Rogers plošný spoj

Co je Rogers PCB?

Rogers plošný spoj označuje výkonný tištěný spoj vyrobený za použití speciálních laminátových materiálů vyráběných společností Rogers Corporation, americkým podnikem zabývajícím se pokročilými materiály a technologiemi. Na rozdíl od běžných desek PCB, které jsou vyrobeny z epoxidové pryskyřice a skleněného vlákna, tento spoj využívá především materiály jako polytetrafluorethylén (PTFE), kompozity plněné keramikou nebo směsi uhlovodíků. Je zvláště vhodný pro vysokofrekvenční a vysokorychlostní elektronické aplikace a je považován za referenční standard v příslušných oborech. Následuje podrobný úvod:

Řady základních materiálů

Vynikající provozní výhody

Nízké ztráty signálu:

Tyto materiály mají nízký ztrátový činitel. Při přenosu signálů na frekvencích nad 2 GHz jsou ztráty mnohem nižší než u tradičních desek plošných spojů FR-4, což efektivně zajišťuje integritu signálu.

Stabilní dielektrické vlastnosti:

Dielektrická konstanta zůstává stabilní v širokém rozsahu teplot a frekvencí. To umožňuje inženýrům přesně navrhovat obvody, jako jsou impedance matching a přenosové linky.

Silná adaptabilita k prostředí:

Mnoho materiálů v jeho řadě má nízkou schopnost absorpce vody, což umožňuje stabilní provoz ve vlhkých prostředích. Zároveň mají vysoké skelné přechodové teploty (obecně nad 280 °C) a vynikající tepelnou stabilitu, která je schopna snést extrémní změny teploty.

Hlavní aplikační oblasti

Telekomunikace:

Je klíčovým materiálem pro RF moduly 5G základnových stanic, milimetrových vlnových antén a satelitní komunikační výbavy, čímž splňuje požadavky na nízké ztráty a vysokorychlostní přenos signálu v komunikačních systémech.

Vesmírný a obranný průmysl:

Používá se v radarech, modulech navádění raket a palubních elektronických zařízeních pro kosmické aplikace. Díky nízkému vývinu plynů a odolnosti v extrémních prostředích vyhovuje složitým podmínkám vesmíru i bojového pole.

Automobilová elektronika:

Používá se v automobilových radarech, vozidlových modulech 5G komunikace a systémech řízení výkonu vozidel s novou energií, které odolávají vysokoteplotnímu a silně vibracím prostředí uvnitř vozidel.

Zkušební a měřicí přístroje:

Používá se ve vysokofrekvenčních generátorech signálů, vektorových analyzátorech sítí a dalších přesných přístrojích, čímž zajišťuje přesnost a stabilitu měření přístrojů.

Deska plošných spojů Rogers vyrobená firmou Rogers Materials s unikátním složením substrátu a návrhem výkonu má následující klíčové výhody oproti tradičním FR-4 DPS a běžným vysokofrekvenčním DPS, zejména vhodné pro vysokofrekvenční, vysokorychlostní a vysoce spolehlivé aplikační scénáře:

Neporažitelný výkon přenosu vysokofrekvenčního signálu

· Ultra nízké dielektrické ztráty:

Ztrátový činitel (Df) substrátů Rogers (například na bázi PTFE, keramikou plněných kompozitů) je extrémně nízký (obvykle < 0,0025@10GHz), mnohem nižší než u FR-4 (Df≈0,02@10GHz), a signál útlum je výrazně snížen ve vyšším kmitočtovém pásmu nad 2 GHz. Efektivně zajišťuje integritu signálu v komunikacích 5G, milimetrových a mikrovlnných pásmech, aby se předešlo zkreslení dat nebo poklesu přenosové účinnosti.

· Stabilní dielektrická konstanta (Dk):

Dielektrická konstanta se mění velmi málo s teplotou (-55 ℃ až 125 ℃) a frekvencí (rozsah kolísání < ±2 %). Inženýři mohou přesně navrhnout impedance a přenosové linky (například mikropáskové a páskové vedení) pro zajištění konzistence výkonu RF obvodů. Je zvláště vhodný pro aplikace s přísnými požadavky na přesnost impedance, jako jsou radarové a satelitní komunikace.

