Dans les applications haute fréquence telles que les stations de base 5G, les radars à ondes millimétriques de 77 GHz, les communications par satellite, etc., Rogers+fr4 hybride est devenu une solution standard de l'industrie qui équilibre les performances RF et le contrôle des coûts. En utilisant Rogers uniquement dans la couche de signal haute fréquence et fr4 dans les autres couches, les coûts de matériaux peuvent être réduits de 30 % -70 %. Mais le pressage mixte n'est pas simplement une question d'empilement de matériaux, et les défis de processus provoqués par les différences de propriétés physiques entre les deux matériaux en font une « pierre de touche » pour mesurer la résistance technique des circuits imprimés haute fréquence.fabricants.
1, quelle est la difficulté du processus de pression mixte ? Quatre principaux goulets d'étranglement technologiques
1.1 Inadéquation CTE - la cause première du délaminage et de la déformation
La différence de coefficient de dilatation thermique (CTE) est la contradiction fondamentale du processus de compression mixte, qui détermine directement la limite supérieure de fiabilité de la plaque de compression mixte :
| Type de matériau | CTE sur l'axe Z- (ppm/degré C) | CTE sur l'axe X/Y- (ppm/degré C) | Tg (degré) |
|---|---|---|---|
| Norme fr4 | 50~70 | 12~16 | 130~140 |
| Tg élevée fr4 | 25~30 | 12~16 | Supérieur ou égal à 170 |
| RogersRO4350B | 32 | 10~12 | >280 |
| Rogers RO4003C | 46 | 11~14 | >280 |
| RogersRO4835 | 28 | 10~12 | >280 |
| Classe PTFE (RT/duroid 5880) | 200~300 | 50~100 | 327 |
Défaillance de la chaîne causée par une inadéquation CTE :
Délaminage intercouche : lorsque la température maximale du brasage par refusion est de 245 -260 degrés C, la différence d'expansion sur l'axe Z entre les deux matériaux peut atteindre des dizaines de micromètres et la contrainte de cisaillement interfaciale peut atteindre 2 à 3 MPa. Si la force de liaison est insuffisante, le délaminage peut être directement effectué
Fissuration des trous de cuivre : pendant le cycle thermique, des contraintes de traction et de compression répétées sont concentrées sur la paroi du trou et les trous de cuivre d'une épaisseur de 20 à 25 μm sont sujets à des microfissures au milieu, conduisant à des circuits ouverts.
Déformation par gauchissement : l'empilement asymétrique peut se déformer jusqu'à 1,2-2,5 mm/m, et le gauchissement du FR-4 de 0,1 mm d'épaisseur mélangé avec du PTFE peut dépasser 1,9 cm, dépassant de loin l'exigence de 0,75 % de la norme IPC-6012.
Pas d'impédance : lorsqu'une ligne de signal traverse un milieu, un pic transitoire de +7 Ω est généré, provoquant une réflexion du signal.
Données de test réelles : après un cycle thermique à -40 degrés C ~ 85 degrés C, le taux de délaminage de la plaque de pression mixte non optimisée peut atteindre 12 % et la stabilité du signal chute fortement de 25 %.
Le dilemme de la température de pressage causé par la différence de Tg 1,2
La température de compression optimale pour le fr4 est de 170 à 185 degrés C et il doit être entièrement réticulé et durci.
La série Rogers RO4000 a une Tg d'environ 280 degrés C et une compatibilité de température acceptable, mais les matériaux PTFE sont sujets à une légère déformation à haute température.
Dilemme : une température excessive provoque la déformation de Rogers et la perte de contrôle du flux de colle ; Si la température est trop basse, la feuille semi-durcie FR4 ne durcira pas suffisamment et l'adhérence intercouche sera insuffisante.
1.3 Inadéquation de constante diélectrique - problème de discontinuité d'impédance
Rogers RO4350B : Dk≈3,48,Df≈ 0,0037 à 10 GHz
Norme FR-4 : Dk ≈ 4,2~4,8, Df ≈ 0,018~ 0,025 à 10 GHz
Sous la même largeur de ligne, lorsque le signal passe de Rogers dans la région fr4, le décalage d'impédance peut atteindre plusieurs ohms. La commutation entre couches de lignes de signaux haute fréquence - peut provoquer de graves réflexions du signal et une détérioration des pertes d'insertion.
1.4 Le matériau PTFE a une énergie de surface extrêmement faible - manque inhérent de force de liaison
L'énergie de surface des matériaux Rogers à base de PTFE n'est que de 18 à 20 mN/m (fr4 est d'environ 40 à 50 mN/m), et leur hydrophobie naturelle et leur inertie chimique conduisent à :
Mauvaise adhérence aux feuilles de cuivre et aux feuilles semi-durcies
Lorsqu'elle n'est pas activée, la résistance au pelage interfacial est bien inférieure à celle entre les couches FR4
Sous choc thermique, il est sujet au délaminage, à la fissuration et au détachement du cuivre dans les pores.
2, Comment bien appuyer sur Rogers+fr4 ? Solution technologique de processus complète
Étape 1 : Sélection des matériaux - Réduire l'écart CTE par rapport à la source
Matériau Rogers « miscible » préféré :
Série RO4000 préférée : RO4350B, RO4003C, RO4835 sont spécialement conçus pour être mélangés avec fr4, avec un CTE sur l'axe X/Y de 10-14 ppm/degré C proche des 12-16 ppm/degré C du FR-4.
Solution optimale pour le remplissage en céramique : le CTE de l'axe Z- du RO4835 est de 28 ppm/degré C, ce qui réduit la différence avec une Tg fr4 élevée (25 ppm/degré C) à moins de 10 % et minimise le risque d'inadéquation des contraintes thermiques.
Le matériau PTFE doit être utilisé avec prudence : s'il est nécessaire d'utiliser des substrats PTFE tels que RT/duroid 5880, le RO4350B doit être configuré des deux côtés comme couche de transition pour former un gradient progressif CTE.
fr4 doit être mis à niveau vers un matériau à haute Tg :
En utilisant un faible CTE fr4 avec une Tg supérieure ou égale à 170 degrés C, le CTE de l'axe Z- peut être optimisé à 25-30 ppm/degré C.
Il est interdit d'utiliser un FR-4 Tg=130~140 degrés C ordinaire pour la compression mixte, car la fiabilité du cyclage thermique ne peut être garantie.
Étape 2 : Conception d'empilement - La symétrie est une loi d'airain
L'application d'un empilement symétrique à 100 % est le moyen le plus efficace de contrôler la déformation :
Le type de matériau, l'épaisseur, l'épaisseur du cuivre et le modèle PP des couches diélectriques supérieure et inférieure doivent être complètement symétriques, avec la couche centrale du PCB comme axe de symétrie.
Les couches-haute fréquence doivent être disposées symétriquement par paires, et il est strictement interdit de placer une seule couche de substrat haute fréquence sur un côté.
Exemple typique de structure à pression mixte à 6 couches :
TextL1 : RO4350B (couche de signal haute-fréquence) L2 : PP (RO4450F) L3 : haute Tg fr4 (formation) L4 : haute Tg fr4 (couche de puissance) L5 : haute Tg fr4 (formation) L6 : PP (RO4450F) L7 : RO4350B (couche de signal haute-fréquence) ← Symétrie miroir avec L1
Structure typique à 10 couches : L1 (RO4350B)/L2 (PP)/L3-L8 (FR-4)/L9 (PP)/L10 (RO4350B)
Résultats réels des tests : l'empilement symétrique peut réduire le gauchissement après un cycle thermique de 1,2 % à 0,5 %.