Выбор альтернатив FR4 для материалов подложки печатных плат для многослойных плат

Иногда, полезно идти против течения. Подложки FR4 являются самым популярным вариантом, который вы найдете у производителей, и каждый производитель имеет предпочтительного поставщика. Однако, вам может понадобиться искать альтернативные материалы для подложек печатных плат для многослойной платы. Несмотря на то, что существует множество производителей ламинатных материалов для печатных плат, широкий класс доступных подложек несколько ограничен.

Если вам нужно создать устройство, специализированное для экстремальных условий, повторяющихся термических циклов или устройств высокой скорости/РЧ, существуют альтернативные материалы для подложек многослойных печатных плат, которые могут быть более подходящим выбором. Я покажу некоторые примеры в этой статье, хотя постараюсь оставаться нейтральным к производителям. Более важно понимать критерии выбора альтернативы подложке FR4, и я предоставлю критерии, которые важны для различных приложений.

Вам Не Обязательно Ограничиваться Подложкой FR4

То, что мы называем "FR4", на самом деле является обозначением Национальной Ассоциации Производителей Электротехники (NEMA) для класса материалов; это не один конкретный материал или даже один конкретный состав материала. Эти ламинаты для печатных плат соответствуют стандарту UL94V-0 по негорючести пластиковых материалов.

Недостатки FR4

Хотя FR4 является наиболее популярным материалом основы для однослойных и многослойных печатных плат, у него есть свои недостатки:

• Низкая теплопроводность: Как и другие электрические изоляторы, FR4 также плохо проводит тепло по сравнению с другими материалами, подходящими для поддержки печатных схем.
• Умеренно потерьный: Ламинаты на основе FR4 известны своим потерьным характером, обусловленным его тангенсом угла потерь около 0.02 на частоте около 1 ГГц. Прокладка стриплайнов или интегрированного в подложку волновода обеспечит высокую изоляцию от других сигналов, но за счет большего ослабления, поскольку сигнал воспринимает весь тангенс угла потерь.
• Эффекты стекловолоконной сетки: На частотах в несколько десятков ГГц, стекловолокно, используемое в ламинатах FR4, создает интересные эффекты, такие как накопленный сдвиг и резонансные потери вдоль пути распространения сигнала.
• Несоответствие с коэффициентом теплового расширения меди: Значение коэффициента теплового расширения (CTE) по оси Z большинства ламинатов FR4 имеет большое несоответствие с медью (обычно FR4:Cu = ~3:1). Это становится серьезной проблемой только при повторяющихся тепловых циклах или экстремальных температурных изменениях выше температуры стеклования.

Для простых конструкций, работающих на низкой скорости/низкой частоте и которые не будут сильно нагреваться или использоваться в экстремальных условиях, эти недостатки, вероятно, не будут иметь значения. Для более современных конструкций важно, по крайней мере, рассмотреть альтернативы FR4. Прежде чем начать проектирование на основе альтернативного материала для печатной платы, пообщайтесь с некоторыми производителями, чтобы узнать, с какими материалами они могут работать в своем процессе, и какую толщину слоев они рекомендуют в своих стеках. Они отправят вам таблицу стека печатной платы, подобную показанной на изображении ниже.

Тепловые требования и надежность

Учитывая тепловые требования в современных печатных платах, работающих на высокой скорости и/или высокой частоте, а также учитывая суровые условия, в которых эти системы используются, может быть разумным использовать другой материал для вашей следующей печатной платы. У вас есть несколько вариантов материалов для подложки или некоторые альтернативные конструктивные решения для борьбы с высоким теплом в некоторых приложениях.

Использование платы с высокой теплопроводностью позволяет теплу легко распространяться по всей плате, что позволяет вашей плате работать при более равномерной температуре. Платы FR4 с устройствами высокой скорости/высокой частоты могут развивать горячие точки вокруг крупных высокоскоростных процессоров (например, FPGA или MPU). Общая теплопроводность платы может быть увеличена за счет использования альтернативного материала или добавления дополнительных слоев плоскостей. На этих платах вам следует использовать радиаторы на важных компонентах или, возможно, вентилятор для некоторого воздушного потока. Другой вариант - использовать теплопроводящий интерфейсный материал для соединения платы с ее корпусом, обеспечивая путь для тепла непосредственно обратно в корпус.

Примеры альтернативных многослойных материалов для подложки печатных плат

В этом разделе я хочу представить некоторые альтернативные варианты, о которых некоторые дизайнеры могли не задумываться. Эти альтернативные материалы нацелены на конкретный недостаток, наблюдаемый в подложках FR4. Важно отметить, что не существует единого альтернативного материала подложки печатной платы, который преодолевает каждый недостаток ламинатов FR4. Вместо этого вам нужно выбрать конкретный недостаток, который имеет значение для вашей системы. Некоторые примеры приведены в следующей таблице:

Платы на металлической основе или с металлическим покрытием

Тепловое управление в платах FR4 может быть дополнено использованием платы на металлической основе или с металлическим покрытием. Большой слиток алюминия, используемый в этих платах, позволяет теплу рассеиваться по всей плате и в корпус или оболочку, обеспечивая более равномерное распределение температуры. Это полезно в ряде приложений, таких как платы для светодиодного освещения или высокомощные регуляторы в уникальных условиях.

