Ящик материалов печатных плат для существующих сетей 3G и 4G, а также - будущих потребностей в высокоскоростных 5G

Ящик материалов печатных плат для существующих сетей 3G и 4G, а также — будущих потребностей в высокоскоростных 5G

(перевод статьи старшего инженера по печатным платам компании «Ericsson» г-на Стига Кальмана, опубликованной в майском номере журнала «PCB007» 2018)

Введение

Идея ящика материалов пришла впервые, когда встретился лист Приложения IPC для стандарта для 1-го наслоения. Идея сделать очень простой свод материалов, спецификаций и уведомлений, и, возможно, использовать тот же препрег/смолу в подложке и сердцевине.

Статья вводит концепцию ящика материалов, обсуждая семь важных факторов:

1. Стандартизация

2. Идея ящика материалов

3. Сопутствующие материалы

4. Движители технологии

5. Необходимые материалы

6. Будущее

7. Продукты

В прошлом мне довелось встречаться со многими разработчиками, желающими иметь наилучшие спецификации для импеданса. Они все начинали с указания импеданса и ширины проводника, которые получатся согласно их волевого решения. Толщина проводника дана как константа из-за металлизации или базовой меди, с минимальным требованием к отверстию. Это формирует требование к определённому фольгированному медью материалу и толщине препрега. Это сегодня можно видеть паспортах данных от поставщиков материала многим потребителям.

Если начать с того, что имеет наибольший вклад в импеданс печатной платы, то обнаружится, что это — толщина диэлектрика и ширина проводника. Соответственно, мне представилось, что могло бы быть основой надёжной конструкции и нашёл, что вкус Биг Мака те же во всём мире. Не лучшая ассоциация для некоторых, но это — мой фаворит, к которому могу относится и узнавать. Если бы можно было копировать в нашу конструкторскую копилку, то надо иметь конструктив, который при правильном наслоении приведёт в результате к значению импеданса выбранного конструктива, которое будет тем же, несмотря на то, где произведено.

Каталог Биг Маков фиксирует установленную цену в стране. Это было впервые опубликовано в журнале «TheEconomist», от 06 сентября 1986 года. Индексация основана на данных Биг Мака Мак Дональдса, который одинаков во всём мире, хотя производится на месте.

По стандартизации

Необходимо иметь сформированное направление для следования, в зависимости от требований продукта. Если выбрать главный путь, то имеется много вариантов и самая низкая цена, но — если больше специальных требований, то — меньше вариантов и высокие затраты.

Философия инструментального ящика

Большое преимущество стандартизации в том, что, если известно влияние препрега на конструктив и известно воздействие меди с различной шероховатостью, то далее можно понять вклад операционных допусков производства печатных плат — последний можно принять по умолчанию, но и — как допуски воздействуют на конструктив и требования производства. Далее можно начинать сравнение различий и смол, подходящих конструктиву, от поставщиков материала.

Ящик материала имеет три уровня:

1. Основные свойства, как стандарт.

2. Группа материалов с аналогичными свойствами (много источников).

3. Особый поставщик для технических параметров (единственный источник)

Сопутствующее материалам

На этом этапе необходимо рассмотреть кто в цепи поставок оказывает наибольшее воздействие. Это видится как:

Ширина проводника -→ изготовитель ПП

Высота проводника -→ изготовитель ПП

Высота диэлектрика -→ производитель диэлектриков ПП

Dk/Df -→ производитель диэлектриков ПП

При выборе заданных стандартных свойств из продуктового разнообразия влияние Dk будет наименее важным. В основном, если допуски диэлектрика находятся в пределах стандарта IPC (класс 2), а по ширине 0.1 мм проводника — в пределах ±0.03 мм, то импеданс будет в пределах 10%, не требуя измерений. Если выбор производится для тестовой платы, определения выходных характеристик и вклада в окончательное решение, то контроль приведёт примерно к 7%, не требуя дальнейших измерений.

Для производства стеклоткани имеется для этого несколько источников в мире. Многие особенности материала делают его дорогим из-за расположения в цепи поставок. Смола производится из нефти, а нефтехимическая продукция — основное сырьё для промышленности. Здесь необходимо выбрать или FR-4.0 (галогенный) или FR-4.1 (безгалогенный) для продумывания свойств смолы для наполнения и не превышая требований конструктива. Это значительно помогает при движении от продуктов 3G к 4G с повышенными требованиями к скорости. Здесь легко скопировать строительные блоки прежних наслоений и повторно использовать их в новых материалах с лучшими характеристиками.