Vynikající tepelná stabilita a environmentální přizpůsobivost

· Vysoká teplota skelného přechodu (Tg): Většina substrátů Rogers má Tg nad 280 °C (u některých výrobků, jako je RO4350B, je Tg 280 °C, zatímco RT5880 nemá zřejmý inflexní bod), což je mnohem vyšší než u FR-4 (Tg ≈ 130 °C). Při vysokých teplotách se nerozměkčují ani ne deformují a snesou vysoké teploty pájení (260 °C) i dlouhodobé provozování za vysokých teplot.

· Nízká míra absorpce vody:

Míra absorpce vody substrátem je nižší než 0,03 % (absorpce vody u FR-4 ≈ 0,15 %), takže nedochází ke snižování výkonu ve vysoké vlhkosti (např. v mořském prostředí a venkovních základnových stanicích), čímž se předejde zhoršení dielektrických vlastností nebo korozi spojů způsobené nasákáním vlhkosti a prodlouží se životnost desky s tištěnými spoji (PCB).

· Odolnost v extrémních prostředích:

Odolný proti radiace a chemické korozi, vhodný pro speciální scénáře, jako je letectví (prostorové záření) a průmyslové řízení (kyselé a alkalické prostředí) a s nízkým vypouštění plynu (spoléhá na normy NASA), nebude uvolňují těkavosti, které kontaminují přesné komponenty.

Výborné mechanické a zpracovatelské vlastnosti

· Vysoká dimenzní stabilita:

Koefficient tepelného rozpínání (CTE) substrátu odpovídá měděné fólii (CTE na ose X/Y ≈14 ppm/°C a na ose Z ≈60 ppm/°C). PCB warpage je extrémně nízká po s vysokotémperatúrním pájením nebo cyklování teploty, což snižuje riziko selhání pájení zařízení. Je vhodný zejména pro obaly s vysokou hustotou, jako jsou BGA a flip-chip.

· Kompatibilní s konvenčními procesy PCB:

Standardní procesy výroby desek plošných spojů ( leptání, vrtání, metalizace, pájení) lze použít bez speciálního vybavení a podporují tlustou měděnou vrstvu (≥2 uncí) a vícevrstvé návrhy desek, čímž vyváží vysoký výkon a technologickou proveditelnost a sníží obtížnost hromadné výroby. vyvážení vysokého výkonu a technologické proveditelnosti a snižuje obtížnost hromadné výroby.

Přizpůsobení se požadavkům na vysoký výkon a integraci

· Vynikající tepelná vodivost:

Keramikou plněné substráty Rogers (např. RO3003) mají tepelnou vodivost až 0,6 W/(m · K), což je vyšší než u FR-4 (0,3 W/(m · K)). Můžou rychle odvádět teplo generované výkonnými RF součástkami, zabraňují lokálnímu přehřívání a degradaci výkonu. zabraňují lokálnímu přehřívání a degradaci výkonu.

· Podpora integrovaných pasivních součástek:

Některé substráty Rogers (např. řady kompatibilní s LTCC) lze integrovat s pasivními součástkami (rezistory, kondenzátory), čímž se sníží počet externích součástek, dosahování miniaturizace a snížení hmotnosti desek plošných spojů a zároveň vhodné pro scénáře s omezeným prostorem, jako jsou drony a vozidlové radary.

Výhoda energetické účinnosti díky nízkému ztrátovému činiteli

V radiofrekvenčních zesilovačích a modulech vysílacích stanic může extrémně nízká dielektrická ztráta snížit ztráty energie při přenosu signálu, zlepšit poměr energetické účinnosti zařízení, snížit celkovou spotřebu energie zařízení a současně snížit tvorbu tepla, čímž se dále optimalizuje konstrukce chlazení.

