О применении FR-4 и высокочастотных ламинатов

О применении FR-4 и высокочастотных ламинатов.

John Coonrod, Rogers Corp.

Даже в тех случаях, когда электрические характеристики не являются критичными при разработке печатной платы, высокочастотные ламинаты могут обеспечить несколько преимуществ. Часто высокочастотные ламинаты используются для улучшенного контроля импеданса, лучшего теплового регулирования, низкого влагопоглощения и лучшего функционирования в динамичной окружающей тепловой среде. Без сомнения, высокочастотные ламинаты обеспечивают значительное улучшение электрических характеристик относительно FR-4; часто комбинация этих материалов применяется для получения наилучших результатов.

Много лет вопрос, который периодически задаётся многими специалистами, звучит так: « Когда я должен использовать высокочастотный ламинат вместо стандартного FR-4?». Ответ имеет много аспектов для рассмотрения. Существует много вопросов для тщательного рассмотрения, связанных с изготовлением, сборкой, а также с требованиями конечных пользовательских приложений. Конечно, существуют переменные для рассмотрения, относящиеся и непосредственно к материалам, и то каким образом материалы взаимодействуют с перечисленными проблемами.

Чтобы решить все эти вопросы существует много различных типов высокочастотных ламинатов. Некоторые из них – почти чистые PTFE(Nearly pure PTFE) или PTFE с наполнителем(Filled PTFE), другие – термореактивные углеводородные системы(Thermoset hydrocarbon). При применении этих высокочастотных ламинатов также есть компромиссы для рассмотрения.

Мы представляем некоторое руководство для понимания, когда лучше выбрать FR-4 материал, а когда лучше - высокочастотные материалы. Различные области для рассмотрения – базовые свойства материалов, производство печатных плат, надёжность и требования конечных пользовательских приложений. Чтобы помочь ответить на вопрос, когда в действительности необходимы улучшенные электрические характеристики высокочастотных ламинатов относительно FR-4 подложек, в раздел, где рассматриваются требования конечных пользовательских приложений включены и вопросы, относящиеся к электрическим характеристикам. В конце статьи рассматривается тема, которая становится очень популярной - многослойные гибридные печатные платы с комбинированным использованием FR-4 и высокочастотных ламинатов.

Базовые свойства материалов для рассмотрения.

FR-4 подложка, рассматриваемая в статье – это высокоэффективный FR-4 материал. Конкретно, это FR-4 подложка, способная вынести несколько циклов ламинирования, процесс пайки без свинца, устойчивая к стандартным технологиям производства печатной платы и имеющая высокую температуру стеклования (Tg). Высокочастотные материалы, рассматриваемые здесь – трёх общих типов: почти чистый PTFE (Nearly pure PTFE), PTFE с керамикой(ceramic filled PTFE) и термореактивные углеводородные подложки(thermoset hydrocarbon). Годами ведётся работа по улучшению FR-4 материала для производства печатных плат. Как правило, изготовитель печатных плат может обрабатывать FR-4 материалы и получать схемы с хорошими показателями производительности и стоимости. Этого может не получиться в случаях применения некоторых высокочастотных ламинатов. Почти чистые PTFE ламинаты обеспечивают превосходные электрические характеристики, однако они, как правило, требуют некоторой нестандартной обработки при изготовлении большинства конструкций печатных плат. Поставщики материалов поэтому разработали подложки - PTFE с керамикой, которые имею такие же превосходные электрические характеристики, но в то же время имеют меньше проблем при изготовлении печатных плат. Далее поставщики высокочастотных ламинатов представили на рынок термореактивные углеводородные подложки, которые имеют очень хорошие электрические свойства, но обрабатываются, почти аналогично FR-4 материалам. Таблица 1 показывает некоторые основные свойства различных материалов.