Ткань лучше выбирать из ходовых, имеющих лучшие допуски и доступность. Для высоких частот требуются тонкие, с армированные стеклоткани.

Медь производится несколькими поставщиками, у каждого — собственные обработки для достижения необходимых свойств. Из наиболее известных — HTE, RTF и VLP (рисунок 1).

Рис. 1 Обработка медной фольги, влияющая не только на скорость и потерю сигнала, но и на адгезию.

К сожалению, нет всемирной стандартизации шероховатости медной фольги, поэтому та же категория может иметь различную степень шероховатости того же типа. Важно также знать, что окончательная шероховатость может меняться в процессе производства печатных плат из-за оксидной обработки или замещающей её химической для адгезии. Нет необходимости приобретения гладкой меди с резистивной стороны, если она будет подвергаться чёрному оксидированию. На рисунке 2 показаны примеры этого.

Рис. 2 Шероховатость меди на печатной плате может значительно меняться, что очень важно для электрических характеристик.

Движители технологии

Эффективность затрат

Использование фольгированных медью материалов и препрегов, выпускаемых наиболее часто, всегда легко и имеет наилучшие затратные показатели. Будьте экономически осведомлены, как используемый материал котируется, относительно стоимостного индекса, предоставленного поставщиком печатных плат. В таблице 1 представлены стоимостные индексы для известных препрегов. Стоимость материала в печатной плате на сегодня составляет в среднем 30% от общей стоимости, несмотря на то, как эффективен по затратам поставщик плат. Если они не имеют хороших отношений с поставщиками материала, то невозможно контролировать цену. В таблице 2 приведены стоимостные индексы для подложек.

Таблица 1. Средний индекс стоимости препрега от шести поставщиков печатных плат.

(* тип стеклоткани; HFFR — без галогенов, огнестойкий)

Таблица 2. Средний индекс стоимости диэлектриков от шести поставщиков печатных плат.

Размер заготовок

Стоимость материала для изготовления печатной платы охватывает примерно 30% общей стоимости, поэтому очень важно использовать размеры наилучшим образом соответствующие групповой заготовке. Далее размер печатной платы становится даже более интересным, потому что стоимость процесса изготовления заготовки может устанавливаться однажды, а индивидуальная цена (1/n) зависит от того, как много печатных плат можно расположить на ней.

Меньше возможностей

Так как плотность рисунка становится всё выше и выше, требуется понимание толщины меди для различных слоёв, ограничивая пределы миниатюризации платы. Также, электрические свойства различных материалов позволяют сжать рисунок.

Крупный формат — ключевой в 5G, особенно для низких частот, где активная антенна плат для формирования луча может быть вплоть до 800 мм, требующая даже более крупной заготовки, чтобы быть эффективной.

Более высокие скорости

Сетевые линии сегодня достигают пропускание вплоть до 28 Гбит/сек., но следующее поколение мобильных систем потребует до 56 Гбит/сек. так, что индивидуальный выбор стеклоткани и свойств медной фольги жизненно необходим для успеха.

Теплее

Мощность потребления существенна для характеристик, подогревая печатную плату, с одной стороны, как источник тепла из компонентов, а с другой — в антеннах, где некоторые рисунки схем нагреваются свыше 100°С. Стойкость материала к разрушению и изменению потерь во времени очень важна для надёжности продукции, чтобы уберечь её от возгорания.

Окружающая среда

Важно избегать вредных веществ, используя материалы без галогенов, где возможно, и выбирая без галогенные альтернативы, когда это технически и коммерчески доступно.

Потребность в материалах печатной платы

Также очень важно выявить текущую и будущую потребность в материале как для поставщиков, так и для производителей, чтобы посмотреть на новые экономичные альтернативы или повышенные характеристики.

Важно сейчас и в будущем знать все свойства материала:

• Dk и Df

— Значения Dk и Df по частотам (1, 2, 5, 10, 15, 30 ГГц)

— Значения Dk и Df по температурам (-40°С, +20°С, +100°С)

— методы измерения (например, стандарт IPC-TM-650 2.5.5.5, SPP, SPC и т. д.)