Vzhledem k významným rozdílům v charakteristikách substrátu mezi desky plošných spojů Rogers a tradičními desky FR-4 vyžaduje výrobní proces cílenou kontrolu technologických detailů. Hlavní body, na které je třeba upozornit, jsou následující:

Úprava a skladování substrátu

· Podmínky skladování:

Základní materiály Rogers (zejména PTFE materiály) snadno absorbuje vlhkost a měly by být skladovány v prostředí s konstantní teplotou a vlhkostí (teplota 20–25 °C, vlhkost < 50 %). Pokud se po otevření nepoužijí okamžitě, měly by být uloženy ve vakuovém balení a utěsněny, aby se zabránilo absorpci vlhkosti, která může způsobit vznik bublin a vrstvení během pájení.

· Řezání základního materiálu:

Používejte speciální nástroje z tvrdé slitiny pro řezání, abyste předešli odlamování okrajů základního materiálu (PTFE materiál má špatnou houževnatost). Po řezání je třeba odstranit třísky, aby nedošlo k poškrábání povrchu desky během následného zpracování.

· Čištění povrchu:

Na povrchu substrátu nepoužívejte silné koroze účinkující čisticí prostředky. Pro otírání a odstranění mastných skvrn nebo prachu je vhodný izopropylalkohol, aby nedošlo k kontaminaci, která by mohla ovlivnit přilnavost mědi vrstva.

Vrtací a tvářecí proces

· Vrtací parametry:

PTFE založený materiál Rogers má vysokou tvrdost a špatnou tepelnou vodivost. Při vrtání je třeba použít vrtáky s diamantovým povrchem. Snížete otáčky (o 20 % až 30 % nižší než u FR-4), zvýšíte posuv a současně zintenzivníte chlazení (pomocí vodně rozpustného chladiva), abyste zabránili opotřebení vrtáku nebo ablaci základního materiálu. U substrátů plněných dusičnanem hlinitým je nutné zabránit vzniku mikrotrhlin během vrtání. Lze uplatnit postupné vrtání.

· Úprava stěny otvoru:

Po vrtání je nutné provést čištění plazmou nebo chemické leptání, aby se odstranily zbytky materiálu na stěně otvoru (zbytky PTFE je obtížné odstranit), čímž se zajistí přilnavost metalizace na stěně otvoru.

Vyhněte se nadměrnému leptání, které může způsobit drsné stěny otvorů a ovlivnit rovnoměrnost povlaku.

· Tvary a tváření:

Používá se přesné CNC gravírování nebo laserové řezání, aby se zabránilo stříhání (které může snadno způsobit vrstvení materiálů na bázi PTFE). Po řezání je nutné hrany broušením odstranit otřepy.

Metalizace a elektrolytické pokovování

· Předúprava pro mědění:

Povrch substrátu Rogers je vysoce inertní (zejména PTFE), proto je nutné použít speciální matovací procesy (např. zpracování sodíkem a naftalenem, plazmové leptání) ke zvýšení drsnosti povrchu substrátu a ke zlepšení přilnavosti vrstvy mědění. Vyhněte se nadměrnému matování, které může poškodit povrch substrátu.

· Parametry elektrolytického pokovování:

Při mědění je třeba snížit proudovou hustotu (o 15 % nižší než u FR-4), prodloužit dobu pokovování a zajistit rovnoměrný povlak. U konstrukcí s tlustou mědí (≥2 uncí), segmentové pokovování by mělo být přijato, aby se předešlo nerovnoměrné tloušťce povlaku nebo pórům.

· Kontrola povlaku:

Zaměřte se na kontrolu krytí a přilnavosti povlaku na stěně otvoru. Přilnavost povlaku na stěně otvoru u desek plošných spojů Rogers na bázi PTFE by měla být ≥1,5 N/mm, aby se zabránilo odlupování povlaku během následného použití.

