Mesures efficaces pour résoudre les problèmes de fabrication de PCB à haute fréquence

Les produits électroniques réputés pour leur vitesse élevée, leurs pertes réduites et leur transmission de signaux haute fidélité doivent être compatibles avec des conditions de consommation élevées pour un fonctionnement à haute puissance. Le PCBA est utilisé pour gérer la conception thermique à haute fréquence et haute dissipation avec une transmission de signaux de haute qualité.

Les technologies telles que la haute fréquence, la dissipation thermique élevée et la conception d'interconnexions à haute densité donnent une nouvelle dimension à l'industrie des PCBA et constitueront l'essentiel de la fabrication des PCBA dans un avenir proche. Mais les conceptions complexes et les exigences d'assemblage à haute densité rendent la fabrication de PCBA haute fréquence plus difficile, ce qui oblige les entreprises d'assemblage de PCB clés en main à améliorer leurs capacités de fabrication. En tant que premier choix pour les équipements de transmission de signaux à haute vitesse, PCBA haute fréquence rencontrera de nombreuses difficultés dans le processus de fabrication. Dans cet article, FS Technology explique les problèmes courants liés à la haute fréquence. Fabrication de PCBA et vous fournir les solutions les plus professionnelles grâce à nos 20 ans d'expérience dans la fabrication.

Introduction de la structure et des matériaux de fabrication des PCBA haute fréquence

Spécifications de la structure

La figure ci-dessous montre la structure interne d'un circuit imprimé haute fréquence haute vitesse. La combinaison du schéma de structure avec les caractéristiques de base de la carte est utile pour la compréhension de cet article.

Schéma de la structure d'empilage interne de la carte de circuit imprimé

Attributs

Valeur numérique

Schéma de la structure interne du PCBA haute fréquence

Nombre de couches

18 couches

Dimension du PCB

133.2mm*196.5mm

Rapport d'aspect

11:1

Min. Espacement/Trace
largeur (externe)

0,13mm/0,10mm

Min. Espacement entre la trace et le via

0,175mm

Diamètre min. via

0,25 mm

Propriétés

Matériau haute fréquence, perçage arrière,
via à haut rapport d'aspect, rempli de résine,
dissipation thermique élevée via

Champs d'application

Communication, Contrôle industriel

Propriétés des matériaux pour la fabrication de PCBA haute fréquence

La haute fréquence a une valeur de bande de fréquence d'environ 300MHz qui peut être divisée en moyenne fréquence et très haute fréquence sur la base des longueurs d'onde. Une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est égale à 1 GHz est appelée micro-onde. Le matériau du substrat du PCBA détermine les fonctions et les propriétés spéciales du circuit imprimé. En d'autres termes, que le client souhaite personnaliser le PCBA IMS ou la carte RF, cela est principalement déterminé par les propriétés du matériau. FS Technology doit utiliser des matériaux présentant les propriétés haute fréquence suivantes lors de la fabrication de cartes de circuits imprimés pour l'électronique haute fréquence :

  • La valeur de la constante diélectrique doit être faible et stable.
  • Pour une transmission de signal de qualité, la perte diélectrique a également une faible valeur. Si DK est faible, les pertes de signal seront également faibles.
  • Pour éviter les pertes de signal dues à l'effet de peau et à la désadaptation du contrôle d'impédance, la rugosité de la feuille de cuivre doit être moindre.
  • La valeur de l'hygroscopicité est faible pour les matériaux de substrat utilisés pour les cartes à haute fréquence et à grande vitesse. La constante diélectrique de l'eau est de 70 ; si le substrat absorbe de l'eau, Dk augmente. Ainsi, un changement dans le contrôle de l'impédance perturbera la transmission du signal.
  • La feuille de cuivre doit avoir une valeur élevée de résistance au pelage.
  • Le substrat doit avoir une taille constante, bien fonctionner à la chaleur et avoir une résistance chimique. Il doit également présenter une bonne résistance aux chocs et être facile à fabriquer.
 

Dans l'ensemble, il convient de prêter attention aux propriétés ci-dessus lors de la conception de PCBA haute fréquence. Le tableau suivant montre la différence et la comparaison des propriétés des cartes de circuit imprimé apportées par différents Dk, Df et Tg.

Article

Matériel A

Matériau B

Matériau C

Matériau 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

Résistance à la migration des ions

A>B>C>D

Résistance à la migration des ions

A>B>C>D

Résistance à l'humidité

A>C>B>D

Fabriquabilité

D>C>B>A

Coût

A>B>C>D

Problèmes lors des processus de fabrication de PCB à haute fréquence et solutions

Problème de fabrication du trou d'obturation en résine

Explication du problème

La fabrication de via bouchés à la résine est utilisée dans l'industrie du PCB pour les produits PCB ayant une densité et une intégrité élevées. Cette technique permet d'éliminer les défauts qui ne peuvent pas être résolus par le biais d'un via à huile de résine ou d'un via d'empilage. Pour obtenir une haute qualité de résine plugged via, il y a quelques difficultés comme la résine plugged via elle-même perd certaines caractéristiques et certaines caractéristiques structurelles des cartes.