• Шероховатость поверхности меди

— Ra, Rz и Rq/RMS

• Механические свойства материала

— модуль гибкости

— прочность на изгиб

— по температурам (-40°С, +20°С, +100°С)

• Напряжение пробоя /прочность диэлектрика

Текущее

Требования, которые не приводят названия диэлектриков печатных плат, а скорее свойства при определённых условиях, оповещает поставщиков материала о ом, что используется сегодня и — в будущем. Таблица 3 показывает текущие потребности материала печатных плат без галогенов.

Будущие требования для материалов — Dk 3.5 и 3.0, также — без галогенов и пригодные для изготовления многослойных плат. Однако, для микроволновых конструктивов предпочтительнее c Dk 1.0 (воздушные). Также, очень важно, чтобы материал сохранял свои свойства по частотному и температурному диапазону, соответственно: 1−30 ГГц и от -40°С до +100°С. В таблице 4 приведены потребности будущих материалов печатных плат без галогенов.

Разработка смолы

Необходимо начать взаимодействовать с поставщиками материала печатных плат по разработке смолы и вашему долевому участию в текущих и перспективных требованиях, чтобы их смогли учесть на этапе создания смолы. Сегодня разработка материала в ряду от MEGTRON 6 или TerraGreen могла бы занять до пяти лет, пока станет доступной на рынке, особенно, если добавить изучение кривой процесса производителя плат и будущую сертификацию UL перед тем, как начать использовать материал в производстве.

Таблица 3. Текущие требования к материалу печатной платы без галогенов.

(*FR-4.1=HFFR4 без галогенов)

Таблица 4. Перспективные требования к материалу печатной платы.

(*Малый разброс Df по температуре)

Этот процесс, экономящий время, требует ускорения на альфа и бета стадиях проверки материала, чтобы необходимые модификации были сделаны до вывода материала на рынок. И вновь, стандартизация строительных блоков производится в удобной форме для повторяемости полученных данных. Необходимо рассмотреть, как электрические, так и — механические свойства. Другим рассмотрением является цепь поставки материала так, чтобы он мог производиться как можно ближе к месту производства печатных плат для минимальной стоимости перевозки и воздействия на окружающую среду.

Перспективные темы и 5G движение вперёд

Для соблюдения требований скорости передачи в меди существующая стандартизация IPC медной фольги кажется скорее устаревшей и нуждается в описании шероховатости в микронах (предпочтительнее), чем — VLP, VLP2 и HVLP (VLP — Very Low Profile). Можно создать длинный и сложный в написании перечень материалов, желаемых для приобретения по чистоте сигнала.

• Стандартизация медной фольги — предполагается три уровня шероховатости Ra <2 мкм, <5 мкм, <10 мкм

• Существующий стандарт IPC-4562A, таблица 3−1 (таблица 5).

• Высокая рабочая температура требует нового материала и сертификации UL RTI/MOT 130−150°С (RTI — Relative Thermal Index, MOT — Maximum Operating Temperature)

• Разработка ограничена CAF (Conductive Anodic Filament) /теплопередачей /HW (HardWare)

Таблица 5. Максимальный профиль фольги (стандарт IPC-4562A, таблица 3−1)

Мы также с интересом следим за введением UL регламента RTI/MOT на материал FR-15.1 (150°С), чтобы увеличить стойкость материалов к температуре. Для более плотных рисунков схем необходима гарантия от CAF от одной стенки отверстия до другой стенки другого отверстия, наряду с увеличением кроющей способности в сквозных отверстиях на платах толщиной

более 3 мм. Материал многослойной платы, с высокими характеристиками, низкими потерями, должен также удовлетворять многим циклам прессования, особенно для любого слоя, не менее семи циклов.

Продукты

По результатам будет много продуктов. Реализуемые в 5G, они охватывают автономный транспорт и виртуальные системы в очках. Подытоживая, IoT коснётся всего, что мы делаем. Даже Олимпийские игры 2018 включены в 5G эксперимент. Это позволяет увидеть будущее иным от предсказанного и сделать что-то завтра, о чём мечтаем сегодня.

***********************

Компания «БалтМедиа Партнёр» ООО помогает внедрению и освоению материалов, технологии и оборудования, организации рабочих мест, сопровождая и консультируя, всем отечественным производителям электроники.

По вопросам, связанным с производством электронной продукции, следует использовать следующий контакт:

Санкт-Петербург, Таллинское ш., д.206

Тел. +7 (921) 895−14−22

Электронная почта: office@bmptek.ru

Управляющий проекта — Алексей Леонов