Таблица 1: Сравнение материалов относительно (сложности) изготовления печатных плат. Где: Tg –температура стеклования, CTE – коэффициент теплового расширения, Dimensional Stability – стабильность размеров, Multilayer Fabrication – изготовление многослойных печатных плат, Electrical Performance – электрическая производительность, Very good – очень хорошо, Poor – недостаточно, Robust – прочно, Difficult – трудно, Moderate – умеренно, Hi Pref FR-4 – высокопроизводительный FR-4; Nearly pure PTFE – почти чистый PTFE; Filled PTFE – PTFE с наполнителем; Hi Freq Hydrocarbon- высокочастотный углеводородный материал

Как правило, производитель печатных плат может обратить внимание на некоторые комментарии (данные) в таблице 1. Однако, это зависит от конкретной изготовляемой печатной платы. Если делается простая двухсторонняя тонкая печатная плата для которой необходима высокая электрическая производительность, то здесь мог бы использоваться почти чистый PTFE. Высокая величина CTE(коэффициент теплового расширения) этого материала обычно может сделать производство печатных плат непростым, но так как печатная плата тонкая, то это свойство (CTE) не является здесь критическим. В то же время, если конструируемая печатная плата - относительно толстая многослойная плата, то использование почти чистого PTFE (Nearly pure PTFE) не рекомендуется. Другой случай для рассмотрения - когда печатная плата очень плотная, со строгими допусками и с требованиями хорошей электрической производительности. В этом случае, должно быть учтено свойство - стабильность размеров и наилучший выбором здесь будет высокочастотный термореактивный углеводородный ламинат.

Вопросы производства.

Технологические вопросы изготовления схем с использованием высокопроизводительного FR-4 хорошо определены. Производственные вопросы изготовления схем с применением некоторых высокочастотных материалов могут быть определены в меньшей степени. Подложки из почти чистого PTFE требуют очень специфичного сверления и PTH подготовки. Ламинат - PTFE с керамикой, обычно менее требователен к технологическим этапам изготовления печатных плат. Термореактивные углеводородные подложки имеют требования к обработке похожие на требования FR-4 подложек. Некоторые рекомендованные параметры сверления этих материалов показаны в таблице 2 для справки и сравнения.

Таблица 2: Рекомендованные условия сверления для обсуждаемых материалов печатных плат. Где:Entry material – входной материал;Exit Material – выходной материал; Phenolic – фенольный; Carbide – карбид; Drill tool – инструмент сверления; Infeed – подача; Retract rate - скорость отвода; Drill Life – срок эксплуатации сверлильного инструмента

Вопрос PTH(сквозное металлизированное отверстие) подготовки критичен для многослойных конструкций печатных плат. FR4 и углеводородные подложки обычно могут быть обработаны при стандартном плазменном или перманганатном процессах. Подложка - почти чистый PTFE, требует специальной PTH подготовки для того, чтобы сделать материал в просверленном отверстии смачиваемым. Этот процесс – нафталин натриевая обработка, которая освобождает молекулы фтора, делая возможным для PTFE медную металлизацию химическим способом. Материалы - PTFE с наполнителем могут использовать нафталин натриевую обработку или специальный плазменный цикл. Рекомендованный плазменный цикл для подложек PTFE с наполнителем показан в таблице 3; многие производители (печатных плат) утверждают, что 100% гелиевый цикл работает очень хорошо.

Таблица 3: Рекомендованный плазменный цикл для PTH подготовки подложки - PTFE с керамикой. Где: Gases - газы; Pressure – давление; Power – мощность; Frequency - частота; Voltage – напряжение; Cycle Time – время цикла.

Сверление и PTH подготовка обычно требуют повышенного внимания при рассмотрении производства схем с высокочастотными материалами. Другой технологический процесс, требующий внимания процесс многослойного ламинирования. Большинство высокочастотных материалов совместимы с типичными связывающими материалами и препрегами, используемыми в индустрии печатных плат. Существует ошибочное мнение, что PTFE материалы должны быть сделаны смачиваемыми перед процессом ламинирования, но это не верно. Основной вопрос, который требует внимания при работе с PTFE материалами - это иметь материал чистым и быть уверенным в том, что поверхность подложки не имеет механических повреждений после нанесения рисунка схемы внутренних слоёв.

