Hybrydowe PCB: Połączenie materiału Rogers z TG170 dla optymalnej wydajności

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

PCB-y hybrydowe ◄ wykorzystujące mieszaną laminację materiałów Rogers o wysokiej wydajności i opłacalny TG170 FR4 ◄ stały się przełomową technologią w dziedzinie elektroniki wysokiej częstotliwości.Łącząc integralność sygnału Rogers z mechaniczną wytrzymałością i przystępnością cenową TG170Idealne dla stacji bazowych 5G, radarów i zastosowań przemysłowych czujników, projekty hybrydowe rozwiązują krytyczne wyzwanie:jak osiągnąć wysoką częstotliwość bez nadmiernych wydatków na materiały.

Ten przewodnik bada naukę związaną z połączeniem Rogers i TG170, projektowanie najlepszych praktyk dla hybrydowych stack-upów,i jak przezwyciężyć przeszkody produkcyjne ̇ wyposażenie inżynierów w PCB, które wyróżniają się zarówno w szybkiej transmisji sygnału, jak i niezawodności w rzeczywistości.

Kluczowe wnioski
1Hybrydowe płytki PCB łączące Rogers i TG170 obniżają koszty materiału o 30-40% w porównaniu z pełnymi projektami Rogers, zachowując jednocześnie 90% wydajności wysokiej częstotliwości.
2Materiały Rogersa (np. RO4350) doskonale sprawdzają się w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości (28GHz+) z niską stratą dielektryczną (Df = 0,0037) i stabilną stałą dielektryczną (Dk = 3,48),podczas gdy TG170 zapewnia wytrzymałość mechaniczną (Tg = 170°C) i oszczędności kosztów dla warstw niekrytycznych.
3.Właściwa konstrukcja układów – umieszczenie Rogers w warstwach sygnałowo-krytycznych i TG170 w warstwach zasilania/ziemi – maksymalnie zwiększa wydajność przy jednoczesnym zminimalizowaniu kosztów.
4Wyzwania związane z produkcją, takie jak niezgodność rozszerzenia termicznego i wiązanie laminacji, można rozwiązać za pomocą doboru materiału (spójne CTE) i kontrolowanych procesów (precyzyjne laminacje).

Po co łączyć Rogers i TG170?
Rogers i TG170 wnoszą wyjątkowe zalety do PCB hybrydowych, rozwiązując ograniczenia związane z wykorzystaniem jednego z materiałów samodzielnie:

a. Materiały Rogersa (np. serii RO4000) są zaprojektowane do osiągania wysokiej częstotliwości, ale mają wysoką cenę (3×5x koszt FR4).Świecą w warstwach o krytycznym sygnale, gdzie niskie straty i stabilne Dk nie są negocjowalne..
b.TG170 FR4 jest ekonomicznym laminowaniem o wysokim poziomie Tg (Tg = 170°C) o silnych właściwościach mechanicznych, idealnym do dystrybucji energii, płaszczyzn gruntowych,oraz warstwy sygnałów niekrytycznych, w których wydajność wysokiej częstotliwości jest mniej istotna.

Łącząc je, PCB hybrydowe wykorzystują wydajność elektryczną Rogers' tam, gdzie jest to najważniejsze, a przystępność cenową TG170 w innych miejscach, tworząc rozwiązanie "najlepsze z obu światów".

Właściwości Rogers i TG170: porównanie
Zrozumienie podstawowych właściwości każdego materiału jest kluczem do projektowania skutecznych PCB hybrydowych:

Kluczowe atuty materiału Rogers
a. Niska strata dielektryczna: Df = 0,0037 minimalizuje tłumienie sygnału w systemach 5G w zakresie fal mm (2860 GHz) i radarów (77 GHz).
b. Stabilne Dk: utrzymuje stałą wydajność elektryczną w temperaturze (-40 °C-85 °C) i częstotliwości, co jest kluczowe dla kontroli impedancji.
c. Odporność na wilgoć: wchłania <0,1% wilgoci, zapewniając niezawodność w wilgotnych środowiskach (np. małe komórki 5G na zewnątrz).

Główne mocne strony TG170
a. Wysoki Tg: Wytrzymuje temperaturę odtoku (260°C) i długotrwałą pracę w temperaturze 130°C, co czyni go odpowiednim do zastosowań przemysłowych i motoryzacyjnych.
b.Sztywność mechaniczna: obsługuje konstrukcje wielowarstwowe (12+ warstw) bez wypaczenia, idealnie nadaje się do złożonych płyt PCB z warstwami zasilania i sygnału.
c. Wydajność kosztowa: 1/5 kosztów Rogers, zmniejszając całkowite wydatki na PCB podczas stosowania w warstwach niekrytycznych.