Nous parlons ici de la carte multicouche haute fréquence à 18 couches d'une dimension de 2,65 mm. Le nombre maximum de couches conformes aux exigences des via en résine est de 18 couches et les vias sont conçus en plusieurs groupes avec différents diamètres de via : 0,25 mm et 0,5 mm et le rapport d'aspect le plus élevé peut être de 11:1. Comme le PCBA a un rapport d'aspect élevé et de nombreux vias, la méthode normale d'enfichage des vias et les vias de nombreuses tailles nécessitent des niveaux de pression différents, ce qui entraîne des problèmes tels que l'enfoncement de l'orifice des vias, les bulles dans la cavité interne et le débordement, comme indiqué ci-dessous.

Problème de fabrication du trou du bouchon en résine du PCBA

En outre, il est fréquent que le nettoyage de la résine soit incomplet. FS Technology recommande 1 à 2 meulages pour garantir un nettoyage complet du PCBA. Pour le processus de rectification, le point de vue de FS Technology est de fixer le nombre de rectifications en fonction des besoins du projet. Un meulage excessif peut entraîner divers problèmes problèmes courants de PCBAtels que : baisse de rendement, déformation de la carte, épaisseur insuffisante du cuivre, rupture de l'interconnexion, etc.

Solutions

  • Avant le bouchage de la résine, le circuit imprimé doit être séché pour garantir l'absence d'humidité à l'intérieur du via, ce qui a pour but d'empêcher la séparation entre le cuivre du via et la résine en raison de l'humidité à l'intérieur du via.
  • Avant d'être utilisée, la résine doit être agitée et faire l'objet d'un démoussage afin d'éliminer les bulles internes de la résine et de réduire sa viscosité. Dans de telles circonstances, des possibilités seront créées pour les trous d'interconnexion remplis de résine avec un rapport d'aspect élevé. 
  • Lorsque des machines de bouchage sous vide sont utilisées pour le bouchage de la résine, les petits vias avec un rapport d'aspect élevé doivent être entièrement bouchés pour empêcher la formation de bulles afin de garantir la qualité des vias bouchés à la résine.
  • Une fois les vias rebouchés, il faut procéder à la pré-solidification de la résine par cuisson à l'aide d'une bande abrasive avant le broyage. Les paramètres spécifiques de cuisson sont résumés dans le tableau suivant.

Température

Temps de cuisson

80°C

20 minutes

100°C

20 minutes

130°C

20 minutes

150°C

30 minutes

Les paramètres discutés dans le tableau doivent être suivis, certains problèmes de qualité peuvent être évités comme la séparation entre la résine et le cuivre et les fissures sur la résine. Avec cela, certaines circonstances favorables peuvent être faites pour le broyage de résing résultant en une solidification incomplète de la résine avec l'élimination de certains problèmes comme la déformation de la planche et l'épaisseur insuffisante du cuivre. Dans la figure ci-dessous, nous pouvons voir une bonne résine bouchée par un via ayant une bouche de via lisse et sans bulles ou cavité dans le via et un broyage de résine qualifié.

Excellent trou de bouchon en résine pour PCBA

Problèmes d'empilage des PCBA haute fréquence

Explication du problème

Une carte laminée est couramment utilisée dans les projets basés sur les PCB. Leur caractéristique de technologie de soudure sans plomb a permis leur utilisation dans les cartes HDI.

Le site type de PCBA que nous utilisons dans ce post est un PCB HDI à 18 couches avec un empilage à deux temps. Grâce à l'utilisation d'une carte haute fréquence, de nombreux groupes de vias enfouis dans la résine ont été créés sur une à dix-huit couches avec un espacement de 0,26 mm entre les vias. Par conséquent, une faible force de liaison est créée entre les vias. De plus, la force de liaison entre la résine et la feuille préimprégnée est si faible qu'une stratification sera provoquée dans la zone où les vias enterrés recouverts de résine sont densément placés après le brasage à haute température.

Solutions

De nombreux composants sont à l'origine du laminage aux endroits où les vias enterrés en résine ont une densité élevée. Pour résoudre ce problème, certaines solutions sont le choix des matériaux, la fabrication du PCB et les techniques de fabrication.

Les premiers paramètres à considérer existent dans la compatibilité entre l'huile de bouchage, le matériau du substrat, et les Tg et CTE. Lorsqu'il existe une distinction relativement importante entre eux, l'huile de bouchage et le matériau du substrat obtiendront leurs intervalles de température Tg résultants et différents niveaux d'expansion entraîneront un temps de chauffage et une vitesse de montée en température similaires. Donc la solution qui existe dans la recherche optimale de la résine pour l'obturation basée sur le matériau du substrat Tg et CTE.

