بردهای مدار چاپی هیبریدی: ترکیب مواد راجرز با TG170 برای عملکرد بهینه

تصاویر تایید شده توسط مشتری

بردهای مدار چاپی هیبریدی—با استفاده از لمینیت ترکیبی از مواد با عملکرد بالای راجرز و مواد مقرون به صرفه TG170 FR4—به عنوان یک تغییر دهنده بازی برای الکترونیک با فرکانس بالا ظاهر شده اند. با ادغام یکپارچگی سیگنال راجرز با استحکام مکانیکی و مقرون به صرفه بودن TG170، این بردهای مدار چاپی تعادل نادری از عملکرد، دوام و راندمان هزینه را ارائه می دهند. ایده آل برای ایستگاه های پایه 5G، رادار و کاربردهای حسگر صنعتی، طرح های هیبریدی یک چالش حیاتی را حل می کنند: چگونه می توان به عملکرد با فرکانس بالا بدون صرف هزینه زیاد برای مواد دست یافت.

این راهنما علم پشت ترکیب راجرز و TG170، بهترین شیوه های طراحی برای ساختارهای هیبریدی و نحوه غلبه بر موانع تولید را بررسی می کند—تجهیز مهندسان برای ساخت بردهای مدار چاپی که در انتقال سیگنال با سرعت بالا و قابلیت اطمینان در دنیای واقعی برتری دارند.

نکات کلیدی
  1. بردهای مدار چاپی هیبریدی که راجرز و TG170 را جفت می کنند، هزینه های مواد را 30 تا 40 درصد در مقایسه با طرح های کامل راجرز کاهش می دهند و در عین حال 90 درصد از عملکرد با فرکانس بالا را حفظ می کنند.
  2. مواد راجرز (به عنوان مثال، RO4350) در کاربردهای با فرکانس بالا (28 گیگاهرتز+) با تلفات دی الکتریک کم (Df = 0.0037) و ثابت دی الکتریک پایدار (Dk = 3.48) برتری دارند، در حالی که TG170 استحکام مکانیکی (Tg = 170 درجه سانتیگراد) و صرفه جویی در هزینه را برای لایه های غیر بحرانی ارائه می دهد.
  3. طراحی مناسب ساختار—قرار دادن راجرز در لایه های بحرانی سیگنال و TG170 در لایه های قدرت/زمین—عملکرد را به حداکثر می رساند و در عین حال هزینه را به حداقل می رساند.
  4. چالش های تولید مانند عدم تطابق انبساط حرارتی و اتصال لمینیت با انتخاب مواد (CTE منطبق) و فرآیندهای کنترل شده (لمینیت دقیق) قابل حل هستند.

چرا راجرز و TG170 را ترکیب کنیم؟
راجرز و TG170 هر کدام نقاط قوت منحصر به فردی را برای بردهای مدار چاپی هیبریدی به ارمغان می آورند و محدودیت های استفاده از هر یک از مواد به تنهایی را برطرف می کنند:

  الف. مواد راجرز (به عنوان مثال، سری RO4000) برای عملکرد با فرکانس بالا مهندسی شده اند، اما با قیمت بالایی همراه هستند (3 تا 5 برابر هزینه FR4). آنها در لایه های بحرانی سیگنال که در آن تلفات کم و Dk پایدار غیر قابل مذاکره هستند، می درخشند.
  ب. TG170 FR4 یک لمینت مقرون به صرفه و با Tg بالا (Tg = 170 درجه سانتیگراد) با خواص مکانیکی قوی است که برای توزیع برق، صفحات زمین و لایه های سیگنال غیر بحرانی که در آن عملکرد با فرکانس بالا اهمیت کمتری دارد، ایده آل است.

با ترکیب آنها، بردهای مدار چاپی هیبریدی از عملکرد الکتریکی راجرز در جایی که بیشتر اهمیت دارد و مقرون به صرفه بودن TG170 در جاهای دیگر استفاده می کنند—ایجاد یک راه حل "بهترین های هر دو جهان".

خواص راجرز و TG170: مقایسه
درک خواص اصلی هر ماده برای طراحی بردهای مدار چاپی هیبریدی موثر کلیدی است:

نقاط قوت کلیدی مواد راجرز
  الف. تلفات دی الکتریک کم: Df = 0.0037 تضعیف سیگنال را در سیستم های 5G mmWave (28 تا 60 گیگاهرتز) و رادار (77 گیگاهرتز) به حداقل می رساند.
  ب. Dk پایدار: عملکرد الکتریکی ثابت را در سراسر دما (-40 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد) و فرکانس حفظ می کند که برای کنترل امپدانس حیاتی است.
  ج. مقاومت در برابر رطوبت: جذب می کند <0.1% رطوبت، اطمینان از قابلیت اطمینان در محیط های مرطوب (به عنوان مثال، سلول های کوچک 5G در فضای باز).