Существует много различных связывающих материалов, которые могут быть использованы для конструирования многослойного ламината. Они представлены в таблице 4. Температура переплавки (Re-melt temperature) некоторых связывающих материалов может быть проблемой для некоторых технологических процессов сборки и пайки. FEP связывающий материал обычно переносит без проблем процесс пайки без свинца, хотя можно отметить, что температура переплавки (Re-melt temperature) очень близка к температуре

Таблица 4: Список связывающих материалов для конструирования многослойных печатных плат. Где: Bonding material – связывающий материал; Dielectric Constant – диэлектрическая постоянная; Dissipation Factor – тангенс угла потерь; Lamination temperature - температура ламинирования; Preparation for PTH – подготовка для PTH; Re-melt temperature – температура переплавки; Special - особое; Standard – стандартное.

оплавления без свинца, что может быть проблемой. Ясно, что 3001 связывающий материал с температурой переплавки 177ºС (350ºF) не должен рассматриваться для печатных плат, требующих пайки. Столбец “Dissipation factor” (тангенс угла потерь) даёт обзор потенциальных электрических потерь, ассоциированных с каждым материалом. Этот предмет будет обсуждаться позже в разделе об электрических характеристиках.

Вопросы надёжности.

Как правило, высокопроизводительный FR-4 имеет хорошие характеристики надёжности. Обычно, вопросы надёжности печатных плат связаны с надёжностью PTH в тепловых циклах. Коэффициент теплового расширения (CTE) ламината и температура стеклования (Tg) наиболее важные свойства материалов для обсуждения в этом разделе. Особенно важна (интересна) величина CTE по оси Z материала. Обычно, величина CTE высокопроизводительного FR-4 около 50 ppm/ºC или меньше и это считается приемлемым для хорошей PTH надёжности. Величина CTE у почти чистого PTFE может быть проблемой. Однако, как отмечалось ранее, для тонкой конструкции печатной платы этот вопрос не является критичным.

Величина CTE у PTFE с наполнителем и у термореактивных углеводородных ламинатов, как правило, находится в диапазоне, который обеспечивает хорошую PTH надёжность. Что касается термореактивных углеводородных подложек, то некоторые из них экстремально хороши для PTH надёжности. Причина в том, что эти материалы имеют очень высокую температуру стеклования (Tg) (>280ºС) и, следовательно, температуры при процессах сборки и пайки не будут выше температуры Tg. Дело в том, что если материал находится ниже температуры Tg, то CTE не меняется и в этом случае (CTE) имеет низкую величину, что очень хорошо для надёжности PTH. Большинство термореактивных материалов имеют величины коэффициентов теплового расширения (CTE) различные ниже и выше температуры стеклования (Tg). Так, даже если некоторые ламинаты имеют высокую температуру стеклования (Tg), например 185ºС, величины CTE будут вероятно разными ниже и выше точки Tg. Как правило, выше Tg величина CTE намного больше; при этих температурах (выше Tg) обычно происходит процессы сборки и пайки. Простой Tg-CTE график показан на рисунке 1. Таблица 5 демонстрирует поведение двух распространённых в индустрии печатных плат материалов. В этом сравнении (таблица 5) alpha 1 тест проведён в температурном диапазоне от 50ºС до 185ºС и alpha 2 тест – в диапазоне температур от 185ºС до 260ºС. Причина по которой величина CTE для углеводородного ламината не меняется – то, что alpha 1 и alpha 2 тестирование проводилось в температурных диапазонах ниже температуры стеклования ( Tg) этого материала.

Таблица 5: Взаимосвязь Tg и CTE для двух распространённых ламинатов

Рис.1: Простая Tg- кривая, демонстрирующая различные величины CTE выше и ниже Tg

Общие соображения для приложений конечного пользователя.

FR-4 материалы используются во многих приложениях. Они достаточно проверены, относительно низкой стоимости и их производительные (эксплуатационные) характеристики хорошо известны.

Некоторые приложения имеют динамическую тепловую среду функционирования. Схема может подвергаться широкому диапазону температур различное время. Тепловой коэффициент диэлектрической постоянной (TcDk) - это свойство ламината в динамичной тепловой среде - критично. Все схемные материалы имеют это свойство.

