«Что? Где? Когда?»,
или Рекомендации по использованию высокочастотных ламинатов

Выбор СВЧ-материалов достаточно велик, существует множество типов высокочастотных ламинатов, например на основе чистого фторопласта (PTFE) или PTFE с различными наполнителями, на основе термореактивных полимеров. Как же понять, какой из этих ламинатов станет оптимальным решением?

В статье даны подробные рекомендации о том, в каких случаях использовать FR‑4, а в каких — высокочастотные материалы. При этом рассматриваются различные условия, от которых зависит выбор, — свойства основных материалов, способы производства печатных плат, требования по надежности и конечным характеристикам печатной платы. Конечные характеристики включают и электрические характеристики, ведь часто возникает вопрос, когда все-таки необходимо использовать высокочастотные материалы с их улучшенными электрическими характеристиками вместо подложек из FR‑4. И наконец, в статье обсуждаются вопросы применения комбинации FR‑4 и высокочастотных материалов для гибридных многослойных плат.

Свойства базовых материалов

Подложки из FR‑4 предназначены для широкого применения и могут использоваться в нескольких циклах ламинирования. Они надежны для стандартного производства ПП, имеют высокую температуру стеклования T_g и пригодны для бессвинцовой пайки. Высокочастотные подложки подразделяются на три типа: состоящие из чистого PTFE, из PTFE с керамическим наполнителем, из термореактивных полимеров.

Свойства подложек FR‑4 постоянно улучшаются. Производители ПП могут использовать FR‑4 и получать платы с высоким выходом годных и хорошей структурой расходов. Но для некоторых высокочастотных ламинатов все не так просто. Например, ламинаты, состоящие только из PTFE, имеют очень хорошие электрические характеристики, однако требуют специальных средств для изготовления ПП. Поэтому производители материалов вняли проблемам производителей ПП и разработали подложки из PTFE с керамическим наполнителем. Такие подложки имеют прекрасные электрические характеристики, но не нуждаются в специальных средствах для использования в производстве. Более того, компании пошли дальше и создали подложки на основе термореактивных полимеров, которые отличаются хорошими электрическими свойствами и при этом достаточно просты в применении, подобно FR‑4. Основные свойства перечисленных выше материалов приводятся в таблице 1.

С некоторыми оценками в таблице 1 можно не согласиться, но нужно помнить, что очень важно учитывать способ конструирования и тип платы. Если плата простая двухсторонняя и ей необходимо иметь хорошие электрические характеристики, то лучше использовать ламинаты из чистого PTFE. Данный материал имеет высокий коэффициент термического расширения, поэтому часто его нелегко применять при изготовлении ПП, хотя в случае тонкой ПП это свойство не так важно. С другой стороны, если печатная плата многослойная и относительно толстая, то лучше обойтись без ламинатов, состоящих только из PTFE.

Еще один вопрос, который необходимо обсудить, — очень плотная сборка ПП с малым допуском размещения элементов схемы и требованием хороших электрических характеристик. Это случай, когда необходимо в первую очередь учитывать стабильность геометрических размеров, и здесь лучшим выбором будет использование высокочастотных ламинатов, выполненных на основе термореактивных полимеров.

Производство печатных плат

Проблемы, возникающие при производстве плат с FR‑4, очень хорошо известны, в отличие от проблем, возникающих при использовании высокочастотных материалов. Подложки из PTFE требуют специальных условий для сверления в них отверстий и подготовки отверстий для металлизации. Материалы на основе PTFE с керамикой обычно менее требовательны. Применение подложек из термореактивных полимеров предполагает примерно те же условия, что и подложки FR‑4. В таблице 2 приведены параметры сверления для этих материалов.

Для многослойных ПП очень важен этап подготовки для получения металлизированных отверстий. Для подложек FR‑4 и подложек из полимера обычно используются стандартные плазменная и перманганатная обработки. Подложки PTFE, однако, требуют специальных процедур для подготовки поверхности под металлизированные отверстия, так как материал в высверленном отверстии должен обладать свойством смачиваемости. Этот процесс проводится натрий-нафталиновой обработкой, с помощью которой высвобождаются молекулы фтора, тем самым подготавливая поверхность PTFE к химическому меднению. Для материалов из PTFE с керамикой можно также использовать натрий-нафталиновую обработку или специальные плазменные циклы обработки. Рекомендованный плазменный цикл для подложек из PTFE с керамикой приведен в таблице 3. Многие производители на своем опыте убедились, что очень хорошо работает цикл с использованием 100% гелия.