Zalety PCB hybrydowych z Rogersem i TG170
Hybrydowe konstrukcje przynoszą korzyści, których żaden z materiałów nie zapewnia samodzielnie:
1Wyważone wyniki i koszty
Przykład: 12-warstwowy płytka PCB 5G z wykorzystaniem Rogers dla 2 warstw sygnału (drogi RF) i TG170 dla 10 warstw zasilania / podłoża kosztuje o 35% mniej niż projekt całkowicie Rogers, zachowując 92% integralności sygnału.
Przypadek użytkowania: Producenci sprzętu telekomunikacyjnego zgłaszają roczne oszczędności w wysokości 1,2 mln USD poprzez przejście na hybrydowe modele w stacjach bazowych 5G.

2Zwiększone zarządzanie cieplne
Wyższa przewodność cieplna Rogers'a (0,6 W/m·K) rozprasza ciepło z wysokowydajnych wzmacniaczy RF, podczas gdy sztywność TG170 zapewnia strukturalne wsparcie dla pochłaniaczy ciepła.
Wynik: PCB hybrydowy w modułach radarowych działa o 15°C chłodniej niż konstrukcja typu TG170, wydłużając żywotność komponentów o 2x.

3- wszechstronność w różnych zastosowaniach
PCB hybrydowe dostosowują się do różnych potrzeb: Rogers obsługuje sygnały o wysokiej częstotliwości, podczas gdy TG170 zarządza dystrybucją mocy i naprężeniem mechanicznym.
Zastosowania: nadajniki stacji bazowych 5G, radar samochodowy, przemysłowe czujniki IoT i systemy łączności satelitarnej.

Projektowanie hybrydowych układów PCB: najlepsze praktyki
Kluczem do sukcesu PCB hybrydowych jest strategiczne umieszczenie warstw łączących materiały z ich przeznaczoną funkcją.
1. Strategia przydzielenia warstw
warstwy Rogers: rezerwa dla ścieżek sygnału o wysokiej częstotliwości (np. ślady 28 GHz RF) i krytycznych ścieżek kontrolowanych impedancją (50Ω pojedynczych, 100Ω par różnicowych).
Warstwy TG170: stosowane w samolotach napędowych (3,3 V, 5 V), samolotach naziemnych i sygnałach o niskiej prędkości (≤1 GHz), takich jak linie sterujące.

Przykład 4-warstwowego nagrywania:

1Najwyższa warstwa: Rogers (sygnał RF, 28 GHz)
2.Wnętrza warstwa 1: TG170 (poziomowa płaszczyzna)
3.Wnętrza warstwa 2: TG170 (poziom mocy)
4.Dolna warstwa: Rogers (pary różniczkowe, 10 Gbps)

2. Kontrola impedancji
Warstwy Rogers: obliczyć wymiary śladów (szerokość, rozstawienie) w celu osiągnięcia docelowej impedancji (np. 50Ω) przy użyciu narzędzi takich jak Polar Si8000.szerokość śladu 15 mm.
Warstwy TG170: W przypadku sygnałów o niskiej prędkości tolerancja impedancji może zostać zmniejszona do ±10% (w porównaniu z ±5% w przypadku warstw Rogers), uproszczając konstrukcję.

3. Równowaga cieplna i mechaniczna
Zastosowanie CTE: Rogers (oś Z CTE = 30 ppm/°C) i TG170 (5060 ppm/°C) mają różne współczynniki rozszerzania cieplnego.
Wykorzystanie cienkich warstw Rogersów (0,2 ∼0,3 mm) w celu zmniejszenia naprężenia rozszerzającego się.
Dodawanie między nimi warstw "buforowych" (np. TG170 ze szklanym materiałem).
Waga miedzi: Użyj 2 uncji miedzi w warstwach zasilania TG170 do obsługi prądu i 1 uncji w warstwach sygnału Rogers, aby zminimalizować straty.

4. Z zgodnością materiału
Wybór prepregów: Używaj prepregów na bazie epoksydu (np. Isola FR408), które dobrze wiążą się zarówno z Rogersem, jak i TG170.
Obsługa powierzchniowa: Rogers wymaga oczyszczania plazmy przed laminowaniem, aby poprawić przyczepność do warstw TG170.

Wyzwania i rozwiązania w dziedzinie produkcji
PCB hybrydowe mają wyjątkowe przeszkody produkcyjne ze względu na różnice w materiałach, ale można nimi zarządzać za pomocą kontrolowanych procesów:
1. Lamination Bonding
Wyzwanie: Rogers i TG170 łączą się słabo ze standardowymi prepregami, co prowadzi do delaminacji.
Rozwiązanie: stosować zmodyfikowane prepregi epoksydowe (np. Rogers 4450F) przeznaczone do laminowania mieszanego.

