez disso, você precisa escolher a desvantagem específica que importa para o seu sistema. Alguns exemplos são encontrados na tabela a seguir:

Placas com núcleo de metal ou com suporte metálico

O gerenciamento térmico em placas FR4 pode ser complementado pelo uso de uma placa com núcleo de metal ou com suporte metálico. A grande placa de alumínio usada nessas placas permite que o calor seja dissipado por toda a placa e para um invólucro ou caixa, garantindo uma distribuição de temperatura mais uniforme. Isso é útil em várias aplicações, como placas para iluminação LED ou reguladores de alta potência em ambientes únicos.

Cerâmicas

Materiais alternativos para substratos de PCBs multicamadas oferecem outras vantagens além do gerenciamento térmico. Como exemplo, o processo de fabricação para PCBs de cerâmica permite que componentes passivos sejam embutidos nas camadas internas de um PCB de cerâmica multicamada. A mistura de materiais necessária para criar uma placa de cerâmica permite que suas propriedades mecânicas sejam ajustadas enquanto mantém uma alta relação de condutividade térmica para elétrica. O coeficiente de expansão térmica das cerâmicas para PCBs é mais próximo ao da maioria dos condutores, o que reduz o estresse mecânico durante o ciclo.

Material Composto de Epóxi (CEM)

Um grupo alternativo popular de materiais, especialmente na Ásia, é o material composto de epóxi (CEM), especificamente o CEM-3. Esta classe de materiais compostos é feita a partir de superfícies de tecido de vidro trançado e um núcleo de vidro não tecido combinado com uma resina sintética de epóxi. Alguns fabricantes defendem que o CEM-3 deveria substituir completamente o FR4, pois é mais barato de produzir, oferece o mesmo nível de retardância à chama e pode ser usado com os mesmos processos de fabricação que o FR4.

A temperatura de transição vítrea do CEM-3 (aproximadamente 125 °C) é semelhante à do FR4 (aproximadamente 135 °C). Outros materiais baseados em CEM, por exemplo, CEM-1 e CEM-2, têm temperaturas de transição vítrea muito mais baixas e não devem ser usados com placas multicamadas. A maioria dos fabricantes só recomenda o uso do CEM-3 para contagens de camadas baixas, embora esteja sendo usado para substituir placas de FR4 com um número similar de camadas.

Laminados de Alta Frequência

Um material laminado de PCB classificado como "alta frequência" pode referir-se à sua utilidade em duas áreas importantes:

• Baixo fator de perda em altas frequências, normalmente ~0.003 ou menos a ~10 GHz ou mais
• Efeitos da trama de fibra, embora esses laminados possam ter o mesmo fator de perda que os materiais FR4 típicos

Materiais que satisfazem ambos os critérios são frequentemente usados em aplicações como módulos de radar operando a 24 GHz (curto alcance), 76-77 GHz (longo alcance), ou 77-81 GHz (curto alcance). Outras aplicações especializadas incluem radar de imagem, radar de drones, MANs sem fio, sensoriamento remoto, SATCOM, sensoriamento remoto e muito mais. No âmbito digital, materiais alternativos de substrato de PCB para altas frequências são necessários para permitir comprimentos de canal muito longos, como em backplanes ou placas-mãe de servidores. Por exemplo, grandes backplanes de 3U/6U podem ter comprimentos de canal de alta velocidade alcançando 20 polegadas com larguras de banda ultrapassando as frequências de radar. Se projetássemos esta placa em FR4, você nunca recuperaria o sinal de um canal tão longo.

Provavelmente, os dois materiais de substrato de PCB de alta frequência mais populares são laminados baseados em PTFE (Teflon) com enchimento de microvidro (por exemplo, Rogers) e Megtron. Em dispositivos que operarão em alta frequência, usar um desses materiais de laminado de PCB de alta frequência pode ser a melhor escolha se seus canais de roteamento forem muito longos. Em canais curtos, a perda de retorno será o mecanismo de perda dominante

Construção Híbrida com PTFE

Laminados de alta velocidade/frequência são frequentemente usados na camada externa de PCBs de alta velocidade/frequência para reduzir a atenuação do sinal. Laminados baseados em PTFE são normalmente colocados em cima de um núcleo interno em dispositivos de alta velocidade, permitindo naturalmente seu uso com PCBs multicamadas. Comparado ao FR4, o Teflon é recomendado para frequências de GHz e superiores e taxas de transferência de dados devido à sua dispersão muito menor e constante dielétrica mais baixa, levando a uma velocidade de propagação de sinal mais rápida nessas altas velocidades.

