Lựa chọn các Phương án thay thế FR4 cho Vật liệu nền PCB dành cho Bảng mạch Đa lớp

Đôi khi, việc làm trái lại với số đông lại mang lại lợi ích. Các loại nền FR4 là lựa chọn phổ biến nhất mà bạn có thể tìm thấy từ các nhà sản xuất, và mỗi nhà sản xuất đều có nhà cung cấp ưa thích của riêng họ. Tuy nhiên, bạn có thể muốn tìm kiếm các vật liệu nền PCB thay thế cho bảng mạch đa lớp. Mặc dù có nhiều nhà sản xuất vật liệu lớp phủ PCB, nhưng lớp vật liệu nền có sẵn lại khá hạn chế.

Nếu bạn cần xây dựng một thiết bị chuyên biệt cho môi trường khắc nghiệt, chu kỳ nhiệt độ lặp đi lặp lại, hoặc thiết bị tốc độ cao/RF, có các vật liệu thay thế cho nền PCB đa lớp có thể là lựa chọn tốt hơn. Tôi sẽ trình bày một số ví dụ trong bài viết này, mặc dù tôi sẽ cố gắng không thiên vị nhà cung cấp nào. Điều quan trọng hơn là hiểu các tiêu chí để chọn một lựa chọn thay thế cho nền FR4, và tôi sẽ cung cấp các tiêu chí quan trọng cho các ứng dụng khác nhau.

Bạn Không Cần Phải Chấp Nhận Nền FR4

Thứ chúng ta gọi là "FR4" thực sự là một danh hiệu của Hiệp hội Các Nhà Sản Xuất Điện Quốc Gia (NEMA) cho một lớp vật liệu; nó không phải là một vật liệu cụ thể hay một thành phần vật liệu cụ thể. Các lớp phủ PCB này tuân thủ tiêu chuẩn UL94V-0 về khả năng chống cháy của vật liệu nhựa.

Nhược điểm của FR4

Trong khi FR4 là loại vật liệu nền phổ biến nhất cho cả PCB đơn lớp và đa lớp, nó có những hạn chế như sau:

• Tính dẫn nhiệt thấp: Giống như các chất cách điện khác, FR4 cũng là một chất dẫn nhiệt kém so với các vật liệu khác phù hợp cho việc hỗ trợ mạch in.
• Khá mất mát: Lớp phủ cơ sở FR4 được biết đến với đặc tính mất mát, được cho bởi góc mất mát khoảng 0.02 tại khoảng 1 GHz. Điều hướng các dải stripline hoặc một hướng dẫn sóng tích hợp trên cơ sở sẽ đảm bảo cách ly cao từ các tín hiệu khác, nhưng phải trả giá bằng sự suy giảm lớn hơn khi tín hiệu gặp toàn bộ góc mất mát.
• Hiệu ứng sợi dệt: Ở vài chục GHz, sợi thủy tinh được sử dụng trong lớp phủ FR4 tạo ra những hiệu ứng thú vị như sự chênh lệch tích lũy và mất mát cộng hưởng dọc theo đường truyền tín hiệu.
• Sự không phù hợp với CTE của đồng: Giá trị hệ số giãn nở nhiệt theo trục z của hầu hết các lớp phủ FR4 có sự không phù hợp lớn với đồng (thường là FR4:Cu = ~3:1). Điều này chỉ là một vấn đề lớn dưới sự thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại hoặc các biến động nhiệt độ cực đoan trên nhiệt độ chuyển giao thủy tinh.

Đối với những thiết kế đơn giản hoạt động ở tốc độ/thường số thấp, và không chạy quá nóng hoặc trong môi trường khắc nghiệt, những hạn chế này có lẽ sẽ không quan trọng. Đối với những thiết kế hiện đại hơn, việc ít nhất xem xét các lựa chọn thay thế cho FR4 là quan trọng. Trước khi bạn bắt đầu thiết kế xung quanh một vật liệu nền PCB thay thế, hãy nói chuyện với một số nhà sản xuất để xem họ có thể làm việc với những vật liệu nào trong quy trình của họ, và để xem họ khuyến nghị độ dày lớp nào trong bố cục chồng lớp của họ. Họ sẽ gửi lại cho bạn một bảng bố cục PCB như hình dưới đây.

Nhu cầu Về Nhiệt và Độ Tin cậy

Xét đến nhu cầu về nhiệt trong các PCB hiện đại hoạt động ở tốc độ cao và/hoặc tần số cao, và xét đến môi trường khắc nghiệt mà những hệ thống này được triển khai, có thể sẽ hợp lý khi sử dụng một vật liệu khác cho PCB tiếp theo của bạn. Bạn có một số lựa chọn về vật liệu nền, hoặc một số lựa chọn thiết kế thay thế để cố gắng xử lý nhiệt độ cao trong một số ứng dụng.

