Co jeśli nie FR4?
FR4 jest tani i popularny, jednak współczesne aplikacje często wymagają właściwości, których ten popularny substrat nie może zapewnić.
Podłoża FR4 są zdecydowanie najpopularniejszą opcją, jaką można znaleźć na rynku, a każdy dystrybutor ma bogatą ofertę i portfolio preferowanych producentów. Jednak w przypadku płyt wielowarstwowych lub jeśli projektujesz urządzenie, które ma działać w ekstremalnych środowiskach, ma być poddane licznym cyklom termicznym lub pracujące na wysokiej prędkości/RF, istnieją alternatywne materiały dla wielowarstwowych płyt PCB, które mogą być lepszym wyborem niż FR4. Ważne jest zrozumienie kryteriów wyboru alternatywnych substratów w zależności od konkretnych zastosowań.
To, co popularnie nazywamy ‘FR4’ jest w rzeczywistości oznaczeniem National Electrical Manufacturers Association (NEMA) dla całej klasy materiałów; nie jest to ani jeden konkretny materiał, ani nawet jeden konkretny skład materiału. Są to po prostu laminaty PCB zgodne z normą UL94V-0, dotyczącą palności tworzyw sztucznych.
Wady FR4
Chociaż FR4 jest zdecydowanie najpopularniejszym materiałem na jedno- i wielowarstwowe płytki PCB, ma on swoje wady:
- Niska przewodność cieplna: Podobnie jak inne izolatory elektryczne, FR4 jest również słabym przewodnikiem cieplnym w porównaniu z innymi materiałami, które nadają się do wytwarzania obwodów drukowanych.
- Umiarkowanie stratne: laminaty FR4 są znane ze swojej charakterystyki stratnej - tangens strat wynosi ~0,02 przy około 1 GHz. W niektórych przypadkach zapewnia to wysoką izolację od innych sygnałów, jednak odbywa się to kosztem większego tłumienia.
- Efekty splotu włókien: przy kilkudziesięciu GHz szklana struktura laminatu FR4 tworzy specyficzne efekty, takie jak akumulacja odchyleń czy straty rezonansowe wzdłuż ścieżki propagacji sygnału.
- Niedopasowanie CTE z miedzią: Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej (coefficient of thermal expansion, CTE) w osi Z większości laminatów FR4 wykazuje duże niedopasowanie wobec CTE miedzi (zwykle FR4:Cu = ~3:1). Jest to główny problem w przypadku powtarzających się cykli termicznych lub ekstremalnych skoków temperatury, sięgających powyżej temperatury zeszklenia.
W przypadku prostych projektów, które działają z niską prędkością/niską częstotliwością, nie wydzielają znacznej ilości ciepła lub nie będą funkcjonować w ekstremalnych warunkach, opisane wyżej wady FR4 prawdopodobnie nie będą miały znaczenia. W przypadku bardziej innowacyjnych projektów ważne jest, aby przynajmniej rozważyć alternatywy dla FR4.
Wymagania termiczne i niezawodność
Biorąc pod uwagę wymagania termiczne w nowoczesnych płytkach drukowanych, które często działają z dużą prędkością i/lub wysoką częstotliwością, a także biorąc pod uwagę trudne warunki, w których te systemy są wdrażane, sensowne może być użycie innego substratu PCB. Istnieje kilka opcji materiałów, pomagającymi poradzić sobie z wysokimi temperaturami w niektórych zastosowaniach.
Korzystanie z płyty o wyższej przewodności cieplnej pozwala na łatwe rozprowadzanie ciepła po całej płycie, dzięki czemu może ona działać w bardziej jednolitej temperaturze. Płytki na bazie FR4 w urządzeniach o wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości mogą tworzyć gorące punkty wokół większych procesorów, np. w obudowach FPGA lub MPU. Ogólną przewodność cieplną płyty można zwiększyć, stosując alternatywny materiał lub stosując dodatkowe, metalowe płaskie warstwy. W tych płytach i tak powinno się używać radiatorów na kluczowych komponentach lub ewentualnie wentylatora dla pewnego przepływu powietrza. Inną opcją jest użycie materiału odprowadzającego ciepło, aby połączyć płytkę z obudową, zapewniając ścieżkę ciepła bezpośrednio z powrotem do obudowy.
Źródło: ©Altium
Płyty z metalowym rdzeniem lub metalowym podkładem
Zarządzanie termiczne w płytach FR4 może być uzupełnione przez zastosowanie metalowego rdzenia lub płytki z metalowym podkładem. Duże płyty aluminiowe, stosowane w tego typu rozwiązaniach, pozwalają na rozpraszanie ciepła po całej płytce i jego transfer do obudowy, zapewniając bardziej równomierny rozkład temperatury. Jest to przydatne w wielu zastosowaniach, takich jak tablice do oświetlenia LED lub regulatory dużej mocy w pracujące w trudnych środowiskach.