Процесс сверления и подготовки поверхности для получения металлизированных отверстий становится более сложным в случае, когда для производства применяются высокочастотные материалы. Другой процесс, который необходимо рассмотреть, — ламинирование многослойных печатных плат. Большинство высокочастотных материалов совместимо с обычными связующими материалами и препрегами, используемыми при изготовлении ПП.

Есть мнение, что при использовании PTFE перед ламинированием необходимо получить смачиваемую поверхность, однако это неверно. Перед ламинированием материалы PTFE следует тщательно очистить и убедиться, что поверхность подложки не имеет механических повреждений, которые могут появиться после фотолитографии внутренних слоев платы. Поверхность PTFE будет иметь зеркально расположенные шероховатости, оставшиеся от вытравленной меди, и если их не сглаживать, то сцепление будет гораздо лучше. Структура поверхности PTFE достаточно мягкая, поэтому механическое скрабирование сгладит и отполирует поверхность, что может стать причиной возникновения проблем с некоторыми связующими материалами при ламинировании и вызвать деформацию ламинированного слоя и утрату стабильности геометрических размеров. Существует множество различных связующих материалов, предназначенных для производства многослойных ламинатов, они перечислены в таблице 4. Величина температуры разложения отдельных связующих материалов может стать проблемой в некоторых процессах сборки и пайки. Материал FEP (высокотемпературная разделительная пленка) обычно хорошо себя проявляет при бессвинцовой пайке, хотя температура его разложения почти равна температуре плавления припоя. Очевидно, что для производства ПП, где требуется паечный процесс, нельзя использовать материал 3001 с температурой разложения +177 °C (350 °F). В таблице 4 для каждого материала представлена величина коэффициента рассеяния, указывающего величину потенциальных электрических потерь. Этот вопрос будет обсуждаться далее.

Надежность

Обычно материалы FR‑4 для широкого применения имеют хорошую надежность. Стандартные исследования надежности печатных плат основаны на термическом циклическом воздействии на металлизированные переходные отверстия в плате. В таких исследованиях основными проверяемыми величинами являются коэффициент термического расширения и температура стеклования ламината. Наибольший интерес представляет величина коэффициента термического расширения по оси Z (толщина). Коэффициент термического расширения FR‑4 составляет около 50 ppm/°C и меньше, это указывает на хорошую надежность получаемых металлизированных отверстий. Коэффициент термического расширения PTFE очень высок, что может негативно влиять на надежность платы. Однако, как уже говорилось, для тонких печатных плат это не составляет большой проблемы.

Ламинаты из PTFE с керамическим наполнителем и ламинаты из термореактивных полимеров имеют оптимальное значение коэффициента термического расширения, поэтому надежны в применении. То же касается подложек из термореактивных полимеров. Это связано с тем, что перечисленные материалы имеют очень высокую температуру стеклования T_g > +280 °C, а потому способны выдержать температуры, при которых проходят процессы сборки и пайки. При использовании материалов с коэффициентом термического расширения, остающимся таким же (в данном случае, очень низким), при температуре стеклования ниже кривой T_g (рис. 1), надежность возрастает. У большинства термореактивных полимеров величина коэффициента термического расширения CTE имеет одно значение при температуре ниже T_g и другое при температуре выше T_g. Поэтому даже если некоторые ламинаты обладают высокой температурой стеклования T_g, например +185 °C, коэффициент их термического расширения CTE будет разным при температуре ниже T_g и при температуре выше T_g. Обычно при температуре выше T_g коэффициент CTE намного выше, и при температурах процесса пайки он также возрастает. Простое соотношение температуры стеклования T_g и коэффициента термического расширения CTE представлено на рис. 1. В таблице 5 показано поведение коэффициента термического расширения двух материалов (FR‑4 и RO4350B), используемых в производстве печатных плат. В данном сравнении тест “alpha 1” был проведен при температурах +50…+185 °C, а тест “alpha 2” при температурах +185…+260 °C. Причина, по которой величина коэффициента термического расширения ламината из термореактивных полимеров не изменяется, состоит в том, что тестирование “alpha 1” и “alpha 2” проводилось при температурах ниже, чем температура стеклования данного материала.