نقاط قوت کلیدی TG170
  الف. Tg بالا: در برابر دمای رفلاو (260 درجه سانتیگراد) و عملکرد طولانی مدت در 130 درجه سانتیگراد مقاومت می کند و آن را برای کاربردهای صنعتی و خودرو مناسب می کند.
  ب. سفتی مکانیکی: از طرح های چند لایه (12+ لایه) بدون تاب خوردگی پشتیبانی می کند که برای بردهای مدار چاپی پیچیده با لایه های قدرت و سیگنال ایده آل است.
  ج. راندمان هزینه: 1/5 هزینه راجرز، کاهش کل هزینه های بردهای مدار چاپی در صورت استفاده در لایه های غیر بحرانی.

مزایای بردهای مدار چاپی هیبریدی با راجرز و TG170
طرح های هیبریدی مزایایی را باز می کنند که هیچ یک از مواد به تنهایی ارائه نمی دهند:
1. عملکرد و هزینه متعادل
مثال: یک برد مدار چاپی 5G 12 لایه با استفاده از راجرز برای 2 لایه سیگنال (مسیرهای RF) و TG170 برای 10 لایه قدرت/زمین، 35٪ کمتر از یک طرح تمام راجرز هزینه دارد و در عین حال 92٪ از یکپارچگی سیگنال را حفظ می کند.
موارد استفاده: تولیدکنندگان تجهیزات مخابراتی 1.2 میلیون دلار صرفه جویی سالانه را با تغییر به طرح های هیبریدی در ایستگاه های پایه 5G گزارش می دهند.

2. مدیریت حرارتی پیشرفته
هدایت حرارتی بالاتر راجرز (0.6 وات بر متر·کلوین) گرما را از تقویت کننده های RF با قدرت بالا دفع می کند، در حالی که سفتی TG170 پشتیبانی ساختاری برای سینک های حرارتی فراهم می کند.
نتیجه: یک برد مدار چاپی هیبریدی در یک ماژول رادار 15 درجه سانتیگراد خنک تر از یک طرح تمام TG170 کار می کند و طول عمر اجزا را 2 برابر افزایش می دهد.

3. تطبیق پذیری در سراسر برنامه ها
بردهای مدار چاپی هیبریدی با نیازهای مختلف سازگار می شوند: راجرز سیگنال های با فرکانس بالا را مدیریت می کند، در حالی که TG170 توزیع برق و تنش مکانیکی را مدیریت می کند.
کاربردها: فرستنده گیرنده های ایستگاه های پایه 5G، رادار خودرو، حسگرهای IoT صنعتی و سیستم های ارتباطات ماهواره ای.

طراحی ساختارهای برد مدار چاپی هیبریدی: بهترین شیوه ها
کلید موفقیت برد مدار چاپی هیبریدی در قرار دادن لایه استراتژیک نهفته است—مطابقت مواد با عملکرد مورد نظر آنها.
1. استراتژی تخصیص لایه
لایه های راجرز: برای مسیرهای سیگنال با فرکانس بالا (به عنوان مثال، ردیابی RF 28 گیگاهرتز) و مسیرهای کنترل شده امپدانس بحرانی (جفت های تک سر 50 اهم، دیفرانسیل 100 اهم) رزرو کنید.
لایه های TG170: برای صفحات قدرت (3.3 ولت، 5 ولت)، صفحات زمین و سیگنال های کم سرعت (≤1 گیگاهرتز) مانند خطوط کنترل استفاده کنید.

مثال ساختار 4 لایه:

1. لایه بالایی: راجرز (سیگنال RF، 28 گیگاهرتز)
2. لایه داخلی 1: TG170 (صفحه زمین)
3. لایه داخلی 2: TG170 (صفحه قدرت)
4. لایه پایینی: راجرز (جفت های دیفرانسیل، 10 گیگابیت بر ثانیه)

2. کنترل امپدانس
لایه های راجرز: ابعاد ردیابی (عرض، فاصله) را برای دستیابی به امپدانس هدف (به عنوان مثال، 50 اهم) با استفاده از ابزارهایی مانند Polar Si8000 محاسبه کنید. یک میکرو استریپ 50 اهم روی راجرز RO4350 (دی الکتریک 0.2 میلی متر) به عرض ردیابی 0.15 میلی متر نیاز دارد.
لایه های TG170: برای سیگنال های کم سرعت، تحمل امپدانس می تواند تا ±10٪ (در مقابل ±5٪ برای لایه های راجرز) کاهش یابد و طراحی را ساده می کند.