Постоянно разработчики рассматривают высокочастотные ламинаты с целью улучшить электрические потери. В некоторых случаях электрические потери печатной платы могут не быть проблемой, но поддержка величины контролируемого импеданса - критичный вопрос. Большинство FR-4 материалов имеют относительно высокий тепловой коэффициент диэлектрической постоянной (TcDk); многие высокочастотные ламинаты сконструированы таким образом, чтобы иметь низкий TcDk. Иметь низкий TcDk желательно для безотказного электрического функционирования. Низкий TcDk означает, что ламинат имеет очень небольшие изменения величины Dk (диэлектрическая постоянная) с изменениями температуры. Это переводится (транслируется) в очень небольшие изменения импеданса; разработчик должен рассматривать использование высокочастотного материала для более стабильной разработки в условиях меняющейся тепловой среды. Кривая TcDk показана на рисунке 2 для нескольких различных типов ламинатов, применяемых в индустрии печатных плат. Где “Epoxy/WG(4.2)” – высокопроизводительный FR-4 материал, а “Thermoset/Ceramic/WG” подложки – термореактивные углеводородные высокочастотные ламинаты.

Когда влажность является проблемой, то высокочастотный ламинат должен использоваться вместо FR-4 ламината даже в случае, когда не требуется иметь относительно низкие электрические потери. Большинство FR-4 ламинатов могут абсорбировать умеренное количество влаги из окружающей среды. Некоторые пользовательские приложения чувствительны к влаге и/или изменениям в импедансе из-за влажности среды. Влагопоглощение высокочастотных ламинатов, в сравнении с FR-4 ламинатом, очень низко. В таблице 6 показаны типичные значения влагопоглощения материалов, рассматриваемых в данной статье.

Некоторые печатные платы требуют улучшенного теплового регулирования. Большинство FR-4 ламинатов имеют величину теплопроводности около 0.25 W/m/K. Даже если не требуется иметь низкие электрические потери, можно иметь значительные преимущества при использовании высокочастотных ламинатов, имея в виду их улучшенную теплопроводность.

Рис.2 : Кривая TcDk (тепловой коэффициент диэлектрической постоянной) некоторых распространённых ламинатов

Таблица 6: Типичные значения влагопоглощения для различных подложек печатных плат. Где: Moisture Absorption –влагопоглощение; Hi Pref FR-4 – высокопроизводительный FR-4; Nearly pure PTFE – почти чистый PTFE; Filled PTFE – PTFE с наполнителем; Hi Freq Hydrocarbon- высокочастотный углеводородный материал

Почти чистые PTFE ламинаты, как правило, не имею значительного улучшения в теплопроводности по сравнению с FR-4 ламинатами. Некоторые ламинаты - PTFE с керамикой, имеют значительно улучшенную теплопроводность относительно FR-4. Термореактивные углеводородные высокочастотные ламинаты могут иметь теплопроводность в 2-3 раза больше, чем FR-4. Этот факт делает это свойство ламината важным для рассмотрения в случае разработки печатных плат с улучшенным тепловым регулированием.

Вопросы электрической производительности (электрические характеристики).

С большинством пассивных радиочастотных компонентов, таких как линии передачи (в печатных платах), фильтры, соединители, потери увеличиваются с увеличением частоты. FR-4 имеет коэффициент рассеивания (тангенс угла потерь) (Dissipation factor, Df) выше, чем большинство высокочастотных ламинатов. Типичные значения Df у FR-4 ламинатов около 0.020, в сравнении с этим, много высокочастотных ламинатов имеют значение Df 0.004 или меньше. Многие ламинаты - PTFE с керамикой имеют величину Df меньше, чем 0.002, что на порядок лучше, чем у FR-4. Некоторые из ламинатов –почти чистых PTFE, даже имеют Df около 0.001 или меньше. Эти значения транслируются в значительную разницу во вносимых потерях, что видно на рисунке 3. Другой вопрос, требующий внимания при выборе между FR-4 и высокочастотным ламинатом - это каким образом получаются потери. Большинство FR-4 ламинатов обычно имеют Df, который постоянно увеличивается с частотой, т. е. частота растёт и вносимые потери растут. Высокочастотные ламинаты обычно демонстрируют более стабильные Df характеристики с частотой, и со значительно меньшими вносимыми потерями при высоких частотах.

Много новых приложений печатных плат требуют более строгого контроля импеданса. Раньше контроль импеданса с допуском(с точностью) в +-10% был проблемой, а в наши дни это стандарт.

Рис.3

Есть много разработок, требующих иметь отклонения (импеданса) в пределах +-7%, или +-5% или меньше. Есть много переменных при процессе производства печатных плат, которые могут негативно влиять на допуски импеданса.

