In Hochfrequenzanwendungen wie 5G-Basisstationen, 77-GHz-Millimeterwellenradar, Satellitenkommunikation usw. hat sich Rogers+fr4 Hybrid zu einer Industriestandardlösung entwickelt, die HF-Leistung und Kostenkontrolle in Einklang bringt. Durch die Verwendung von Rogers nur in der Hochfrequenzsignalschicht und fr4 in anderen Schichten können die Materialkosten um 30 % -70 % gesenkt werden. Beim Mischpressen geht es jedoch nicht nur um die Materialstapelung, und die Prozessherausforderungen, die sich aus den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der beiden Materialien ergeben, machen es zu einem „Prüfstein“ für die Messung der technischen Festigkeit von Hochfrequenz-LeiterplattenHersteller.
1. Was ist die Schwierigkeit des Mischdruckverfahrens? Vier zentrale technologische Engpässe
1.1 CTE-Nichtübereinstimmung - ist die Hauptursache für Delaminierung und Verformung
Der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) ist der grundlegende Widerspruch im Mischkompressionsprozess, der direkt die Obergrenze der Zuverlässigkeit der Mischkompressionsplatte bestimmt:
| Materialtyp | CTE der Z--Achse (ppm/Grad C) | CTE der X/Y--Achse (ppm/Grad C) | Tg (Grad) |
|---|---|---|---|
| Standard fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Hohe Tg fr4 | 25~30 | 12~16 | Größer oder gleich 170 |
| Rogers RO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| Rogers RO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| PTFE-Klasse (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Kettenausfall durch CTE-Fehlanpassung:
Ablösung der Zwischenschichten: Wenn die Spitzentemperatur beim Reflow-Löten 245-260 °C beträgt, kann der Unterschied in der Z-Achsen-Ausdehnung zwischen den beiden Materialien mehrere zehn Mikrometer erreichen, und die Scherspannung an der Grenzfläche kann 2–3 MPa erreichen. Reicht die Haftfestigkeit nicht aus, kann direkt eine Delaminierung durchgeführt werden
Rissbildung in Kupferlöchern: Während der Temperaturwechselbelastung konzentriert sich die wiederholte Zug-Druckspannung auf die Lochwand, und Kupferlöcher mit einer Dicke von 20–25 μm neigen in der Mitte zu Mikrorissen, die zu offenen Schaltkreisen führen
Verformungsverformung: Bei asymmetrischer Stapelung kann es zu Verformungen von bis zu 1,2–2,5 mm/m kommen, und die Verformung von 0,1 mm dickem FR-4 gemischt mit PTFE kann 1,9 cm überschreiten, was weit über der 0,75 %-Anforderung des IPC-6012-Standards liegt
Impedanzschritt: Wenn eine Signalleitung ein Medium kreuzt, wird eine transiente Spitze von +7 Ω erzeugt, die eine Signalreflexion verursacht
Tatsächliche Testdaten: Nach Temperaturwechsel bei -40 °C bis 85 °C kann die Delaminationsrate der nicht optimierten gemischten Druckplatte 12 % erreichen und die Signalstabilität sinkt stark um 25 %.
Das Dilemma der Presstemperatur, verursacht durch den Unterschied in Tg 1,2
Die optimale Kompressionstemperatur für fr4 beträgt 170–185 °C und es muss vollständig vernetzt und ausgehärtet sein
Die RO4000-Serie von Rogers hat eine Tg von ca. 280 °C und eine akzeptable Temperaturkompatibilität, allerdings neigen PTFE-Materialien bei hohen Temperaturen zu leichten Verformungen
Dilemma: Zu hohe Temperaturen führen dazu, dass Rogers sich verformt und die Kontrolle über den Leimfluss verliert; Wenn die Temperatur zu niedrig ist, härtet die halbgehärtete FR4-Platte nicht ausreichend aus und die Haftung zwischen den Schichten ist unzureichend
1.3 Fehlanpassung der Dielektrizitätskonstante - Impedanzdiskontinuitätsproblem
Rogers RO4350B:Dk≈3,48,Df≈ 0,0037@10GHz
Standard FR-4: Dk ≈ 4,2–4,8, Df ≈ 0,018–0,025 bei 10 GHz
Wenn das Signal bei gleicher Leitungsbreite von Rogers in den fr4-Bereich übergeht, kann der Impedanzversatz mehrere Ohm erreichen. Das schichtübergreifende Schalten von Hochfrequenzsignalleitungen kann zu starker Signalreflexion und einer Verschlechterung der Einfügungsdämpfung führen.