Sử dụng một tấm mạch có độ dẫn nhiệt cao hơn cho phép nhiệt dễ dàng lan tỏa khắp bảng mạch, giúp bảng mạch của bạn hoạt động ở nhiệt độ đồng đều hơn. Các bảng mạch FR4 với các thiết bị tốc độ cao/tần số cao có thể phát triển các điểm nóng xung quanh các bộ xử lý tốc độ cao lớn (ví dụ, FPGA hoặc MPU). Tổng độ dẫn nhiệt của bảng mạch có thể được tăng lên bằng cách sử dụng một số vật liệu thay thế hoặc sử dụng thêm các lớp mặt phẳng. Trong những bảng mạch này, bạn nên sử dụng tản nhiệt trên các thành phần quan trọng dù sao, hoặc có thể là một quạt để tạo luồng không khí. Một lựa chọn khác là sử dụng vật liệu giao diện nhiệt để liên kết bảng mạch với vỏ máy, tạo ra một lối cho nhiệt trực tiếp trở lại vỏ máy.

Ví dụ về Vật liệu Nền PCB Đa lớp Thay thế

Trong phần này, tôi muốn trình bày một số lựa chọn thay thế mà một số nhà thiết kế có thể chưa xem xét. Những vật liệu thay thế này nhắm vào một số nhược điểm cụ thể thấy ở nền FR4. Quan trọng là phải lưu ý rằng không có một vật liệu nền PCB thay thế nào có thể khắc phục mọi nhược điểm của lớp phủ FR4. Thay vào đó, bạn cần chọn nhược điểm cụ thể mà quan trọng đối với hệ thống của bạn. Một số ví dụ được tìm thấy trong bảng sau:

Bảng Mạ Kim loại hoặc Bảng Có Lớp Lót Kim loại

Quản lý nhiệt độ trên bảng mạch FR4 có thể được bổ sung bằng cách sử dụng bảng mạch có lõi kim loại hoặc bảng mạch có lớp lót kim loại. Tấm nhôm lớn được sử dụng trong các bảng mạch này giúp nhiệt độ được phân tán khắp bảng mạch và vào vỏ hoặc nhà ở, đảm bảo phân phối nhiệt độ đều hơn. Điều này hữu ích trong một số ứng dụng, như bảng mạch cho đèn LED hoặc bộ điều chỉnh công suất cao trong môi trường đặc biệt.

Gốm

Các vật liệu thay thế cho cơ sở vật liệu bảng mạch đa lớp cung cấp những lợi ích khác ngoài quản lý nhiệt. Ví dụ, quy trình sản xuất cho bảng mạch gốm cho phép các thành phần bị động được nhúng vào các lớp bên trong của một bảng mạch gốm đa lớp. Hỗn hợp các vật liệu cần thiết để tạo ra một bảng mạch gốm cho phép điều chỉnh các tính chất cơ học của chúng trong khi duy trì tỷ lệ dẫn nhiệt so với dẫn điện cao. Hệ số giãn nở nhiệt của gốm cho bảng mạch gần hơn với hầu hết các dẫn điện, giảm căng thẳng cơ học trong quá trình chu kỳ.

Vật liệu Epoxy Composite (CEM)

Một nhóm vật liệu thay thế phổ biến, đặc biệt ở Châu Á, là vật liệu epoxy composite (CEM), cụ thể là CEM-3. Lớp vật liệu composite này được làm từ bề mặt vải thủy tinh dệt và lõi thủy tinh không dệt kết hợp với nhựa epoxy tổng hợp. Một số nhà sản xuất cho rằng CEM-3 nên hoàn toàn thay thế FR4 vì nó rẻ hơn để sản xuất, cung cấp cùng mức độ chống cháy, và có thể sử dụng với cùng các quy trình sản xuất như FR4.

Nhiệt độ chuyển pha của CEM-3 (khoảng 125 °C) tương tự như FR4 (khoảng 135 °C). Các vật liệu dựa trên CEM khác, ví dụ CEM-1 và CEM-2, có nhiệt độ chuyển pha thấp hơn nhiều và không nên sử dụng với các bảng mạch đa lớp. Hầu hết các nhà sản xuất chỉ khuyến nghị sử dụng CEM-3 cho số lượng lớp thấp, mặc dù nó đang được sử dụng để thay thế các bảng mạch FR4 với số lượng lớp tương tự.

