現代の電子システムは、多くの場合、イライラするジレンマに直面します。高周波性能を選択するか、それともコスト効率の高い製造で妥協するか。ハイブリッド PCB テクノロジーは、その両方に対する答えをますます提供します。この記事では、8層ハイブリッド基板Rogers RO4003C 高周波ラミネートと S1000-2M FR-4 素材を単一の設計で組み合わせることで、正確にこのバランスを実現します。

ハイブリッド アプローチ: 重要な場所にマテリアルを配置する

上部層と下部層には、卓越した高周波性能を実現する Rogers Corporation の炭化水素セラミック ラミネートである 0.203mm RO4003C が使用されています。 RO4003C は、10GHz で 3.38 の誘電率 (Dk) と 0.0027 の超低誘電正接 (Df) を備えており、RF 信号が最小限の損失で伝送されることを保証します。温度と周波数全体にわたって誘電率が安定しているため、5G やレーダーなどの広帯域アプリケーションに最適です。

RO4003C の特に魅力的な点は、その加工性です。ナトリウムエッチングなどの特殊なビア処理を必要とする PTFE ベースの材料とは異なり、RO4003C は標準的な FR-4 処理装置と互換性があります。メーカーは、高価な専用生産ラインに投資することなく、高周波性能を達成できます。

中間層には、鉛フリーアセンブリ用に配合された高性能 FR-4 材料である S1000-2M が使用されています。ガラス転移温度 (Tg) が約 170°C であるため、鉛フリー プロセスのより高いはんだ付け温度に耐えられます。 Z 軸 CTE が低いため、熱サイクル中に信頼性の高いスルーホール ビアが確保され、優れた耐湿性により CAF 故障のリスクが軽減されます。

この分割アプローチにより、高周波材料がラミネート総面積の約 25% に制限され、材料コストの約 60% で全高周波基板の性能の約 90% が達成されます。

ブラインドビア: ブラインドビアの概要と使用理由

ビアは、PCB 層間の電気接続を提供するメッキされた穴です。スルーホールビアは上面から底面まで開けられ、基板の厚さ全体を貫通します。ブラインド ビアは異なります。袋小路が街区を貫通しないのと同じように、ブラインド ビアは基板全体を貫通することなく、外側の層を内側の層に接続します。この設計では、ブラインド ビアは L1-L2 と L7-L8 を接続し、それぞれ 2 つの隣接する層のみにまたがります。

なぜブラインドビアを使用するのでしょうか?まず、配線密度が向上します。スルーホール ビアは、8 層すべての配線チャネルを占有します。ブラインド ビアは 2 つの接続された層のみをブロックし、残りの 6 層を解放して中断のない配線を可能にします。 2 番目に、信号の完全性を最適化します。ブラインド ビアのバレルは短く、スルーホールの場合は 1.6 mm であるのに対し、わずか 0.203 mm なので、寄生容量とインダクタンスが低減され、高周波性能が向上します。

ブラインド ビアは、レーザー ドリリングまたは制御された深さの機械的ドリリングを使用して製造されます。 RO4003C のセラミックフィラーは研磨性があるため、ダイヤモンドコーティングされたドリルビットが必要です。深さの許容差は重要です: 通常は ±50μm。浅すぎると接続が開いてしまいます。深すぎると隣接する層を貫通する可能性があります。

樹脂充填ビア: その概要と使用理由

樹脂充填ビアは、銅メッキの後、エポキシ樹脂で充填され、硬化され、平らに研磨され、銅キャップでメッキされたビアです。この設計では、3 つの直径 (0.2mm、0.25mm、0.35mm) の樹脂充填ビアを使用します。

樹脂充填の主な理由は、パッド内ビア、つまりコンポーネントのはんだパッド内にビアを直接配置できるようにするためです。樹脂充填がないと、リフローはんだ付け中の毛細管現象によって、溶けたはんだが開口部のビア バレルから吸い上げられ、パッドが消耗し、接合の信頼性が低下します。充填とキャッピングの後、パッド表面は平らで連続した状態になり、信頼性の高いはんだ付けを確保しながら最適なビア配置が可能になります。

樹脂充填により、信頼性の利点も得られます。充填されていないビアにはエアポケットが含まれています。 260°C を超える温度ではんだ付け中に、閉じ込められた水分が蒸発して膨張し、めっきバレルが破損する可能性があります。これは「ポップコーン」として知られる故障です。樹脂充填はこのリスクを完全に排除します。

プロセスの課題は、直径が異なれば、異なる樹脂配合と硬化プロファイルが必要になることです。ビアが大きいほど、硬化中の収縮が大きくなります。真空圧、樹脂粘度、硬化速度は直径ごとに最適化する必要があります。

積層、表面仕上げ、製造上の課題

仕上がり厚さ 1.6 mm により、273 mm × 185 mm のパネルの剛性とコネクタの互換性のバランスが取れています。外層には1オンスの銅が使用されています。内層には 0.5 オンス/1 オンスの差動銅が採用されており、信号層ではファイン ライン エッチングのために薄く、電源/グランド プレーンでは DC 抵抗を低くするために厚くなります。 ENIG 表面仕上げは、ファインピッチ部品に平坦で耐酸化性のあるはんだ付け可能な表面を提供します。

ハイブリッド ボードには製造上の課題があります。 ~190°C での積層中に RO4003C と S1000-2M の間の CTE が一致しないと、反りが発生する可能性があります。緩和策には、セグメント化された加熱プロファイル、プリベーク、および制御された冷却が含まれます。セラミック充填材料を使用したブラインドビア穴あけでは、工具を頻繁に交換する必要があります。 3 つの直径にわたる樹脂充填には、すべてのビア内の気泡を排除するためのバランスの取れたパラメータが必要です。

結論

この 8 層ハイブリッド基板は、高周波性能とコスト効率の高い製造が相反するものではないことを示しています。 RO4003C を外側の信号層に配置し、デジタル コアに S1000-2M を使用することにより、この設計はコンパクトな 1.6 mm の設置面積内で RF とデジタルの統合を実現します。ブラインド ビアは、高周波パスに必要な配線密度を提供します。樹脂充填ビアにより、パッド内ビア設計が可能になり、ポップコーンが発生しなくなります。 5G、自動車レーダー、航空宇宙エレクトロニクスに取り組むエンジニアにとって、このハイブリッド アプローチは魅力的な前進の道を提供します。