Effektive Maßnahmen zur Lösung von Problemen bei der Herstellung von Hochfrequenz-Leiterplatten

Daher müssen elektronische Produkte, die für hohe Geschwindigkeit, geringe Verluste und hohe Signaltreue bekannt sind, mit hohen Verbrauchsbedingungen für den Betrieb mit hoher Leistung kompatibel sein, wobei PCBAs verwendet werden, um die hohe Frequenz und die hohe Verlustleistung mit hochwertiger Signalübertragung zu bewältigen.

Technologien wie Hochfrequenz, hohe Wärmeableitung und hochdichtes Verbindungsdesign führen zu neuen Dimensionen in der PCBA-Industrie und werden in naher Zukunft den Hauptteil der PCBA-Fertigung ausmachen. Allerdings erschweren komplexe Designs und die Anforderungen an eine hohe Bestückungsdichte die Herstellung von Hochfrequenz-PCBAs, so dass Unternehmen, die schlüsselfertige Leiterplatten montieren, gezwungen sind, ihre Fertigungskapazitäten zu erweitern. Als erste Wahl für Hochgeschwindigkeits-Signalübertragungsgeräte, Hochfrequenz-PCBA werden bei der Herstellung auf viele Schwierigkeiten stoßen. In diesem Artikel erläutert FS Technology die gängigen Hochfrequenz PCBA-Fertigung Probleme zu lösen und die professionellsten Lösungen für Sie zu finden, dank unserer 20-jährigen Erfahrung in der Herstellung.

Einführung in die Struktur von Hochfrequenz-PCBAs und in die Herstellungsmaterialien

Struktur Spezifikationen

Die Abbildung unten zeigt die interne Struktur einer Hochfrequenz-Hochgeschwindigkeitsleiterplatte. Die Kombination des Strukturdiagramms mit den grundlegenden Eigenschaften der Leiterplatte ist hilfreich für das Verständnis dieses Artikels.

Diagramm der internen Stapelstruktur einer Leiterplatte

Attribute

Numerischer Wert

Hochfrequenz PCBA internes Strukturdiagramm

Anzahl der Ebenen

18 Schichten

PCB Dimension

133.2mm*196.5mm

Bildseitenverhältnis

11:1

Min. Abstand/Spur
Breite (extern)

0.13mm/0.10mm

Min. Abstand zwischen Leiterbahn und Via

0.175mm

Min. über Durchmesser

0.25mm

Eigenschaften

Hochfrequentes Material, Rückwärtsbohren,
Harzverschlossenes Via mit hohem Aspektverhältnis,
hohe Wärmeableitung durch

Anwendungsbereiche

Kommunikation, Industrielle Steuerung

Materialeigenschaften für die Herstellung von Hochfrequenz-PCBAs

Hochfrequenz hat einen Frequenzbandwert von etwa 300 MHz, der auf der Grundlage von Wellenlängen in Mittelfrequenz und sehr hohe Frequenz unterteilt werden kann. Eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge von 1GHz wird als Mikrowelle bezeichnet. Das Substratmaterial der PCBA bestimmt die speziellen Funktionen und Eigenschaften der Leiterplatte. Das heißt, ob der Kunde die IMS PCBA oder die HF-Platine individuell gestalten möchte, wird hauptsächlich durch die Materialeigenschaften bestimmt. FS Technology muss bei der Herstellung von Leiterplatten für Hochfrequenzelektronik Materialien mit den folgenden Hochfrequenzeigenschaften verwenden:

  • Der Wert der Dielektrizitätskonstante muss klein und stabil sein.
  • Für eine qualitativ hochwertige Signalübertragung ist der dielektrische Verlust ebenfalls gering. Wenn DK klein ist, sind auch die Signalverluste klein.
  • Um Signalverluste aufgrund des Skin-Effekts und der Fehlanpassung der Impedanzkontrolle zu vermeiden, muss die Kupferfolie weniger rau sein.
  • Für Substratmaterialien, die für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsplatinen verwendet werden, gibt es einen niedrigen Wert für die Hygroskopizität. Die Dielektrizitätskonstante von Wasser beträgt 70. Wenn das Substrat Wasser aufnimmt, erhöht sich Dk. Eine Änderung der Impedanzkontrolle wird also die Signalübertragung stören.
  • Die Kupferfolie muss einen hohen Wert der Schälfestigkeit aufweisen
  • Das Substrat muss eine konstante Größe haben, gut in der Hitze funktionieren und chemisch beständig sein. Außerdem muss es eine gute Schlagzähigkeit und Verarbeitbarkeit aufweisen.
 