3. تعادل حرارتی و مکانیکی
مطابقت CTE: راجرز (CTE محور Z = 30 ppm/درجه سانتیگراد) و TG170 (50 تا 60 ppm/درجه سانتیگراد) نرخ انبساط حرارتی متفاوتی دارند. با این کار کاهش دهید:
استفاده از لایه های نازک راجرز (0.2 تا 0.3 میلی متر) برای کاهش تنش انبساط.
افزودن لایه های "بافر" (به عنوان مثال، TG170 با پارچه شیشه ای) بین آنها.
وزن مس: از مس 2 اونس در لایه های قدرت TG170 برای جابجایی جریان و 1 اونس در لایه های سیگنال راجرز برای به حداقل رساندن تلفات استفاده کنید.

4. سازگاری مواد
انتخاب Prepreg: از prepregs مبتنی بر اپوکسی (به عنوان مثال، Isola FR408) استفاده کنید که به خوبی به راجرز و TG170 متصل می شوند. از prepregs پلی استر که ممکن است از راجرز جدا شوند، خودداری کنید.
تصفیه سطح: راجرز قبل از لمینیت به تمیز کردن پلاسما نیاز دارد تا چسبندگی به لایه های TG170 را بهبود بخشد.

چالش های تولید و راه حل ها
بردهای مدار چاپی هیبریدی به دلیل تفاوت های مواد، موانع تولید منحصر به فردی را ارائه می دهند، اما اینها با فرآیندهای کنترل شده قابل مدیریت هستند:
1. اتصال لمینیت
چالش: راجرز و TG170 با prepregs استاندارد به خوبی پیوند نمی خورند و منجر به جدا شدن لایه ها می شود.
راه حل: از prepregs اپوکسی اصلاح شده (به عنوان مثال، Rogers 4450F) که برای لمینیت ترکیبی طراحی شده اند، استفاده کنید. در طول لمینیت، فشار 300 تا 400 psi و دمای 180 درجه سانتیگراد اعمال کنید تا از چسبندگی کامل اطمینان حاصل شود.

2. عدم تطابق انبساط حرارتی
چالش: انبساط دیفرانسیل در طول رفلاو می تواند باعث تاب خوردگی یا جدایی لایه ها شود.
راه حل:
ضخامت لایه راجرز را به ≤30٪ از ضخامت کل برد مدار چاپی محدود کنید.
از یک ساختار متقارن (آینه کردن لایه های راجرز و TG170) برای متعادل کردن استرس استفاده کنید.

3. حفاری و آبکاری
چالش: راجرز نرمتر از TG170 است که منجر به حفاری ناهموار و حفره های آبکاری می شود.
راه حل:
از مته های الماسه برای لایه های راجرز با سرعت تغذیه کاهش یافته (50٪ از استاندارد) برای جلوگیری از پارگی استفاده کنید.
سوراخ ها را در دو مرحله آبکاری کنید: ابتدا ضربه مس (10 میکرومتر) برای مهر و موم کردن راجرز، سپس آبکاری کامل (25 میکرومتر) برای هدایت.

4. کنترل کیفیت
بازرسی: از آزمایش اولتراسونیک برای تشخیص جدا شدن لایه ها بین لایه های راجرز و TG170 استفاده کنید.
آزمایش: چرخه حرارتی (-40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد برای 1000 چرخه) را برای اعتبار سنجی پایداری مکانیکی انجام دهید.

کاربردهای بردهای مدار چاپی هیبریدی
بردهای مدار چاپی هیبریدی در کاربردهایی که به عملکرد با فرکانس بالا و راندمان هزینه نیاز دارند، می درخشند:
1. ایستگاه های پایه 5G
نیاز: سیگنال های mmWave 28 گیگاهرتز (تلفات کم) + توزیع برق (راندمان هزینه).
طراحی: لایه های راجرز برای فرانت اندهای RF؛ TG170 برای برق DC و مدارهای کنترل.
نتیجه: 30٪ کاهش هزینه در مقابل طرح های تمام راجرز با 95٪ یکپارچگی سیگنال.

