8-слойная ВЧ-плата, полностью изготовленная из RO4350B, будет стоить настолько дорого, что серийное производство станет нереалистичным. Изготовленные полностью из FR-4, ВЧ-трассы на поверхностном слое с импедансом 50 Ом не будут соответствовать спецификации.

Гибридные стекапы — это выход. Но гибридная конструкция гораздо сложнее в обработке, чем стекап из одного материала — несоответствие КТР вызывает расслоение, многослойная ламинация вызывает смещение слоев, а чередование толстых и тонких диэлектриков затрудняет поддержание импеданса.

Недавно мы изготовили 8-слойную гибридную ВЧ-плату RO4350B + MT40, которая является типичным примером этого подхода к проектированию. Эта статья не только о том, как была изготовлена плата. Она о вопросе, который постоянно возникает на этапе выбора материала: когда гибридный стекап оправдан, а когда нет.

Характеристики платы

8-слойная медная конструкция. Верхний и нижний слои используют ВЧ-материал RO4350B толщиной 0,168 мм. Внутренние слои используют MT40 толщиной 0,381 мм, стандартный материал FR-4 с высоким Tg, с препрегом MT40 толщиной 0,1245 мм между слоями. Готовая внешняя медь составляет 1 унцию, внутренняя медь — 0,5 унции, а толщина ламинирования — 1,636 мм. Зеленая паяльная маска, белая шелкография, покрытие палладием и золотом, размеры 179 мм × 121 мм.

Плата включает слепые переходные отверстия L1-L2 и L7-L8. Верхний слой несет односторонние трассы 6 мил с целевым импедансом 50 Ом.

Почему RO4350B на поверхности, MT40 в середине

Логика стекапа ясна: высокочастотные характеристики на поверхности, структурная поддержка и контроль затрат в середине.

Поверхностные слои используют RO4350B, потому что именно там находятся ВЧ-трассы. RO4350B имеет диэлектрическую проницаемость около 3,48 и тангенс угла диэлектрических потерь около 0,0037. Низкий Df означает низкие диэлектрические потери, поэтому микроволновые сигналы меньше затухают при распространении по поверхности. Односторонние трассы 50 Ом толщиной 6 мил на верхнем слое изготовлены непосредственно на RO4350B, что обеспечивает более точный контроль импеданса. Компромисс: RO4350B стоит гораздо дороже стандартного FR-4.

Внутренние слои используют MT40, потому что силовые и земляные плоскости не требуют высокочастотных характеристик. MT40 — это стандартный материал FR-4 с высоким Tg, гораздо более дешевый, чем RO4350B. Его задача — обеспечить структурную поддержку и термическую стабильность для многослойного стекапа. Если бы во внутренних слоях также использовался RO4350B, стоимость материала резко возросла бы, а силовые и земляные плоскости не требуют низкого Df. Компромисс: электрические характеристики MT40 не так хороши, как у RO4350B, но при использовании во внутренних слоях это не влияет на ВЧ-характеристики.

Препрег MT40 толщиной 0,1245 мм контролирует межслойную толщину. Толщина препрега напрямую влияет на толщину диэлектрика между слоями, что, в свою очередь, влияет на импеданс. Спецификация 0,1245 мм была выбрана для соответствия толщинам сердечников RO4350B и MT40 и поддержания общей толщины ламинирования на уровне 1,636 мм.

Основная логика этого стекапа: высокочастотные характеристики только там, где они необходимы. Использование ресурсов выше, а затраты более контролируемы.

Проблемы процесса: три реальные проблемы

Гибридные диэлектрические стекапы обрабатывать гораздо сложнее, чем стекапы из одного материала. Эта плата имела три основные проблемы.

Проблема 1: несоответствие КТР вызывает расслоение и коробление

RO4350B — это материал с керамическим наполнителем, и его КТР отличается от MT40, который основан на FR-4. Во время ламинирования два материала расширяются с разной скоростью, создавая напряжение на границе раздела, которое может вызвать расслоение или коробление платы.

Решение — поэтапный подъем температуры с медленным охлаждением. Подъем разделен на несколько этапов, каждый из которых выдерживается достаточно долго, чтобы материал полностью размягчился и flowed. Этап охлаждения контролирует скорость падения температуры, чтобы избежать внутреннего напряжения от быстрого охлаждения. Это позволяет двум материалам постепенно адаптироваться к тепловому расширению друг друга во время ламинирования, снижая напряжение на границе раздела.

Проблема 2: смещение слоев после многослойной ламинации

Ламинированная толщина 1,636 мм является умеренно толстой для 8-слойной платы. Во время многослойной ламинации точность регистрации между слоями может смещаться, вызывая смещение.