Laminates Tần Số Cao

Một vật liệu laminate PCB được phân loại là "tần số cao" có thể đề cập đến tính hữu ích của nó trong hai lĩnh vực quan trọng:

• Hệ số tổn hao thấp ở tần số cao, thường là ~0.003 hoặc ít hơn ở ~10 GHz trở lên
• Hiệu ứng sợi dệt, mặc dù những tấm lớp này có thể có hệ số tổn hao giống như vật liệu FR4 thông thường

Vật liệu đáp ứng cả hai tiêu chí thường được sử dụng trong các ứng dụng như mô-đun radar hoạt động ở 24 GHz (tầm ngắn), 76-77 GHz (tầm xa), hoặc 77-81 GHz (tầm ngắn). Các ứng dụng chuyên biệt khác bao gồm radar hình ảnh, radar máy bay không người lái, mạng MAN không dây, cảm biến từ xa, SATCOM, cảm biến từ xa, và nhiều hơn nữa. Trong lĩnh vực kỹ thuật số, các vật liệu nền PCB thay thế cho tần số cao là cần thiết để cho phép độ dài kênh rất dài, như trong backplanes hoặc bo mạch chủ máy chủ. Ví dụ, backplanes lớn 3U/6Ucó thể có độ dài kênh tốc độ cao đạt tới 20 inch với băng thông vượt qua tần số radar. Nếu chúng ta thiết kế bo mạch này trên FR4, bạn sẽ không bao giờ khôi phục được tín hiệu từ một kênh dài như vậy.

Có lẽ hai loại vật liệu nền PCB tần số cao phổ biến nhất là laminate dựa trên PTFE (Teflon) với chất độn microglass (ví dụ, Rogers) và Megtron. Trong các thiết bị sẽ hoạt động ở tần số cao, sử dụng một trong những vật liệu laminate PCB tần số cao này có thể là lựa chọn tốt nhất nếu các kênh định tuyến của bạn sẽ rất dài. Trong các kênh ngắn, mất mát trở lại sẽ là cơ chế mất mát chủ đạo

Kết cấu Hỗn hợp với PTFE

Laminate tốc độ cao/tần số cao thường được sử dụng ở lớp ngoài của PCB tốc độ cao/tần số cao nhằm giảm suy hao tín hiệu. Laminate dựa trên PTFE thường được đặt trên cùng của một lõi bên trong trong các thiết bị tốc độ cao, tự nhiên cho phép nó được sử dụng với PCB đa lớp. So với FR4, Teflon được khuyến nghị cho GHz và các tần số cao hơn cũng như tốc độ truyền dữ liệu do độ phân tán thấp hơn nhiều và hằng số điện môi thấp hơn, dẫn đến tốc độ truyền tín hiệu nhanh hơn ở những tốc độ cao này.

PTFE cũng mang lại những lợi ích khác. Nó hấp thụ nước kém, do đó rất hữu ích trong môi trường ẩm ướt hoặc có nước. Nó có thể được sử dụng như một lớp bề mặt hoặc lớp lót bên trong với nhiều loại vật liệu, do đó nó có thể được sử dụng để tạo ra một lớp giảm tổn thất cụ thể cho tín hiệu tốc độ cao/tần số cao. Tuy nhiên, nó đắt hơn FR4 và khó làm việc hơn trong việc xây dựng stackup vì nó yêu cầu ép ở khoảng 370 °C. Nó cũng có độ dẫn nhiệt thấp hơn so với FR4, do đó quản lý nhiệt trong các bảng mạch PTFE là quan trọng.

Vật liệu Laminate PCB cho Thiết kế PCB Mật độ Cao

Có một loạt các vật liệu khác có thể được sử dụng cho tốc độ cao, nhiệt độ cao và ban mạch đa lớp HDI. Các bộ vật liệu tiêu chuẩn thuộc về lĩnh vực của FR4 hoặc vật liệu dựa trên PTFE chỉ có thể được làm với một độ dày tối thiểu nhất định và phải được khoan cơ học. Những vật liệu này có thể được sử dụng trong PCB HDI với vias mù/chôn khoan cơ học, nhưng chúng có thể không sử dụng được với microvias. Cần có vật liệu thay thế cho PCB HDI và các PCB/UHDI PCB/substrate IC tiên tiến hơn; những vật liệu thay thế này phải tương thích với khắc hoặc ký gửi phụ gia, và khoan bằng laser.

