RO4350Bを完全に採用した8層RF基板は、量産が非現実的になるほどのコストがかかります。FR-4を完全に採用した場合、表面層の50ΩRFトレースは仕様を満たせません。

ハイブリッドスタックアップが解決策です。しかし、ハイブリッド構造は単一素材のスタックアップよりも加工がはるかに困難です。CTEの不一致は層間剥離を引き起こし、多層ラミネートは層のずれを引き起こし、厚さの異なる誘電体の交互配置はインピーダンスの維持を困難にします。

私たちは最近、この設計アプローチの典型的な例である8層RO4350B + MT40ハイブリッドRF基板を製造しました。この記事は、基板がどのように作られたかだけではありません。材料選定段階で常に生じる疑問についてです。ハイブリッドスタックアップはいつ価値があり、いつそうでないか。

基板仕様

8層銅構造。最上層と最下層には0.168mmのRO4350B高周波材料を使用します。内層には0.381mmのMT40、標準的な高Tg FR-4材料を使用し、層間には0.1245mmのMT40プリプレグを使用します。完成した外層銅は1oz、内層銅は0.5oz、ラミネート厚は1.636mmです。緑色のソルダマスク、白いシルクスクリーン、パラジウム金仕上げ、179mm x 121mm。

基板にはL1-L2およびL7-L8のブラインドビアが含まれています。最上層は、50Ωの目標インピーダンスを持つ6milのシングルエンドトレースを伝送します。

表面にRO4350B、中央にMT40を使用する理由

スタックアップのロジックは明確です。表面での高周波性能、中央での構造的サポートとコスト管理。

表面層はRO4350Bを使用します。RFトレースがあるからです。 RO4350Bは誘電率約3.48、損失係数約0.0037です。Dfが低いということは誘電損失が低いということであり、マイクロ波信号は表面を伝わるにつれて減衰が少なくなります。最上層の6milシングルエンド50ΩトレースはRO4350B上に直接構築されており、より厳密なインピーダンス制御を実現します。トレードオフ：RO4350Bは標準的なFR-4よりもはるかに高価です。

内層はMT40を使用します。電源層とグランド層は高周波性能を必要としないからです。 MT40は標準的な高Tg FR-4材料であり、RO4350Bよりもはるかに安価です。その役割は、多層スタックに構造的サポートと熱的安定性を提供することです。内層にもRO4350Bを使用した場合、材料コストは急上昇しますが、電源層とグランド層は低Dfを必要としません。トレードオフ：MT40の電気的性能はRO4350Bほど良くありませんが、内層で使用してもRF性能に影響しません。

0.1245mmのMT40プリプレグが層間厚を制御します。 プリプレグの厚さは層間の誘電体厚に直接影響し、それがインピーダンスに影響します。0.1245mmという仕様は、RO4350BとMT40のコア厚を合わせ、総ラミネート厚を1.636mmに保つために選択されました。

このスタックアップのコアロジック：高周波性能は必要な場所にのみ。 リソース利用率が高く、コスト管理が容易です。

プロセス上の課題：3つの現実的な問題

ハイブリッド誘電体スタックアップは、単一素材のスタックアップよりも加工がはるかに困難です。この基板には3つの主な課題がありました。

課題1：CTEの不一致による層間剥離と反り

RO4350Bはセラミック充填材料であり、FR-4ベースのMT40とはCTEが異なります。ラミネート中、2つの材料は異なる速度で膨張し、界面に応力を発生させ、層間剥離や基板の反りを引き起こす可能性があります。

解決策は、段階的な温度ランプとゆっくりとした冷却です。 ランプは複数の段階に分割され、各段階は材料が完全に軟化して流動するのに十分な時間保持されます。冷却段階は、急速な冷却による内部応力を避けるために、温度低下率を制御します。これにより、ラミネート中に2つの材料が互いの熱膨張挙動を徐々に調整できるようになり、界面応力が低減されます。

課題2：多層ラミネート後の層ずれ

1.636mmのラミネート厚は、8層基板としては中程度の厚さです。多層ラミネート中、層間の位置合わせ精度がずれると、層ずれが発生する可能性があります。

解決策には、追加のアライメントターゲットとラミネートプレート上の圧力均一性の最適化が含まれます。 アライメントターゲットはより正確な位置合わせ参照を提供し、圧力均一性はパネル全体に均等な力を保証し、局所的なずれを低減します。