Рис. 1. Простая кривая температуры стеклования Tg показывает, как отличается коэффициент термического расширения при температурах выше и ниже Tg

Общие характеристики

Материалы FR‑4 используются в печатных платах для различных применений. Это хорошо зарекомендовавшие себя материалы с относительно небольшой стоимостью и хорошо изученными характеристиками. Некоторые области применения ПП предполагают воздействие температур, при этом плата может быть подвержена перепадам температур различной интенсивности и длительности. Поэтому важно учитывать еще одну характеристику материала, а именно, как в таких условиях ведет себя величина температурного коэффициента диэлектрической проницаемости T_cD_k.

Многие производители используют высокочастотные ламинаты только из-за возможности уменьшить диэлектрические потери. В некоторых случаях величина диэлектрических потерь ПП может быть не столь важна, как контроль волнового сопротивления. Большинство материалов FR‑4 имеют относительно высокий температурный коэффициент диэлектрической проницаемости T_cD_k, а многие высокочастотные ламинаты разработаны таким образом, что величина их T_cD_k низкая. Низкая величина T_cD_k желательна для получения устойчивых электрических характеристик. Низкий T_cD_k означает, что с изменением температуры диэлектрическая постоянная D_k ламината почти не меняется, что в свою очередь показывает, что изменения волнового сопротивления также будут незначительны. Поэтому производитель может использовать такой высокочастотный материал для получения более стабильных конструкций, которые будут хорошо себя проявлять в условиях изменяющихся температур. Кривая T_cD_k для рассматриваемых в данной статье типов ламинатов изображена на рис. 2. Здесь Epoxy/WG (4.2) — это широко используемые FR‑4‑подложки. Подложки Thermoset/Ceramic/WG — это высокочастотные ламинаты из термореактивного полимера.

Рис. 2. Кривая TcDk (температурного коэффициента диэлектрической проницаемости) для рассматриваемых материалов подложек ПП

При эксплуатации ПП в условиях высокой влажности вместо ламинатов FR‑4 предпочтительны высокочастотные ламинаты, даже если нет необходимости в низких диэлектрических потерях. Некоторые области применения ПП чувствительны даже к небольшому повышению влажности и/или колебаниям волнового сопротивления, возникающим из-за влажности. Многие ламинаты FR‑4 поглощают влагу, пусть и в небольших количествах, тогда как высокочастотные ламинаты более влагоустойчивы. В таблице 6 приведены средние значения влагопоглощения для рассматриваемых материалов.

Некоторым ПП необходим усиленный отвод тепла. Большинство ламинатов FR‑4 имеют значение теплопроводности около 0,25 Вт/(м·K). Даже если не требуется использование высокочастотных ламинатов с низкими диэлектрическими потерями, все равно применение таких ламинатов имеет свои преимущества из-за улучшенной теплопроводности. Ламинаты из чистого PTFE обычно не отличаются столь хорошими показателями теплопроводности, как подложки FR‑4. А ламинаты из PTFE с керамическим наполнителем имеют лучшие теплопроводные качества. Величина теплопроводности высокочастотных ламинатов из термореактивных полимеров в 2–3 раза выше, чем FR‑4, это важно, когда необходим усиленный отвод тепла от ПП.

Электрические характеристики

У большинства пассивных элементов радио-частотных цепей, таких как линии передачи, фильтры и волноводы, нередко при повышении частоты увеличиваются и электрические потери. FR‑4 имеет более высокий коэффициент потерь D_f, чем большинство высоко-частотных ламинатов. Значение коэффициента потерь D_f для ламинатов FR‑4 составляет 0,020, тогда как высокочастотные ламинаты имеют D_f  равным 0,004 и меньше. Значение D_f ламинатов из PTFE с керамикой меньше 0,002, то есть лучше, чем у FR‑4. Ламинаты из чистого PTFE имеют коэффициент потерь D_f = 0,001 и ниже. Зависимость величины вносимых потерь от роста частоты для перечисленных материалов показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость величины вносимых потерь от роста частоты. Материал RO4350B является термоотверждаемым углеводородным, ламинат RO3035 — высокочастотный ламинат на основе PTFE с керамикой

Другой вопрос, который нужно обсудить при выборе между FR‑4 и высокочастотными материалами, — как возникают потери. Большинство ламинатов FR‑4 обычно имеют коэффициент потерь D_f, который умеренно растет при возрастании частот, то есть при увеличении частоты повышаются вносимые потери. Высокочастотные ламинаты имеют более стабильный D_f  и характеризуются меньшим количеством потерь при высоких частотах.