Alles in allem müssen die oben genannten Eigenschaften bei der Entwicklung von Hochfrequenz-PCBAs beachtet werden. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede und den Vergleich der Eigenschaften von Leiterplatten, die durch unterschiedliche Dk, Df und Tg entstehen.

Artikel

Material A

Material B

Material C

Material D

Dk

2.1-2.5

2.4-2.7

3.5-3.8

4.0-4.5

Df

0.0009-0.0017

0.0007-0.001

0.009-0.013

0.018-0.022

Tg

25°C

210°C

185°C-220°C

120°C

Ionen-Migrations-Widerstand

A>B>C>D

Ionen-Migrations-Widerstand

A>B>C>D

Widerstandsfähigkeit gegen Nässe

A>C>B>D

Herstellbarkeit

D>C>B>A

Kosten

A>B>C>D

Probleme bei der Hochfrequenz-PCB-Fertigung und Lösungen

Problem bei der Herstellung von Harzstopfenlöchern

Problem Erläuterung

Die Herstellung von harzgestopften Durchkontaktierungen wird in der PCB-Industrie für PCB-Produkte mit hoher Dichte und Integrität verwendet. Durch den Einsatz dieser Technik werden Fehler beseitigt, die nicht durch Harz-Öl-Vias oder Stacking-Vias behoben werden können. Um eine hohe Qualität der harzgestopften Durchkontaktierung zu erreichen, gibt es einige Schwierigkeiten, wie z.B. den Verlust einiger Eigenschaften der harzgestopften Durchkontaktierung selbst und einiger struktureller Eigenschaften der Leiterplatten.

Hier geht es um die 18-lagige Hochfrequenz-Multilayer-Platine mit einer Abmessung von 2,65 mm. Die maximale Anzahl der Lagen, die den Anforderungen für harzgefüllte Durchkontaktierungen entspricht, beträgt 18 Lagen und die Durchkontaktierungen sind in mehreren Gruppen mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet: 0,25 mm und 0,5 mm und das höchste Seitenverhältnis kann 11:1 betragen. Da die PCBA ein hohes Seitenverhältnis und zahlreiche Durchkontaktierungen aufweist, erfordert die normale Methode des Einsteckens von Durchkontaktierungen und Durchkontaktierungen unterschiedlicher Größe verschiedene Druckstufen, wodurch einige Probleme auftreten, wie z.B. das Absinken der Durchgangsöffnung, Blasenbildung im Inneren des Hohlraums und Überlaufen, wie unten dargestellt.

Problem bei der Herstellung eines PCBA-Harzstopfens

Außerdem ist es üblich, dass die Harzreinigung unvollständig ist. FS Technology empfiehlt 1 bis 2 Schleifvorgänge, um eine vollständige PCBA-Reinigung zu gewährleisten. Was den Schleifprozess betrifft, so ist FS Technology der Ansicht, dass die Anzahl der Schleifvorgänge den Anforderungen des Projekts entsprechen sollte. Übermäßiges Schleifen kann zu verschiedenen Häufige PCBA-Problemewie z.B.: Streckungsabfall, Verformung der Leiterplatte, unzureichende Kupferdicke, Bruch der Durchkontaktierung, etc.

Lösungen

  • Vor dem Einsetzen des Harzes muss die Leiterplatte getrocknet werden, um zu gewährleisten, dass keine Feuchtigkeit in den Durchkontaktierungen vorhanden ist. Damit soll verhindert werden, dass sich das Kupfer der Durchkontaktierungen aufgrund von Feuchtigkeit in den Durchkontaktierungen vom Harz trennt.
  • Vor der Verwendung muss das Harz gerührt und entschäumt werden, um interne Blasen im Harz zu beseitigen und die Viskosität des Harzes zu verringern. Unter diesen Umständen ergeben sich Möglichkeiten für mit Harz verschlossene Vias mit einem hohen Aspektverhältnis. 
  • Bei der Verwendung von Vakuumverstopfungsmaschinen für die Harzverstopfung müssen kleine Vias mit hohem Aspektverhältnis vollständig verschlossen werden, um die Bildung von Blasen zu verhindern und die Qualität der mit Harz verschlossenen Vias zu gewährleisten.
  • Nachdem die Vias wieder verschlossen sind, muss das Harz vor dem Schleifen durch Einbrennen mit einem Schleifband vorverfestigt werden. Die spezifischen Einbrennparameter sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Temperatur