1.4 PTFE-Material hat eine extrem niedrige Oberflächenenergie - und weist daher einen inhärenten Mangel an Bindungsfestigkeit auf
Die Oberflächenenergie von Rogers-Materialien auf PTFE-Basis beträgt nur 18–20 mN/m (fr4 beträgt etwa 40–50 mN/m), und ihre natürliche Hydrophobie und chemische Inertheit führen zu:
Schlechte Haftung auf Kupferfolie und halbgehärtetem Blech
Wenn es nicht aktiviert ist, ist die Schälfestigkeit an der Grenzfläche viel geringer als die zwischen fr4-Schichten
Unter thermischem Schock neigt es zur Delaminierung, Rissbildung und Kupferablösung in den Poren
2, Wie lässt sich Rogers+fr4 gut pressen? Vollständige Prozesstechnologielösung
Schritt 1: Materialauswahl - Verkleinerung der CTE-Lücke gegenüber der Quelle
Bevorzugtes „mischbares“ Rogers-Material:
Bevorzugte RO4000-Serie: RO4350B, RO4003C, RO4835 sind speziell für die Mischung mit fr4 konzipiert, mit einem X/Y-Achsen-WAK von 10–14 ppm/Grad C, der nahe an den 12–16 ppm/Grad C von FR-4 liegt
Optimale Lösung für Keramikfüllungen: Der WAK der Z--Achse von RO4835 beträgt 28 ppm/Grad C, was den Unterschied zur hohen Tg fr4 (25 ppm/Grad C) auf innerhalb von 10 % reduziert und das Risiko einer Fehlanpassung der thermischen Spannung minimiert
PTFE-Material sollte mit Vorsicht verwendet werden: Wenn PTFE-Substrate wie RT/Duroid 5880 verwendet werden müssen, sollte RO4350B auf beiden Seiten als Übergangsschicht konfiguriert werden, um einen allmählichen WAK-Gradienten zu bilden
fr4 muss zu einem Material mit hoher Tg aufgewertet werden:
Bei Verwendung eines niedrigen CTE fr4 mit einer Tg größer oder gleich 170 Grad C kann der CTE der Z--Achse auf 25–30 ppm/Grad C optimiert werden
Es ist verboten, FR-4 mit normalem Tg=130~140 °C für die gemischte Kompression zu verwenden, da die Zuverlässigkeit des Temperaturwechsels nicht garantiert werden kann
Schritt 2: Stapeldesign - Symmetrie ist ein eisernes Gesetz
Die Durchsetzung einer 100 % spiegelsymmetrischen Stapelung ist die effektivste Methode zur Kontrolle von Warping:
Der Materialtyp, die Dicke, die Kupferdicke und das PP-Modell der oberen und unteren dielektrischen Schichten müssen vollständig symmetrisch sein, mit der PCB-Mittelschicht als Symmetrieachse
Die Hochfrequenzschichten müssen paarweise symmetrisch angeordnet sein und es ist strengstens verboten, nur eine Schicht Hochfrequenzsubstrat auf einer Seite zu platzieren
Beispiel für eine typische 6-lagige Mischdruckstruktur:
TextL1: RO4350B (Hochfrequenz-Signalschicht) L2: PP (RO4450F) L3: hohe Tg fr4 (Formation) L4: hohe Tg fr4 (Leistungsschicht) L5: hohe Tg fr4 (Formation) L6: PP (RO4450F) L7: RO4350B (Hochfrequenz-Signalschicht) ← Spiegelsymmetrie mit L1
Typischer 10-Schicht-Aufbau: L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Tatsächliche Testergebnisse: Durch symmetrisches Stapeln kann der Verzug nach Temperaturwechsel von 1,2 % auf 0,5 % reduziert werden.