Керамика

Альтернативные материалы для многослойных подложек печатных плат предоставляют другие преимущества, помимо теплового управления. Например, процесс производства керамических печатных плат позволяет встраивать пассивные компоненты во внутренние слои многослойной керамической печатной платы. Смесь материалов, необходимая для создания керамической платы, позволяет настраивать их механические свойства, сохраняя при этом высокое соотношение теплопроводности к электропроводности. Коэффициент теплового расширения керамики для печатных плат ближе к большинству проводников, что снижает механическое напряжение во время циклирования.

Композитный эпоксидный материал (CEM)

Одной из популярных альтернативных групп материалов, особенно в Азии, являются композитные эпоксидные материалы (CEM), в частности CEM-3. Этот класс композитных материалов изготавливается из тканого стеклотканевого покрытия и не тканого стеклянного сердечника в сочетании с эпоксидной синтетической смолой. Некоторые производители утверждают, что CEM-3 должен полностью заменить FR4, поскольку его производство дешевле, он обеспечивает такой же уровень огнестойкости и может использоваться с теми же производственными процессами, что и FR4.

Температура стеклования CEM-3 (примерно 125 °C) схожа с температурой стеклования FR4 (примерно 135 °C). Другие материалы на основе CEM, например CEM-1 и CEM-2, имеют значительно более низкие температуры стеклования и не должны использоваться для многослойных плат. Большинство производителей рекомендуют использовать CEM-3 только для плат с небольшим количеством слоев, хотя он используется для замены плат FR4 с аналогичным количеством слоев.

Ламинаты высокой частоты

Материал ламината для печатных плат, классифицируемый как "высокочастотный", может относиться к его полезности в двух важных областях:

• Низкий тангенс угла потерь на высоких частотах, обычно ~0.003 или меньше на частотах ~10 ГГц или выше
• Эффекты волоконной текстуры, хотя эти ламинаты могут иметь такой же тангенс угла потерь, как и типичные материалы FR4

Материалы, удовлетворяющие обоим критериям, часто используются в приложениях, таких как радиолокационные модули, работающие на частотах 24 ГГц (короткая дальность), 76-77 ГГц (дальняя дальность) или 77-81 ГГц (короткая дальность). Другие специализированные применения включают радиолокационное изображение, радары для дронов, беспроводные MAN, дистанционное зондирование, SATCOM, дистанционное зондирование и многое другое. В цифровой области для высоких частот требуются альтернативные материалы подложек для печатных плат, чтобы обеспечить очень длинные длины каналов, например, в бэкплейнах или серверных материнских платах. Например, большие бэкплейны 3U/6U могут иметь длину высокоскоростных каналов до 20 дюймов с полосами пропускания, превышающими радиолокационные частоты. Если бы мы разработали эту плату на FR4, сигнал на таком длинном канале был бы невозможно восстановить.

Вероятно, два самых популярных материала для подложек высокочастотных печатных плат - это ламинаты на основе ПТФЭ (Тефлон) с наполнителем из микростекла (например, Rogers) и Megtron. В устройствах, работающих на высоких частотах, использование одного из этих материалов для высокочастотных ламинатов печатных плат может быть лучшим выбором, если ваши каналы маршрутизации будут очень длинными. В коротких каналах доминирующим механизмом потерь будет потеря на возврате

Гибридная конструкция с ПТФЭ

Ламинаты высокой скорости/высокой частоты часто используются во внешнем слое печатных плат высокой скорости/высокой частоты для уменьшения затухания сигнала. Ламинаты на основе ПТФЭ обычно размещаются поверх внутреннего ядра в устройствах высокой скорости, что естественным образом позволяет использовать их в многослойных печатных платах. По сравнению с FR4, Тефлон рекомендуется для частот ГГц и выше, а также для более высоких скоростей передачи данных из-за его значительно меньшей дисперсии и меньшего диэлектрического постоянного, что приводит к более быстрой скорости распространения сигнала на этих высоких скоростях.

PTFE также обладает другими преимуществами. Он плохо поглощает воду, поэтому его можно использовать во влажных или мокрых условиях. PTFE может быть использован как в качестве поверхностного слоя, так и внутреннего ламинирующего слоя с рядом материалов, благодаря чему его можно использовать для создания слоя с низкими потерями специально для сигналов высокой скорости/высокой частоты. Однако он дороже FR4 и работать с ним сложнее при построении стека, так как требует прессования при ~370 °C. Также у PTFE ниже теплопроводность, чем у FR4, поэтому термическое управление в платах из PTFE важно.