2Niezgodność rozszerzenia termicznego.
Wyzwanie: różnica rozszerzania się podczas powrotnego przepływu może powodować wypaczanie lub oddzielenie warstw.
Rozwiązanie:
Ograniczenie grubości warstwy Rogers do ≤ 30% całkowitej grubości PCB.
Użyj symetrycznego układania (odzwierciedlającego warstwy Rogers i TG170) w celu zrównoważenia stresu.

3. Wykopywanie i pokrycie
Wyzwanie: Rogers jest miękki niż TG170, co prowadzi do nierównomiernego wiercenia i pokrywania próżni.
Rozwiązanie:
Do warstw Rogers należy stosować wiertarki pokryte diamentem, z zmniejszoną szybkością podawania (50% normy), aby uniknąć rozdarcia.
Przewody płytkowe w dwóch etapach: pierwszy uderzenie miedzi (10 μm) do uszczelnienia Rogers, następnie pełne pokrycie (25 μm) dla przewodności.

4Kontrola jakości
Kontrola: W celu wykrycia delaminacji między warstwami Rogers i TG170 należy wykorzystać badania ultradźwiękowe.
Badanie: Wykonanie cyklu termicznego (-40°C do 125°C przez 1000 cykli) w celu sprawdzenia stabilności mechanicznej.

Zastosowania PCB hybrydowych
PCB hybrydowe wyróżniają się w zastosowaniach wymagających zarówno wydajności wysokiej częstotliwości, jak i efektywności kosztowej:
1. Stacje bazowe 5G
Potrzeba: sygnały mmWave 28GHz (niska strata) + dystrybucja mocy (efektywność kosztowa).
Konstrukcja: warstwy Rogers dla frontendów RF; TG170 dla obwodów zasilania i sterowania prądem stałym.
Wynik: 30% redukcja kosztów w porównaniu do wszystkich projektów Rogersów z 95% integralnością sygnału.

2. Radary samochodowe
Potrzeba: sygnały radarowe 77 GHz (stabilne Dk) + wytrzymałość (wysokie Tg).
Konstrukcja: Rogers do śladów nadajników radarowych; TG170 do zarządzania energią i trasy CAN.
Wynik: spełnia standardy niezawodności ISO 26262 przy jednoczesnym obniżeniu kosztów materiałów o 25%.

3. Sensory przemysłowe
Potrzeba: sygnały 6GHz IoT + odporność na temperatury fabryczne.
Projekt: Rogers dla komunikacji bezprzewodowej; TG170 dla mocy czujników i przetwarzania.
Wynik: przetrwa w warunkach fabrycznych o temperaturze 85°C z utratą sygnału < 1%.

Hybrydowe i czyste PCB: porównanie wydajności i kosztów

Często zadawane pytanie
P: Czy hybrydowe płytki PCB mogą obsługiwać częstotliwości 60GHz+?
O: Tak, ale rezerwuj warstwy Rogers dla ścieżek 60GHz (np. Rogers RT/duroid 5880 z Dk=2.2) i użyj TG170 do warstw wspierających.4dB w całym Rogerze.

P: Jak zapewnić przyczepność między Rogersem a TG170?
Odpowiedź: Użyj kompatybilnych prepregów (np. Rogers 4450F), powierzchni Rogers oczyszczonych plazmą i kontroluj ciśnienie laminacji (300-400 psi) i temperaturę (180 °C).

P: Czy PCB hybrydowe są bardziej skomplikowane w projektowaniu?
Odpowiedź: Wymagają one starannego planowania układów, ale nowoczesne narzędzia (Altium, Cadence) upraszczają obliczenia impedancji i przypisanie warstw.

P: Jaka jest maksymalna liczba warstw w PCB hybrydowym?
Odpowiedź: 20+ warstw jest możliwe przy odpowiedniej symetrii układania.

P: Czy PCB hybrydowe wymagają specjalnych badań?
Odpowiedź: Tak, dodaj kontrolę ultradźwiękową dla delaminacji i TDR (Time Domain Reflectometry) w celu zweryfikowania impedancji w warstwach Rogers.

Wniosek
PCB hybrydowe łączące materiały Rogers i TG170 stanowią inteligentny kompromis, zapewniając wydajność wysokiej częstotliwości tam, gdzie jest to ważne, przy jednoczesnym wykorzystaniu opłacalnego TG170 dla warstw niekrytycznych.Dzięki strategicznemu przydzielaniu materiałów do ich mocnych stronInżynierowie mogą budować PCB, które spełniają wymagania 5G, radaru i elektroniki przemysłowej bez nadmiernych wydatków.

Sukces zależy od starannego projektowania, kompatybilności materiałów i kontrolowanych procesów produkcyjnych.niezawodność, i kosztów w dzisiejszych najbardziej wymagających systemach elektronicznych.

W miarę rosnącego zapotrzebowania na urządzenia o wysokiej częstotliwości, laminowanie hybrydowe pozostanie kluczową strategią dla inżynierów, którzy chcą wprowadzać innowacje, nie naruszając budżetu.