O PTFE oferece outras vantagens também. É um fraco absorvedor de água, portanto, é útil em ambientes úmidos ou molhados. Pode ser usado como uma camada superficial ou camada de laminação interna com vários materiais, assim, pode ser usado para formar uma camada de baixa perda especificamente para sinais de alta velocidade/alta frequência. No entanto, é mais caro que o FR4 e é mais desafiador de trabalhar na construção de empilhamento, pois requer prensagem a ~370 °C. Também possui menor condutividade térmica que o FR4, portanto, a gestão térmica em placas de PTFE é importante.

Materiais Laminados para PCB de Alta Densidade

Existem uma variedade de outros materiais que podem ser usados para alta velocidade, alta temperatura e placas multicamadas HDI. Conjuntos de materiais padrão que se enquadram no domínio de materiais baseados em FR4 ou PTFE só podem ser feitos até uma certa espessura mínima e devem ser perfurados mecanicamente. Esses materiais podem ser usados em PCBs HDI com vias cegas/enterradas perfuradas mecanicamente, mas podem não ser utilizáveis com microvias. Materiais alternativos são necessários para PCBs HDI e PCBs/UHDI mais avançados substratos de IC; essas alternativas devem ser compatíveis com gravação ou deposição aditiva, e perfuração a laser.

Laminados Perfuráveis a Laser

Prepregs e núcleos que serão usados em designs HDI com microvias devem ser compatíveis com a perfuração a laser. A mistura de resina, o estilo de tecido de vidro e a espessura da camada desses materiais são todos formulados para o processo de perfuração a laser. Isso permite a fabricação de vias de pequeno diâmetro (<6 mil de diâmetro), e, dado os limites de proporção permitidos para essas estruturas, uma camada dielétrica fina é necessária. Os fabricantes de materiais comercializarão seus materiais especificamente para uso em processos de perfuração a laser se os materiais forem compatíveis.

Laminados perfuráveis a laser abrangem uma gama de marcas e formulações de materiais comercialmente disponíveis, alguns dos quais são especificados em folhas de especificações e estão em conformidade com os padrões IPC. Eles incluem materiais de resina reforçada com vidro que se enquadram na definição de FR4, e esses materiais estão disponíveis de muitos fabricantes populares (por exemplo, Isola e ITEQ). Existem outros materiais que são perfuráveis a laser, mas não se enquadram na definição de FR4: 

• Filmes à base de resina revestidos de cobre (RCC)
• Poliamida
• Poliamida reforçada com fibra (também conhecida como aramida)
• Resina de Bismaleimida-Triazina, também conhecida como epóxi BT

Alguns desses materiais são úteis tanto em PCBs quanto em substratos de alta densidade para chips semicondutores ou chiplets. Por exemplo, RCC é uma opção comum para uso em ambas as áreas como um sistema de material para construções de alta densidade envolvendo múltiplas sub-laminações.

Filmes de Acúmulo

O termo "filme de acúmulo" é às vezes usado no lugar de laminado perfurável a laser que seria encontrado em PCB HDI. Esses filmes são embalados como rolos de filme que são então laminados nos materiais base de PCB. O filme de acúmulo mais comum é o Ajinomoto Buildup Film (ABF), embora seu uso mais comum seja na produção de substrato semicondutor em vez de como material de PCB. Atualmente, ABF domina a cadeia de suprimentos para substratos de IC semicondutores, mas pode ser usado em PCBs HDI/UHDI. ABF também tem uma constante dielétrica razoavelmente baixa (até Dk = 3.3) e perdas menores que FR4, o que o torna útil para ASICs ou processadores que requerem canais de alta largura de banda. Um substituto muito próximo para designs de menor densidade (gravação subtrativa) é o RCC, que usa resinas orgânicas revestidas com folha de cobre.

Este filme pode ser construído sobre um núcleo de FR4, núcleo de epóxi BT, núcleo de resina termofixa ou outros núcleos orgânicos rígidos. Isso segue a construção padrão de empilhamento HDI com microvias cegas/enterradas empilhadas (tipo II), mas escalado para densidades maiores e frequentemente fabricado com um processo aditivo.

Olhando para o Futuro

À medida que chips mais avançados exigem opções de filme de construção ultrafino e de baixo Dk para PCBs UHDI e embalagem de semicondutores, espera-se que o ABF veja um uso maior dentro e fora da indústria de semicondutores. No entanto, devido à dominância de mercado do ABF em filmes de construção, empresas inovadoras estão em busca do filme de construção do futuro. Essas alternativas ao FR4 para processamento de camadas externas também se destinam a ter um Dk

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