Гибридные печатные платы из стеклотекстолита (FR-4) и материала Rogers — это комбинированные печатные платы, которые дают преимущества обеих основ для высокочастотного и высокоскоростного применения. Ниже приводим подробное описание их использования, технологии, преимущества и возникающие трудности:
1. Гибридные печатные платы широко применяются в производстве:
- Высокочастотные РЧ/СВЧ-схемы (5G, радары, спутниковая связь)
- Авиакосмическая и оборонная промышленность (авионика, системы наведения ракет)
- Телекоммуникации (базовые станции, антенны, фильтры)
- Автомобильные радары (ADAS, датчики миллиметровой волны)
- Медицинская электроника (МРТ, высокоскоростная визуализация)
- Высокоскоростные цифровые схемы (серверные объединительные печатные платы, высокоскоростная передача данных)
2. Базовые характеристики материалов:
Материал FR-4 применяется для некритичных зон передачи ввиду низкой стоимости и хорошей механической прочности.
Материал Rogers (RO4000, RT/duroid, TMM) применяется для высокочастотных сигнальных слоев, так как может обеспечить низкие диэлектрические потери, а также стабильную диэлектрическую проницаемость (DK).
3. Проектирование и изготовление гибридной печатной платы (FR-4 + Rogers)
1) Выбор материала.
Проектирование гибридной печатной платы начинается с выбора материала. Важно использовать разные материалы для разных слоев гибридной печатной платы, чтобы удовлетворить требованиям к теплоотводу, электрическим свойствам и механической прочности.
Поэтому для начала определите материал по критериям:
- Стабильная диэлектрическая проницаемость
- Наименьший тангенс диэлектрических потерь
- Механические свойства - Высокая жёсткость и хорошая теплопроводность
Наблюдается несоответствие коэффициента теплового расширения: при нагревании Rogers и FR-4 расширяются по-разному, что может привести к деформации или расслаиванию. Поэтому следует использовать материал Rogers с низким значением коэффициент теплового расширения (КТР) (например, серии RO4000) и конструктив многослойной печатной платы.
2) Определите области применения.
Используйте FR4 для базовых слоев, для жесткости конструктива и монтажа компонентов, то есть слои, которые обеспечивают механическую прочность, а Rogers для зон, где необходима высокая скорость передачи сигнала, низкие потери и контролируемый импеданс.
3) Создайте линии связи между слоями.
Используйте межслойные переходные отверстия (via), чтобы соединить сигнальные слои FR4 и Rogers.
4) Обеспечьте правильный импеданс.
5) Размещение компонентов и соединений должно учитываться при выборе материалов. Разные материалы обладают различными свойствами, которые влияют на электрические характеристики и производительность печатной платы. Например, FR4 имеет низкую теплопроводность, что требует продуманного размещения компонентов для эффективного рассеивания тепла, тогда как Rogers, обладающий высокой теплопроводностью, может лучше справиться с этим. Кроме того, свойства FR4 ухудшаются при высоких температурах, а материал Rogers может лучше выдерживать такие условия, поэтому важно учитывать это при размещении компонентов, которые могут генерировать тепло. Гибридные печатные платы могут иметь повышенные тепловые нагрузки, поэтому важно учитывать разницу в материалах и обеспечить эффективный отвод тепла.
4. Производство гибридных печатных плат.
1) Подготовка слоев.
Обычно FR4 прессуют с медной фольгой с обеих сторон, создавая базовый слой. Слои Rogers, как правило, используются в качестве слоев с более высокой частотой или для реализации специфических сигнальных путей.
Перед прессованием материалы подвергаются предварительной обработке.
2) Сборка и прессовка:
Разные слои аккуратно собираются, образуя слоистую структуру, и затем подвергаются прессовке под давлением и температурой.
Процесс прессования требует тщательного регулирования температуры из-за различий КТР (коэффициента теплового расширения) FR-4 и Rogers. В качестве связующего материала используются препреги с низкой текучестью. Во время прессования обязательно контролируются температура и давление: Rogers обычно требует более высоких температур прессовки (~280°C), а FR-4 ниже (~180°C), поэтому обычно, во избежание разрушения материала, используется поэтапное прессование.
3) Сверловка и формирование отверстий.
В случае с гибридными печатными платами механическая сверловка требует специальные сверла (твердосплавные) для керамических наполнителей Rogers.
После чего происходит зачистка и металлизация.
Важно, чтобы сквозные переходные отверстия выдерживали перепады температуры. Необходимо использовать заполненные отверстия для повышения надежности.
4) Травление и финишное покрытие
На нашем производстве для гибридных печатных плат используется иммерсионное золото– наилучший вариант для ВЧ
5) Контроль импеданса и целостность сигнала
- Rogers имеет отличную от FR-4 стабильную проницаемость. Необходимо пересчитать ширину трассы для соответствия импеданса. Тест импеданса проводится TDR анализом (рефлектометрический анализ во временной области).
- Важно избегать резких переходов между материалами.
- Для проверки целостности сигнала следует применять инструменты для 3D электромагнитного моделирования (ANSYS HFSS, CST).
- Необходимо проводить испытания на термоциклирование (проверка на расслаивание).
- Обязательно тестирование высокочастотного сигнала - VNA (векторный сетевой анализ) на вносимые и обратные потери.
6) Распространенные ошибки и как их избежать
5. Преимущества гибридных печатных плат
- Производство гибридной печатной платы сокращает расходы, за счет того, что Rogers используется только там, где это необходимо (высокочастотные секции).
- Высокая скорость и возможность проводить СВЧ сигналы. Rogers обеспечивает низкие диэлектрические потери и стабильную диэлектрическую проницаемость для радиочастотных сигналов.
- Механическая прочность: FR-4 добавляет жесткость и структурную поддержку.
- Термопроводность: некоторые материалы Rogers (например, RT/duroid) обладают превосходной теплопроводностью.
- Эффективный проект: оптимизирует целостность сигнала, но сокращает расходы.
6. Трудности и возможные проблемы
- Так как FR-4 и Rogers имеют разные коэффициенты теплового расширения, возможен риск расслоения или коробления во время термоциклирования.
- Сложный процесс прессования требует точного контроля давления и температуры во время склеивания.
6. Заключение
Гибридные печатные платы FR-4/Rogers идеально подходят для применения в высокочастотных и смешанных СВЧ системах, где стоимость и производительность должны быть сбалансированы. Возникающие трудности требуют тщательного изучения и достаточного опыта производителя для обеспечения надежности результата.
Ключевые моменты в производстве печатных плат - это выбор материала, симметричность конструктива многослойной печатной платы, для уменьшения несоответствия КТР, и тщательное тестирование на целостность сигнала и теплопроводность.
«ЭЛЕКТРОконнект» имеет опыт производства гибридных печатных плат и готов приступить к выполнению Вашего заказа.