Backzeit

80°C

20min

100°C

20min

130°C

20min

150°C

30min

Wenn Sie die in der Tabelle genannten Parameter einhalten, können Sie einige Qualitätsprobleme wie die Trennung zwischen Harz und Kupfer und Risse im Harz vermeiden. Dadurch können einige günstige Umstände für das Schleifen des Harzes geschaffen werden, die zu einer unvollständigen Verfestigung des Harzes führen und einige Probleme wie die Verformung der Platine und eine unzureichende Kupferdicke beseitigen. In der Abbildung unten sehen Sie eine gut mit Harz verschlossene Durchkontaktierung mit einer glatten Durchgangsöffnung und ohne Blasen oder Hohlräume in der Durchkontaktierung sowie ein qualifiziertes Harzschleifen.

Ausgezeichnetes PCBA-Harz-Stopfenloch

Probleme beim Stapeln von Hochfrequenz-PCBAs

Problem Erläuterung

Eine laminierte Platine wird üblicherweise in PCB-basierten Projekten verwendet. Ihr Merkmal ist die bleifreie Löttechnik, die bei HDI-Platten zum Einsatz kommt.

Die Typ der PCBA die wir in diesem Beitrag verwenden, ist eine 18-lagige HDI-Leiterplatte mit zweifacher Stapelung. Durch die Verwendung einer Hochfrequenzplatine wurden zahlreiche Gruppen von in Harz eingegossenen Durchkontaktierungen mit einer bis achtzehn Lagen und einem Abstand von 0,26 mm zueinander erzeugt. Dadurch entsteht eine schwache Bindungskraft zwischen den Durchkontaktierungen. Außerdem ist die Bindungskraft zwischen Harz und Prepreg-Blatt so schwach, dass es in dem Bereich, in dem die mit Harz verschlossenen Durchkontaktierungen nach dem Hochtemperaturlöten dicht angeordnet sind, zu einer Laminierung kommt.

Lösungen

Viele Komponenten verursachen die Laminierung an Stellen, an denen harzverschlossene vergrabene Durchkontaktierungen eine hohe Dichte aufweisen. Um dieses Problem zu lösen, gibt es Lösungen für die Materialauswahl, die Leiterplattenherstellung und die Fertigungstechniken.

Die ersten zu berücksichtigenden Parameter sind die Kompatibilität zwischen Pfropfenöl, Substratmaterial, Tg und WAK. Wenn ein relativ großer Unterschied zwischen ihnen besteht, erhalten das Pfropfenöl und das Trägermaterial ihre resultierenden Tg-Temperaturintervalle und unterschiedliche Ausdehnungsgrade führen zu einer ähnlichen Aufheizzeit und Temperaturanstiegsgeschwindigkeit. Die Lösung besteht also in der optimalen Auswahl des Harzes für die Verstopfung auf der Grundlage von Tg und CTE des Substratmaterials.

Die begrenzten Bindungskräfte zwischen dem Harz und dem Prepreg, der weniger wirksame Klebstoff im Prepreg im Bereich der vergrabenen Durchgänge und das unvollständige Schleifen des Harzes führen zu einer schlechten Bindung zwischen den Schichten. Um die Methode der Harzverstopfung zu verbessern, muss vor dem Schleifen eine Vorverfestigung durchgeführt werden, damit das Harz vor der Nettoverfestigung vollständig geschliffen wird und nicht mehr austritt.. Das Stapeln von Prepregs muss neu konzipiert werden, und Prepregs mit einem hohen Klebstoffanteil sollten im Bereich der Harzstopfdichte aufgetragen werden, um einen ausreichenden Stapelfließkleber und die Hitzebeständigkeit der Endprodukte zu gewährleisten.