В то же время, можно отметить некоторые свойства ламинатов, правильный выбор которых может помочь улучшить точность контроля импеданса. Dk у большинства FR-4 ламинатов может варьироваться в пределах +-10% или больше. Высокочастотные ламинаты естественно имеют стабильные высокочастотные свойства и хороший контроль Dk здесь обязателен. Многие из этих ламинатов держат Dk с точностью +-2% или меньше. Существуют некоторые специальные высокочастотные ламинаты с допусками Dk, меньше чем +-1%. Другое свойство высокочастотных ламинатов, которое может сделать возможным улучшенный контроль импеданса, это хороший контроль толщины. Большинство высокочастотных ламинатов имеет допуски толщины менее +-7%, в то же время многие FR-4 ламинаты имеют допуски толщин +-15% или больше. Это ещё один случай, когда низкие электрические потери при использовании высокочастотных ламинатов не являются единственной причиной их выбора; существуют другие хорошо контролируемые (полезные) свойства высокочастотного ламината, которые рассматриваются при выборе материалов печатных плат.

Хорошо известно, что FR-4 печатные платы, обычно, стоят меньше, чем платы с высокочастотными материалами. Тем не менее, если разработка требует строгого контроля импеданса, использование высокочастотных материалов печатных плат может предотвратить значительный брак (и следовательно денежные потери) по причине несоответствия импеданса заданным требованиям (спецификациям).

Иногда величина Dk печатной платы может быть очень важной при выборе материалов для приложений, где есть схемные элементы, зависящие от длины волны. Некоторые из этих цепей – соединительные элементы (по краям печатной платы), используемые в радиочастотных и микроволновых печатных платах. Размер этих элементов прямо связан с Dk печатной платы. Микроволновая цепь может быть существенно уменьшена в размерах, если используемый схемный материал имеет выше Dk. Есть некоторые подложки - PTFE с наполнителем, имеющие очень высокий Dk, равный 11 и это (использование PTFE с наполнителем) могло бы существенно уменьшить размер схемы, разработанной с FR-4(Dk около 4.5).

Гибридные многослойные печатные платы.

Становится всё более обычным (по различным причинам) для конструкций многослойных печатных плат использовать комбинацию схемных материалов. Одна важная причина - развитие технологий и уменьшение стоимости. Другая причина применения гибрида – более надёжные печатные платы.

Многие новые разработки включают в себя всё больше элементов. Часто принято иметь некоторые слои печатной платы, где требования к электрическим характеристикам критичны, в то же время другие слои не имеют таких жёстких требований к электрическим параметрам. Есть много новых разработок многослойных печатных плат, где один высокочастотный ламинат используется с комбинацией слоёв FR-4 ламината и препрега. Слои со строгими требованиями на электрические характеристики могут быть в верхних медных слоях с использованием высокочастотного ламината. В других слоях применяется FR-4 материалы. В большинстве случаев производство (такой) печатной платы ненамного сложнее. Однако, необходимо более тщательно рассматривать случаи, когда почти чистый PTFE ламинат используется в комбинации с FR-4. Важна последовательность подготовки просверлённого отверстия перед PTH процессом. Обработка нафталин натрием должна быть сделана после того, как отверстие подготовлено для других материалов. В случае гибрида с использованием FR-4 и почти чистого PTFE, плазменный или перманганатный процесс должен быть проведён первым для обработки FR-4 и затем последующая нафталин натриевая обработка.

Можно получить выигрыш в надёжности для некоторых гибридных конструкций. Почти чистые PTFE подложки обеспечивают превосходные электрические характеристики, однако, по причине высокого значения CTE (коэффициент теплового расширения) печатные платы с большим количеством слоёв не могут быть надёжными. Если конструируемый гибрид имеет только несколько слоёв, где требуется высокие электрические характеристики, то это может быть решено с помощью применения почти чистого PTFE материала. Затем другие слои конструкции могли бы использовать термореактивный углеводород или FR-4 с намного меньшими величинами CTE. Таким образом, в сумме, многослойная печатная плата имеет уменьшенную величину CTE по сравнению со схемой целиком сделанной с почти чистым PTFE.