Ceramika
Poza lepszym zarządzaniem temperaturą, alternatywne materiały dla wielowarstwowych PCB zapewniają też inne korzyści. Na przykład, proces produkcji płytek ceramicznych umożliwia osadzanie elementów pasywnych w wewnętrznych warstwach wielowarstwowej płytki ceramicznej. Mieszanka materiałów potrzebnych do stworzenia płyty ceramicznej pozwala na dostosowanie ich właściwości mechanicznych, przy zachowaniu wysokiej przewodności cieplnej stosunku do przewodności elektrycznej. Współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramiki stosowanej w produkcji płytek drukowanych jest bliższy współczynnikowi większości innych przewodników, co zmniejsza naprężenia mechaniczne podczas cyklu temperaturowego.
Kompozytowy materiał epoksydowy (CEM)
Jedną z popularnych alternatywnych grup materiałów (popularnych zwłaszcza w Azji), są kompozytowe materiały epoksydowe (composite epoxy materials, CEM), w szczególności CEM-3. Ta klasa materiałów kompozytowych jest wykonana z warstw tkaniny szklanej i rdzenia z włókniny szklanej, połączonej z żywicą epoksydową. Niektórzy producenci twierdzą, że CEM-3 powinien całkowicie zastąpić FR4, ponieważ jest tańszy w produkcji, zapewnia ten sam poziom ognioodporności i można go wytwarzać w tych samych procesach produkcyjnych co FR4.
Temperatura zeszklenia CEM-3 (około 125°C) jest podobna do FR4 (około 135°C). Inne materiały na bazie CEM, na przykład CEM-1 i CEM-2, mają znacznie niższe temperatury zeszklenia i nie powinny być stosowane w konstrukcji płyt wielowarstwowych. Większość producentów zaleca ponadto stosowanie CEM-3 tylko w przypadku małej liczby warstw, chociaż w praktyce jest on używany do zastępowania płyt FR4 o podobnej liczbie warstw.
Laminaty wysokiej częstotliwości
Materiał laminatu PCB sklasyfikowany jako ‘wysokiej częstotliwości’ może odnosić się do jego parametrów w dwóch ważnych obszarach:
- posiada tangens o niskiej stratności przy wysokich częstotliwościach, zwykle ~0,003 lub mniej przy ~10 GHz lub więcej
- posiada tzw. ‘efekt splotu włókien’ (fiber weave effects), chociaż tego typu laminaty mogą mieć taki sam tangens strat jak FR4
Materiały, które spełniają oba kryteria, są często używane w aplikacjach takich jak moduły radarowe pracujące na częstotliwości 24 GHz (krótki zasięg), 76-77 GHz (daleki zasięg) lub 77-81 GHz (krótki zasięg). Inne zastosowania specjalistyczne to radary obrazujące, radary dla dronów, bezprzewodowe MAN, teledetekcja, SATCOM i wiele innych. Aby umożliwić bardzo duże długości kanałów, na przykład na płytach głównych lub płytach łączeniowych serwerów, potrzebne są alternatywne materiały na podłoża PCB dla wysokich częstotliwości. Na przykład duże płyty łączeniowe 3U/6U mogą mieć szybkie kanały o długości do 20 cali z szerokością pasma wykraczającą poza częstotliwości radarowe. Gdybyśmy zaprojektowali tę płytkę na FR4, nigdy nie odzyskałoby sygnału z tak długiego kanału.
Prawdopodobnie dwa najpopularniejsze materiały na podłoża PCB wysokiej częstotliwości to laminaty na bazie PTFE (teflon) z wypełniaczem z mikroszkła (np. Rogers) i Megtron. W urządzeniach, które będą działać z wysoką częstotliwością, jeśli ścieżki routingu mają być bardzo długie, użycie jednego z tych materiałów może być najlepszym wyborem (w krótkich kanałach dominującym mechanizmem strat będą straty zwrotne).
Hybrydowa konstrukcja z PTFE
Laminaty wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości są często stosowane jako zewnętrzna warstwa PCB, co zmniejsza tłumienie sygnału. Laminaty na bazie PTFE są zwykle umieszczane w stosie ponad rdzeniem wewnętrznym, co pozwala na stosowanie ich w konstrukcji wielowarstwowych PCB. Ze względu na znacznie niższą w porównaniu do FR4 dyspersję i niższą stałą dielektryczną, co prowadzi do szybszej propagacji sygnału przy wysokich prędkościach, teflon jest zalecany dla GHz (i wyższych) częstotliwości oraz dużych szybkości przesyłania danych.
PTFE ma również inne zalety. Słabo absorbuje wodę, dlatego jest przydatny w wilgotnym lub mokrym środowisku. Może być stosowany jako warstwa zewnętrzna lub wewnętrzna warstwa laminatu z wieloma innymi materiałami, dzięki czemu nadaje się do tworzenia warstwy o niskiej stratności, specjalnie dla sygnałów o wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości. Jest jednak droższy niż FR4 a ponieważ wymaga prasowania w temperaturze ~370°C, trudniej wytwarza się z niego płytki wielowarstwowe. Ma również niższą przewodność cieplną niż FR4, tak więc zarządzanie termiczne w płytach PTFE jest szczególnie ważne.
Artykuł oparto na materiałach udostępnianych na stronie firm © Altium oraz © Cadence