Многие новые области применения печатных плат требуют более строгого контроля волнового сопротивления. Раньше допуск на отклонение волнового сопротивления ±10% казался неосуществимым, но теперь это стандарт. Появились такие конструкции печатных плат, которые имеют допуски ±7 или ±5% и даже ниже. При производстве печатных плат на отклонение волнового сопротивления могут влиять различные процессы, увеличивающие разброс параметров. Поэтому необходимо рассмотреть свойства ламинатов, которые влияют на допуск в лучшую сторону. Величина D_k ламинатов FR‑4 составляет диапазон от ±10% и выше. Высокочастотные ламинаты отличаются более стабильными характеристиками, без отклонения D_k. Большинство таких ламинатов держат допуск на отклонение D_k ±2% и меньше. Кроме того, существуют специальные высокочастотные ламинаты с величиной допуска на D_k менее ±1%. Еще одно свойство, необходимое для улучшения контроля волнового сопротивления, которым обладают высокочастотные ламинаты, — хороший контроль толщины. Допуск на толщину большинства высокочастотных ламинатов составляет менее ±7%, тогда как допуск на толщину ламинатов FR‑4 всего лишь ±15% и больше. Это еще один случай, когда следует отдать предпочтение высокочастотным ламинатам, даже если нет потребности в низких электрических потерях.

Хорошо известно, что печатные платы с подложками из FR‑4 обычно дешевле, чем с подложками из высокочастотных материалов. Тем не менее если конструкция предполагает строгий контроль волнового сопротивления, то использование высокочастотных материалов более выгодно и может увеличить выход годных, так как они точно будут соответствовать заявленным характеристикам волнового сопротивления.

В некоторых областях применения печатных плат, где в схеме предусмотрены элементы, зависящие от длины волны, очень важна величина D_k платы. Некоторые из этих схем имеют связанные элементы, например в ВЧ- и СВЧ-платах, а размер связанных элементов напрямую зависит от величины D_k платы. Если для конструирования печатной платы используется материал с более высоким D_k, то размер СВЧ-платы можно значительно уменьшить. Разные высокочастотные ламинаты имеют разные величины D_k. Некоторые подложки PTFE с наполнителем имеют D_k = 11, то есть размер платы может быть значительно меньше по сравнению с платой, где использовались FR‑4 c D_k = 4,5.

Гибридные многослойные печатные платы

В последнее время для производства многослойных печатных плат все чаще используются различные комбинации материалов. Основные причины — возможность уменьшения стоимости и повышение надежности платы.

Новые конструкции ПП предполагают применение большего количества элементов и различных слоев, например, часто встречается интегрирование специального слоя с максимальной электрической нагрузкой. Во многих конструкциях ПП предусмотрена комбинация высокочастотных ламинатов, ламинатов из FR‑4 и препрегов. Для критических слоев, на которых размещаются высокочастотные цепи, например микрополосковые линии передачи, предпочтительны высокочастотные ламинаты. При этом для других слоев многослойной платы можно использовать FR‑4. В большинстве случаев конструкции не так сложны, однако если используется комбинация ламинатов из чистого PTFE и FR‑4, то необходима дополнительная обработка. Например, важно, как будет проведен процесс сверления и как подготовлены отверстия под металлизацию. После сверления отверстий необходимо обязательно провести натрий-нафталиновую обработку. Если используется гибридная конструкция FR‑4 и чистого PTFE, то для FR‑4 требуется провести плазмохимическую и перманганатную обработки, а потом натрий-нафталиновую.

С помощью комбинации материалов можно также увеличить показатели надежности гибридных печатных плат. Так, подложки PTFE имеют хорошие электрические характеристики, однако их коэффициент термического расширения CTE очень высок, поэтому их применение в большом количестве слоев уменьшает надежность. Но если гибридная плата состоит из нескольких слоев и при этом необходимы хорошие электрические характеристики, то подложки PTFE прекрасно подходят. А для других слоев можно использовать ламинаты из термореактивных полимеров или FR‑4, коэффициент термического расширения которых гораздо ниже. Таким образом, в результате подобная многослойная плата имеет низкий коэффициент термического расширения по сравнению с платой, где использовался только PTFE.