課題3：厚さの異なる誘電体の交互配置により、インピーダンスが厚さの変動に敏感になる

スタックアップは厚いものと薄いものが交互になっています：0.168mmのRO4350B、0.381mmのMT40、0.1245mmのプリプレグ。誘電体層間の厚さの違いは大きいです。インピーダンスは誘電体厚に非常に敏感であり、変動は直接インピーダンスシフトにつながります。

解決策は、厳格な受け入れ材料厚公差です。 RO4350BとMT40のコア厚、およびプリプレグの厚さは、バッチ間の整合性を確保するために、受け入れ検査で厳密に検査する必要があります。ラミネート後の誘電体厚も、インピーダンスが設計範囲内に収まっていることを確認するために、断面で検証する必要があります。

オールRO4350Bスタックアップに対するコスト上の利点

ハイブリッドスタックアップのコアバリューは、高周波性能を維持しながらコストを削減することです。この基板のコスト上の利点は、3つの方法で現れます。

第一に、材料コストが大幅に削減されます。内層のRO4350BをMT40に置き換えることで、材料コストが大幅に削減されます。RO4350Bは標準的なFR-4よりもはるかに高価であり、RO4350Bのみで構築された8層基板は非常に高価になります。ハイブリッドスタックアップは、表面層にのみRO4350Bを使用することで、中規模から大規模のRFモジュールの量産に適しています。

第二に、MT40の耐熱性が純粋なセラミック材料の熱信頼性の弱点を補います。 MT40は高Tg FR-4材料であり、優れた耐熱性を持ち、複数のSMTリフローサイクルに耐えることができます。RO4350Bは優れた電気的性能を提供しますが、繰り返しリフロー下での熱信頼性はFR-4ほどではありません。内層にMT40を使用することで、基板全体の熱信頼性が向上します。

第三に、リソース利用率が高くなります。 高周波性能は信号表面層でのみ必要です。電源層とグランド層は低Df材料を必要としません。RO4350Bを必要な場所に配置し、内層にMT40を配置することは、より合理的なリソース配分です。

ハイブリッドスタックアップを使用すべきでない場合

これはほとんどのスタックアップの解説で省略される部分であり、材料選定段階のエンジニアにとって最も役立つ部分です。

基板全体で高周波性能が必要な場合。 内層にもRFトレースがある場合、または電源層に厳密なインピーダンス要件がある場合、ハイブリッドの利点は失われます。その場合、オールRO4350Bまたは他の高周波スタックアップがより適しています。

基板が小さい場合。 材料コストが総コストに占める割合が小さい場合、ハイブリッド構造による節約は限定的であり、プロセスの複雑さが増します。単一素材のスタックアップは、小型基板ではよりシンプルで信頼性が高い場合があります。

複数のリフローサイクルが不要な場合。 MT40の熱信頼性の利点は、マルチリフローアセンブリでのみ重要です。アセンブリプロセスが単純な場合、その利点は活用されず、ハイブリッドの複雑さは不要になります。

コストが第一の制約でない場合。 プロジェクトがコストよりも性能を重視する場合、オール高周波スタックアップはハイブリッド構造がもたらすプロセスリスクを回避します。ハイブリッドの価値はバランスです。バランスが必要ないなら、ハイブリッドは必要ありません。

結論

8層RO4350B + MT40ハイブリッドスタックアップは汎用的なソリューションではありません。ターゲットを絞ったソリューションです。高周波信号が表面層に限定され、基板が大きく、コストに敏感で、複数のリフローサイクルが必要な場合に、そのプロセス上の複雑さが正当化されます。

コアロジックは、表面での高周波性能、中央での構造的サポートとコスト管理です。プロセス上の課題（CTEの不一致、層ずれ、インピーダンス変動）にはすべて対策がありますが、それらの対策はプロセスの複雑さを増します。

設計がこれらの条件を満たさない場合は、単一素材のスタックアップの方がより賢明な選択肢となる可能性があります。

RFモジュールのスタックアップに取り組んでおり、性能とコストのバランスを取りたい場合は、お客様の要件をレビューさせていただきます。スタックアップの決定は、どの材料が最も良いかということからではなく、周波数、インピーダンスターゲット、コスト目標から始めるべきです。

ハイブリッドスタックアップを構築したことがありますか？どのようなプロセス上の問題に遭遇しましたか？