2. رادار خودرو
نیاز: سیگنال های رادار 77 گیگاهرتز (Dk پایدار) + استحکام (Tg بالا).
طراحی: راجرز برای ردیابی فرستنده گیرنده رادار؛ TG170 برای مدیریت برق و CAN bus.
نتیجه: با کاهش هزینه های مواد تا 25٪، استانداردهای قابلیت اطمینان ISO 26262 را برآورده می کند.

3. حسگرهای صنعتی
نیاز: سیگنال های IoT 6 گیگاهرتز + مقاومت در برابر دمای کارخانه.
طراحی: راجرز برای ارتباطات بی سیم؛ TG170 برای برق و پردازش حسگر.
نتیجه: در محیط های کارخانه 85 درجه سانتیگراد با <1٪ تلفات سیگنال زنده می ماند.

بردهای مدار چاپی هیبریدی در مقابل مواد خالص: مقایسه عملکرد و هزینه

سوالات متداول
س: آیا بردهای مدار چاپی هیبریدی می توانند فرکانس های 60 گیگاهرتز+ را مدیریت کنند؟
پاسخ: بله، اما لایه های راجرز را برای مسیرهای 60 گیگاهرتز (به عنوان مثال، راجرز RT/duroid 5880 با Dk=2.2) رزرو کنید و از TG170 برای لایه های پشتیبانی استفاده کنید. تلفات سیگنال در 60 گیگاهرتز ~5 دسی بل/10 سانتی متر در طرح های هیبریدی است، در مقابل 4 دسی بل در همه راجرز.

س: چگونه می توانم چسبندگی بین راجرز و TG170 را تضمین کنم؟
پاسخ: از prepregs سازگار (به عنوان مثال، Rogers 4450F)، سطوح راجرز را با پلاسما درمان کنید و فشار لمینیت (300 تا 400 psi) و دما (180 درجه سانتیگراد) را کنترل کنید.

س: آیا طراحی بردهای مدار چاپی هیبریدی پیچیده تر است؟
پاسخ: آنها به برنامه ریزی دقیق ساختار نیاز دارند، اما ابزارهای مدرن (Altium، Cadence) محاسبات امپدانس و تخصیص لایه را ساده می کنند. صرفه جویی در هزینه اغلب تلاش طراحی اضافی را توجیه می کند.

س: حداکثر تعداد لایه ها در یک برد مدار چاپی هیبریدی چقدر است؟
پاسخ: 20+ لایه با تقارن ساختار مناسب امکان پذیر است. بردهای مدار چاپی 5G مخابرات اغلب از طرح های هیبریدی 16 لایه (4 راجرز، 12 TG170) استفاده می کنند.

س: آیا بردهای مدار چاپی هیبریدی به آزمایش ویژه ای نیاز دارند؟
پاسخ: بله—بازرسی اولتراسونیک را برای جدا شدن لایه ها و TDR (Time Domain Reflectometry) برای تأیید امپدانس در لایه های راجرز اضافه کنید. آزمایش های چرخه حرارتی (-40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد) پایداری مکانیکی را تأیید می کنند.

نتیجه
بردهای مدار چاپی هیبریدی که مواد راجرز و TG170 را ترکیب می کنند، یک مصالحه هوشمندانه را نشان می دهند و عملکرد با فرکانس بالا را در جایی که اهمیت دارد ارائه می دهند و در عین حال از TG170 مقرون به صرفه برای لایه های غیر بحرانی استفاده می کنند. با تخصیص استراتژیک مواد به نقاط قوت آنها—راجرز برای یکپارچگی سیگنال، TG170 برای استحکام مکانیکی و هزینه—مهندسان می توانند بردهای مدار چاپی بسازند که نیازهای 5G، رادار و الکترونیک صنعتی را بدون صرف هزینه زیاد برآورده کنند.

موفقیت به طراحی دقیق ساختار، سازگاری مواد و فرآیندهای تولید کنترل شده بستگی دارد. با وجود این موارد، بردهای مدار چاپی هیبریدی یک راه حل قانع کننده برای متعادل کردن عملکرد، قابلیت اطمینان و هزینه در سیستم های الکترونیکی امروزی ارائه می دهند.

با ادامه رشد کاربردهای با فرکانس بالا، لمینیت هیبریدی همچنان یک استراتژی کلیدی برای مهندسانی خواهد بود که به دنبال نوآوری بدون شکستن بودجه هستند.