Решение включает дополнительные выравнивающие мишени и оптимизированную равномерность давления на ламинационных плитах. Выравнивающие мишени обеспечивают более точную ссылку для регистрации, а равномерность давления обеспечивает равномерное усилие по всей панели и уменьшает локальное смещение.

Проблема 3: чередование толстых и тонких диэлектриков делает импеданс чувствительным к изменению толщины

Стекап чередует толстые и тонкие: 0,168 мм RO4350B, 0,381 мм MT40, 0,1245 мм препрег. Различия в толщине между диэлектрическими слоями значительны. Импеданс очень чувствителен к толщине диэлектрика, и любое изменение напрямую приводит к сдвигу импеданса.

Решение — строгий допуск на толщину входящего материала. Толщина сердечника RO4350B и MT40, а также толщина препрега должны строго проверяться при входном контроле, чтобы обеспечить согласованность от партии к партии. Толщина диэлектрика после ламинирования также должна быть проверена по поперечному сечению, чтобы подтвердить, что импеданс остается в пределах расчетного диапазона.

Преимущество в стоимости по сравнению со стекапом из чистого RO4350B

Основная ценность гибридного стекапа заключается в снижении стоимости при сохранении высокочастотных характеристик. Преимущество этой платы в стоимости проявляется тремя способами.

Во-первых, стоимость материалов значительно снижается. Замена RO4350B на MT40 во внутренних слоях резко снижает стоимость материалов. RO4350B стоит намного дороже стандартного FR-4, и 8-слойная плата, полностью изготовленная из RO4350B, была бы очень дорогой. Гибридный стекап сохраняет RO4350B только на поверхностных слоях, что делает его пригодным для серийного производства средне- и крупногабаритных ВЧ-модулей.

Во-вторых, термостойкость MT40 компенсирует слабость чистых керамических материалов в плане термической надежности. MT40 — это материал FR-4 с высоким Tg, обладающий хорошей термостойкостью и выдерживающий многократные циклы пайки оплавлением SMT. RO4350B обеспечивает отличные электрические характеристики, но его термическая надежность при многократной пайке оплавлением не так хороша, как у FR-4. Использование MT40 во внутренних слоях повышает общую термическую надежность платы.

В-третьих, использование ресурсов выше. Высокочастотные характеристики требуются только на сигнальных поверхностных слоях. Силовые и земляные слои не требуют материала с низким Df. Размещение RO4350B там, где это необходимо, и MT40 во внутренних слоях — это более рациональное распределение ресурсов.

Когда не следует использовать гибридный стекап

Это та часть, которую пропускает большинство описаний стекапов, и она наиболее полезна для инженеров на этапе выбора материала.

Если вся плата требует высокочастотных характеристик. Если внутренние слои также несут ВЧ-трассы, или если силовые слои имеют строгие требования к импедансу, преимущество гибридной конструкции исчезает. В этом случае более подходящим будет стекап из чистого RO4350B или другой высокочастотный стекап.

Если плата небольшая. Когда стоимость материалов составляет небольшую долю от общей стоимости, экономия от гибридной конструкции ограничена, а сложность процесса увеличивается. Стекап из одного материала может быть проще и надежнее для небольших плат.

Если не требуется несколько циклов пайки оплавлением. Преимущество MT40 в термической надежности имеет значение только при многократной сборке с пайкой оплавлением. Если процесс сборки прост, это преимущество не используется, и гибридная сложность излишня.

Если стоимость не является первым ограничением. Если проект ставит производительность намного выше стоимости, стекап из чистого высокочастотного материала позволяет избежать риска процесса, который вносит гибридная конструкция. Ценность гибрида — это баланс; если вам не нужен баланс, вам не нужен гибрид.

Итог

8-слойный гибридный стекап RO4350B + MT40 — это не универсальное решение. Это целевое решение: оно оправдывает свою сложность процесса, когда высокочастотные сигналы ограничены поверхностными слоями, плата большая, чувствительная к стоимости, и требуются многократные циклы пайки оплавлением.

Основная логика: высокочастотные характеристики на поверхности, структурная поддержка и контроль затрат в середине. Проблемы процесса — несоответствие КТР, смещение слоев, изменение импеданса — все имеют контрмеры, но эти контрмеры добавляют сложность процесса.

Если ваша конструкция не соответствует этим условиям, стекап из одного материала может быть более разумным выбором.

Если вы работаете над стекапом ВЧ-модуля и вам нужно сбалансировать производительность и стоимость, мы будем рады рассмотреть ваши требования. Решения по стекапу должны начинаться с ваших целей по частоте, импедансу и стоимости, а не с того, какой материал звучит лучше.

Вы строили гибридные стекапы? С какими проблемами процесса вы столкнулись?