Wenn die Durchkontaktierung eine hohe Dichte aufweist und der Rand der Leiterplatte durch das grobe Bohren und Fräsen beeinträchtigt wird, verursacht die mechanische Belastung die Laminierung. Dann wurde eine neue Bohrklinge und eine Aluminiumabdeckung für die Durchkontaktierungen mit hoher Dichte verwendet. Die Anzahl der Bohrungen und der Stapel muss verringert werden, und nach dem Bohren wird ein Bohrer mit dem Backbrett verwendet, der abprallt. Die mechanische Belastung muss verringert und das mechanische Bohren muss verbessert werden, um die Auswirkungen auf die Platine durch die Struktur zu verringern. Die Anzahl der Durchkontaktierungen muss verringert werden und die Lebensdauer der Fräsklinge und des Stapels sollte ebenfalls kontrolliert werden.

Leiterplatten nehmen durch den Herstellungsprozess Feuchtigkeit auf. Die absorbierte Feuchtigkeit verdampft bei hohen Temperaturen und dehnt sich durch den hohen Druck auf das Kupfer aus. Die Bindungskräfte und die Prepreg- und Kupferschichten sind schwach, was zu Ablösungen und auch zu Laminierungen führt. Daher sollte die Feuchtigkeitsaufnahme während des gesamten Herstellungsprozesses kontrolliert und regelmäßig überwacht werden.

Das Problem der dichten Wärmeableitungslöcher von Hochfrequenz-Leiterplatten

Problem Erläuterung

Die Wärmeableitung kann nicht ignoriert werden, da Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Multilayer-Platinen eine hohe Frequenz, eine hohe Dichte, eine hohe Integrität und eine hohe Genauigkeit benötigen. Im Vergleich zu gewöhnlichen Multilayer-Platinen besteht das Design mit hoher Dichte, hoher Genauigkeit und hoher Integrität aus zahlreichen Komponenten, die durch hohe Dichte zusammengefügt werden. Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeits- und Hochfunktionsdesigns von HDI-Platinen sind für ihre hohe Leistung bekannt. Weniger Platz und hohe Leistung stellen eine Herausforderung für die Wärmeableitung bei Endprojekten dar und wirken sich auch auf die Zuverlässigkeit der Platinen aus. Auf der Grundlage der Strukturparameter und des Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsbetriebs muss das Design von Löchern zur Wärmeableitung mit hoher Dichte in Betracht gezogen werden. Wärmeableitungslöcher haben im Vergleich zu metallisierten Löchern hoher Dichte einen Einfluss auf die dünne Kupferleitung, die dem Richtungsfaktor der Leiterplattendicke gegenübersteht. Dies führt dazu, dass die Wärme der Komponenten zur Rückseite der Leiterplatte fließt und sich mit Geschwindigkeit zu anderen Ableitungsschichten bewegt.

Löcher zur Wärmeableitung mit hoher Dichte sind ein einfacher Prozess, aber es ist nicht einfach, bei der Leiterplattenproduktion auf die Qualitätssicherung zu achten. Wenn z.B. Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Multilayer-Leiterplatten einen Bereich mit mehr als tausend Löchern mit einem Durchmesser von 0,50 mm und einem Abstand von 1,2 mm haben, kann eine normale Bohrtechnik nicht verwendet werden, da der Bohrschnitt nicht in einem entsprechenden Zeitintervall entfernt wird und die durch den Bohrer erzeugte Wärme nicht abgeleitet werden kann, was zum Schmelzen des Bohrers führt, der sich mit der Lochwand verbunden hat. Wenn sie abkühlen, entsteht eine große Menge an Klebstoffresten, die sich auf die Qualität der Lochwände auswirken. Die größeren Leimreste verstopfen die Löcher und haben eine sehr schlechte Auswirkung auf die Leiterplatten, da diese Verstopfungen nicht leicht zu entfernen sind.

Lösungen

Normalerweise werden die Bohrungen durch neue Bohrer ersetzt, um Probleme wie raue Bohrlochwände und konzentrierte Hitze, die durch eine unzureichende Bohrerlänge, Bohrerabrieb und eine unzureichende Schnittbeseitigung entstehen, zu minimieren. Der Wert des Vakuum- und Saugdrucks muss 0,0014MPa bis 0,02MPa betragen, was die Menge der Bohrschnitte erhöht. Die Harzabdeckung wird über der normalen Aluminiumabdeckung verwendet, die die Fähigkeit hat, die beim Bohren entstehende Wärme zu absorbieren, die Bohrertemperaturen zu senken, eine Bohrerschmierung zu erzeugen, die Größe der Bohrerverunreinigungen zu reduzieren und die Bohrfähigkeit zu verbessern.