Ламинатные материалы для печатных плат высокой плотности

Существует множество других материалов, которые могут быть использованы для печатных плат высокой скорости, высокой температуры и многослойных плат HDI. Стандартные наборы материалов, относящиеся к категории FR4 или на основе PTFE, могут быть изготовлены только до определенной минимальной толщины и должны быть механически просверлены. Эти материалы могут использоваться в печатных платах HDI с механически просверленными скрытыми/закрытыми переходами, но они могут быть не пригодны для использования с микропереходами. Для печатных плат HDI и более продвинутых плат UHDI/подложек для ИС требуются альтернативные материалы; эти альтернативы должны быть совместимы с травлением или добавочным осаждением и лазерным сверлением.

Ламинаты, подходящие для лазерного сверления

Препреги и сердцевины, которые будут использоваться в HDI-конструкциях с микровиасами, должны быть совместимы с лазерным сверлением. Смесь смол, стиль тканого стекла и толщина слоев этих материалов специально разработаны для процесса лазерного сверления. Это позволяет изготавливать виасы малого диаметра (<6 мил), и, учитывая допустимые пределы соотношения сторон для этих структур, требуется тонкий диэлектрический слой. Производители материалов будут специально рекламировать свои материалы для использования в процессах лазерного сверления, если материалы совместимы.

Ламинаты, подходящие для лазерного сверления, охватывают ряд коммерчески доступных марок и формул материалов, некоторые из которых указаны в спецификациях и соответствуют стандартам IPC. К ним относятся материалы на основе стекловолокна и смолы, которые соответствуют определению FR4, и эти материалы доступны от многих популярных производителей (например, Isola и ITEQ). Существуют и другие материалы, подходящие для лазерного сверления, но не попадающие под определение FR4: 

• Пленки на основе смолы с медным покрытием (RCC)
• Полиимид
• Волокно-армированный полиамид (также известный как арамид)
• Смола бисмалеимид-триазин, известная как эпоксид BT

Некоторые из этих материалов полезны как в печатных платах (PCB), так и в высокоплотных подложках для полупроводниковых чипов или чиплетов. Например, RCC является распространенным вариантом для использования в обеих областях как материальная система для высокоплотных конструкций, включающих множество подламинирований.

Пленки для наращивания

Термин "пленка для наращивания" иногда используется вместо ламината, подлежащего лазерному сверлению, который можно найти в HDI PCB. Эти пленки упаковываются в рулоны, которые затем ламинируются на базовые материалы PCB. Самой распространенной пленкой для наращивания является Ajinomoto Buildup Film (ABF), хотя ее наиболее распространенное использование - в производстве подложек для полупроводников, а не как материал для PCB. В настоящее время ABF доминирует в цепочке поставок подложек для полупроводниковых ИС, но его можно использовать в HDI/UHDI PCB. ABF также имеет относительно низкую диэлектрическую проницаемость (до Dk = 3.3) и меньшие потери, чем FR4, что делает его полезным для ASIC или процессоров, требующих каналов с высокой пропускной способностью. Очень близким заменителем для конструкций меньшей плотности (субтрактивное травление) является RCC, который использует органические смолы, покрытые медной фольгой.

Эта пленка может быть изготовлена на основе FR4, эпоксидной смолы BT, термореактивной смолы или других жестких органических основ. Это соответствует стандартной конструкции HDI-стека с стековыми слепыми/закрытыми переходами (тип II), но масштабировано до более высоких плотностей и часто изготавливается с использованием аддитивного процесса.

Взгляд в будущее

По мере того как более продвинутые чипы требуют ультратонких пленок с низким Dk для печатных плат UHDI и упаковки полупроводников, ожидается, что ABF будет использоваться все шире как внутри, так и за пределами полупроводниковой промышленности. Однако из-за доминирования ABF на рынке пленок для наращивания, инновационные компании ищут пленку будущего для наращивания. Эти альтернативы FR4 для обработки внешних слоев также предназначены для обеспечения Dk

Независимо от того, какие альтернативные материалы для подложки печатной платы вы используете в своей следующей многослойной плате, вам понадобится подходящее программное обеспечение для проектирования, чтобы создать вашу структуру PCB и физическую компоновку. Altium Designer^® был создан с инструментами, которые позволяют вам строить продвинутые печатные платы для любого применения. Материалы стека собирают соответствующие электрические и механические спецификации для широкого спектра материалов, и этот инструмент напрямую взаимодействует с вашим проектированием, симуляцией и функциями документации в единой среде проектирования.

Загрузите бесплатную пробную версию Altium сегодня, чтобы узнать больше о функциях проектирования плат и среде проектирования. Вы также получите доступ к лучшим в отрасли функциям проектирования в одной программе. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.