Laminates Có Thể Khoan Bằng Laser

Prepregs và lõi được sử dụng trong thiết kế HDI với microvias cần phải tương thích với khoan laser. Hỗn hợp nhựa, kiểu dệt thủy tinh, và độ dày của các lớp vật liệu này đều được pha chế cho quá trình khoan laser. Điều này cho phép chế tạo vias có đường kính nhỏ (giới hạn tỷ lệ khía cạnh cho phép của các cấu trúc này, một lớp điện mô mỏng là cần thiết. Các nhà sản xuất vật liệu sẽ tiếp thị vật liệu của họ cụ thể cho việc sử dụng trong quá trình khoan laser nếu vật liệu đó tương thích.

Laminates có thể khoan laser bao gồm một loạt các thương hiệu và công thức vật liệu có sẵn trên thị trường, một số trong đó được chỉ định trong slash sheets và tuân thủ các tiêu chuẩn IPC. Chúng bao gồm vật liệu nhựa cốt thủy tinh phù hợp với định nghĩa của FR4, và các vật liệu này có sẵn từ nhiều nhà sản xuất phổ biến (ví dụ, Isola và ITEQ). Có những vật liệu khác có thể khoan laser nhưng không nằm trong định nghĩa của FR4: 

• Phim dựa trên nhựa phủ đồng (RCC)
• Polyimide
• Polyamide cốt sợi (còn gọi là, aramid)
• Nhựa Bismaleimide-Triazine, còn gọi là BT epoxy

Một số vật liệu này hữu ích trong cả PCB và các nền chất có mật độ cao dành cho chip bán dẫn hoặc chiplet. Ví dụ, RCC là một lựa chọn phổ biến để sử dụng trong cả hai lĩnh vực như một hệ thống vật liệu cho các bản mạch có mật độ cao bao gồm nhiều lớp phụ.

Màng Tích Tụ

Thuật ngữ "màng tích tụ" đôi khi được sử dụng thay cho laminate có thể khoan bằng laser được tìm thấy trong PCB HDI. Những màng này được đóng gói dưới dạng cuộn phim sau đó được ép vào vật liệu PCB cơ bản. Màng tích tụ phổ biến nhất là Ajinomoto Buildup Film (ABF), mặc dù ứng dụng phổ biến nhất của nó là trong sản xuất nền chất bán dẫn chứ không phải là vật liệu PCB. Hiện nay, ABF chiếm ưu thế trong chuỗi cung ứng cho nền chất IC bán dẫn, nhưng nó có thể được sử dụng trong PCB HDI/UHDI. ABF cũng có hằng số điện môi tương đối thấp (xuống đến Dk = 3.3) và tổn thất thấp hơn FR4, điều này làm cho nó hữu ích cho ASICs hoặc bộ xử lý yêu cầu kênh băng thông cao. Một sự thay thế rất gần cho các thiết kế mật độ thấp hơn (khắc trừ) là RCC, sử dụng nhựa hữu cơ phủ bằng lá đồng.

Màng này có thể được xây dựng trên lõi FR4, lõi epoxy BT, lõi nhựa nhiệt rắn, hoặc các lõi hữu cơ cứng khác. Điều này tuân theo cấu trúc chồng HDI tiêu chuẩn với via mù/chôn chồng lên nhau (loại II), nhưng được mở rộng đến mật độ cao hơn và thường được chế tạo bằng quy trình cộng hóa.

Hướng tới Tương lai

Khi các chip tiên tiến yêu cầu các lựa chọn màng xây dựng mỏng, có Dk thấp cho PCB UHDI và bao bì bán dẫn, hãy kỳ vọng ABF sẽ được sử dụng nhiều hơn trong và ngoài ngành công nghiệp bán dẫn. Tuy nhiên, do sự thống trị thị trường của ABF trong các màng xây dựng, các công ty sáng tạo đang tìm kiếm màng xây dựng của tương lai. Các lựa chọn thay thế FR4 cho xử lý lớp ngoài cũng được dự định có Dk

Dù bạn sử dụng vật liệu nào thay thế cho vật liệu nền PCB trong bảng mạch đa lớp tiếp theo của mình, bạn cần phần mềm thiết kế phù hợp để tạo ra cấu trúc PCB và bố cục vật lý của bạn. Altium Designer^® được tạo ra với các công cụ cho phép bạn xây dựng PCB tiên tiến cho bất kỳ ứng dụng nào. Các vật liệu cấu trúc tổng hợp các thông số kỹ thuật điện và cơ khí liên quan cho một loạt các vật liệu, và công cụ này kết nối trực tiếp với thiết kế, mô phỏng, và tính năng tài liệu của bạn trong một môi trường thiết kế thống nhất.

Tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm về các tính năng thiết kế bảng mạch và môi trường thiết kế. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào các tính năng thiết kế tốt nhất của ngành trong một chương trình duy nhất. Nói chuyện với chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.