Eine andere Lösung, die sich gut für eine Bit-Bounce-Technologie für die Produktion von kleinen Löchern mit hoher Dichte eignet, erhöht die Zeit für die Wärmeableitung des Bohrers und die Zeit für die Beseitigung des Schneidens und verursacht Probleme wie das Blockieren des Schneidens, die Konzentration von Wärme und eine raue Lochwand.

Probleme beim Hinterbohren und Lösungen für Hochfrequenz-PCBA

Problem Erläuterung

Die Rückleitung von Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignalen hängt normalerweise von Kupferleitern und Grafik-PCBAs ab. Wenn Kupfer durch die Durchstecktechnik durchstochen wird, wird die Rückleitung verwaltet und das Signal geht verloren.

Wenn zum Beispiel ein Signal von der oberen Schicht zu einigen äußeren Schichten gesendet wird, entsteht ein zusätzlicher Stub, der die elektrische Verbindung herstellt. Hochgeschwindigkeitssignale werden in zwei Teile geteilt, von denen der eine in den unteren Schichten zum hinteren Punkt reflektiert wird, während der andere Teil den normalen Weg zu den inneren Schaltkreisen nimmt.

Unterschiedliche Phasen von 2 Signalkategorien führen zur Erzeugung von Resonanz aufgrund von Interferenzen an Frequenzpunkten. Die Resonanz erhöht die Einfügungsverluste, die mit der Resonanzfrequenz einhergehen und sich auf die Signalübertragung auswirken. Wenn die Stichleitung länger ist, erzeugt die größere Kapazität eine niedrigere Resonanzfrequenz, die die Übertragungsqualität des Signals verringert. Als Antwort auf dieses Problem bietet FS Technology drei Lösungen an: die Reduzierung der Dicke des Substratmaterials, die Platzierung von Hochgeschwindigkeitssignalen auf der unteren Schicht der Leiterplatte und die Verwendung von Rückbohrungen. 

Bis jetzt haben wir gelernt, dass das Rückwärtsbohren ein kostengünstiges Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsverfahren ist. PCBA Konstruktionstechnik, die in der Lage ist, die geforderten Eigenschaften zu erfüllen. Alles hat Vor- und Nachteile. In der aktuellen Hochfrequenz PCB-HerstellungsprozessAufgrund der eingeschränkten Struktur des Hinterbohrens haben die Hersteller Qualitätsprobleme, wie z.B. Metall im Inneren des Lochs, Verstopfen des Lochs und Schneidbohren in der Produktion.

Das übliche Verfahren Pre-Process→Board-Plating→externe Grafik→Grafik-Plating→externes Ätzen→Rückbohren→Post-Process neigt dazu, Probleme wie interne Durchgangsgrate und Kupferdrähte zu verursachen. Beim Bohren von Löchern verursacht Elektrokupfer an der Lochwand schwächere Bindungskräfte als RA-Kupfer für Substratmaterial mit Kupfer auf der Oberfläche, Lochkupfer verursacht beim Bohren von Löchern Peeling, was zu Via-Graten und Kupferdrähten führt.

Lösungen

Es wird ein Bohrer verwendet, der einen guten Winkel hat, und die Herstellungsanforderungen beziehen sich auf den Bohrwinkel, um den Grat zu reduzieren, der im Inneren des Lochs aufgrund eines unzureichenden Winkels, einer instabilen Rotationsgeschwindigkeit und einer groben Schneidfunktion entsteht. Es besteht also die Notwendigkeit, diesen Prozess zu verwenden, d.h. Vorbearbeitung, Platinenbeschichtung, äußere Grafik, Grafikbeschichtung, Rückbohren, äußeres Ätzen und Nachbearbeitung. In der Abbildung unten sehen Sie das Beispiel für das Hinterbohren.

Der Fall der Hochfrequenz-PCBA-Backhole

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