Broušení a výroba obvodu

· Výběr leptacího roztoku:

Používejte kyselé leptací roztoky (např. systém chloridu měďnatého), aby se zabránilo poškození substrátů Rogers alkalickými roztoky (některé keramikou plněné substráty mají špatnou odolnost vůči zásadám); Během leptání musí být teplota (25 až 30 °C) a rychlost leptání přísně kontrolovány, aby se předešlo nadměrnému bočnímu leptání, které by mohlo vést ke snížení přesnosti obvodu.

· Kompenzace vodivých drah:

Přednastavte kompenzaci leptání podle typu základního materiálu (stranová rychlost leptání u PTFE základního materiálu je přibližně 8 % až 10 %, což je vyšší než u FR-4), aby bylo zajištěno, že výsledná šířka dráhy bude odpovídat návrhu požadavkům; U jemných drah (šířka dráhy < 0,1 mm) by mělo být použito vysoce přesné expozice za účelem zabránění přerušení nebo zkratů.

Lakování proti pájení a povrchová úprava

· Kompatibilita laku proti pájení:

Vyberte odolný lak proti pájení vysokým teplotám (Tg > 150 °C), který je kompatibilní s Rogers substráty, aby se zabránilo odlupování laku kvůli špatné adhezi k substrátu. Při tisku laku proti pájení by měl být tlak hladítka snížen, aby se zabránilo pronikání laku do mezery obvodu. měl být tlak hladítka snížen, aby se zabránilo pronikání laku do mezery obvodu.

· Proces vytvrzování:

Teplota vytvrzování laku proti pájení by měla být postupně zvyšována (postupně od 80 °C až po 150 °C), aby se předešlo deformaci substrátu způsobené náhlým zvýšením teploty. Doba vytvrzování je o 10 % až 20 % delší než u FR-4 zajistit úplné vytvrzení inkoustu.

· Výběr povrchové úpravy:

Upřednostnit zlaté pokovování (ENIG) nebo cínové pokovování a vyhnout se vyrovnávání horkým vzduchem (HASL) – horký vzduch o vysoké teplotě může způsobit deformaci substrátu Rogers a PTFE základní materiály mají omezenou odolnost vůči teplu (teploty HASL nad 260 ℃ mohou snadno poškodit substrát).

Proces laminace

· Parametry laminace:

Nastavte teplotu, tlak a čas laminace podle typu substrátu, abyste předešli rozkladu substrátu v důsledku příliš vysoké teploty nebo odvrstvení v důsledku nerovnoměrného tlaku.

· Odstranění lepidla:

Před laminací je třeba předběžně vypéct předtvar (PP) při 100 ℃ po dobu 30 minut, aby se odstranily těkavé látky a zabránilo se vzniku bublin během laminace. Kombinace substrátu Rogers a PP musí odpovídat koeficientu teplotní roztažnosti, aby se snížila deformace po laminaci.

· Kontrola rovinnosti:

Po laminaci vícevrstvého desky Rogers je třeba provést chlazení a stabilizaci. Rychlost chlazení by měla být řízena na 5℃/min, aby se zabránilo nadměrnému teplotnímu rozdílu, který může způsobit deformaci povrchu desky (stupeň deformace musí být ≤0,3%).

Testování a kontrola kvality

· Testování elektrických vlastností:

Zaměřte se na kontrolu impedance vodičů, vložených ztrát a stojaté vlny. Použijte analyzátor sítě k provedení kompletního testování v rámci navrženého frekvenčního pásma, aby bylo zajištěno, že vysokofrekvenční vlastnosti splňují požadavky normy.

· Testování spolehlivosti:

Proveďte testy tepelného cyklování a vlhkého tepla za účelem ověření stabilitu spojení mezi substrátem a měděnou vrstvou, stejně jako vrstvou pájivé masky, aby se předešlo poruchám způsobeným stárnutím vlivem prostředí.

· Kontrola vzhledu:

Zkontrolujte povrch desky na praskliny, odchlupování, bubliny, hladkost okrajů obvodů a otřepy ve stěnách děr, aby bylo zajištěno, že nejsou žádné zjevné vady vzhledu.