Les forces de liaison limitées entre la résine d'obturation et le préimprégné, l'adhésif moins efficace dans le préimprégné de la zone de passage enterrée et le broyage incomplet de l'obturation, la stratification qui en résulte entraînera de mauvaises forces de liaison entre les couches. Pour améliorer la méthode d'obturation de la résine, une pré-solidification doit être effectuée avant le broyage pour produire une résine entièrement broyée avant la solidification nette, la résine cessera de sortir.. L'empilement des pré-imprégnés doit être repensé et les pré-imprégnés contenant une forte teneur en adhésif doivent être appliqués dans la zone de densité de la résine afin d'assurer un empilement suffisant de l'adhésif de flux et la résistance à la chaleur des produits finis.

S'il y a un via haute densité et que la marge de la carte est affectée par le perçage et le fraisage brutaux, la contrainte mécanique provoque la stratification. Une nouvelle lame de perçage et un couvercle en résine d'aluminium ont été utilisés sur les points de via à haute densité. Le nombre de forages et d'empilages doit être diminué, et un rebondissement de la mèche sera utilisé avec le panneau de cuisson après l'application du forage. La contrainte mécanique doit être diminuée et le perçage mécanique doit être amélioré pour diminuer l'effet sur la carte à travers la structure. Le nombre de vias de l'outil doit être réduit et la durée de vie de la lame de fraisage et de l'empilage doit également être contrôlée.

Les cartes de circuits imprimés absorbent l'humidité au cours du processus de fabrication et l'humidité absorbée s'évapore à des températures élevées et se dilate sous l'effet de la pression élevée du cuivre. Les forces de liaison entre le préimprégné et les couches de cuivre sont faibles, ce qui provoque le décollement et la stratification. Ainsi, tout au long du processus de fabrication, l'absorption d'humidité doit être contrôlée et surveillée régulièrement.

Le problème des trous de dissipation de chaleur denses des PCB haute fréquence

Explication du problème

La dissipation de la chaleur ne peut être ignorée car les cartes multicouches haute fréquence et haute vitesse nécessitent une haute fréquence, une haute densité, une haute intégrité et une haute précision. Par rapport aux cartes multicouches ordinaires, les cartes à haute densité, haute précision et haute intégrité sont constituées de nombreux composants assemblés par haute densité. High frequency, high speed, and high function design of HDI PCB famous for high power. Fewer spaces and high power will make it challenging for heat dissipation of final projects and also have an effect on the reliability of boards. Sur la base des paramètres de structure et du fonctionnement à haute fréquence et à grande vitesse, la conception des trous de dissipation de chaleur à haute densité doit être envisagée. Les trous de dissipation de chaleur, comparés aux trous métallisés à haute densité, ont un effet sur le conduit de cuivre mince qui fait face au facteur de direction de l'épaisseur du PCB, dans les résultats des composants de flux de chaleur vers l'arrière de la carte et avec la vitesse de déplacement vers d'autres couches de dissipation.

Les trous de dissipation de chaleur à haute densité font face à un processus simple, mais il n'est pas facile de prêter attention à l'assurance qualité dans le processus de production des PCB. Par exemple, lorsque des cartes multicouches à haute fréquence et à haute vitesse ont une marge de zone de trous de dissipation de chaleur à haute densité avec plus de mille trous ayant un diamètre de 0,50 mm et un espacement de 1,2 mm, pour ce processus, une technique de perçage normale ne peut pas être utilisée car la coupe de perçage ne sera pas retirée dans un intervalle de temps respectif et la chaleur générée par le perçage ne sera pas dissipée, ce qui entraînera la fusion du perçage qui s'est connecté à la paroi du trou. Lorsqu'ils refroidissent, une énorme quantité de déchets de colle est créée, ce qui a un effet sur la qualité des parois du trou. Les plus gros déchets de colle bouchent les trous et ont un effet très néfaste sur les circuits imprimés, car il n'est pas facile d'éliminer ces blocages.

Solutions

Normalement, le forage sera remplacé par de nouveaux forets afin de minimiser les problèmes tels que les parois rugueuses du trou et la concentration de la chaleur produite par une mauvaise longueur de foret, l'abrasion du foret et l'élimination insuffisante de la coupe. La valeur de la pression d'aspiration et de vide doit être de 0,0014MPa à 0,02MPa, ce qui augmente la quantité de coupe de forage. La couverture en résine est utilisée à la place de la couverture normale en aluminium, qui a la capacité d'absorber la chaleur produite dans le processus de forage, de diminuer les températures de forage, de créer une lubrification du forage, de réduire la taille des contaminants du forage et d'améliorer la capacité de forage.

Une autre solution, qui est bonne pour la technologie de rebondissement du trépan pour la production de petits trous à haute densité, a pour effet d'augmenter le temps de dissipation de la chaleur du foret et le temps d'élimination de la coupe et de créer des problèmes comme le blocage de la coupe, la concentration de la chaleur et la rugosité de la paroi du trou.

Problèmes de perçage arrière et solutions pour les PCBA haute fréquence

Explication du problème

Le circuit de retour de transmission lié aux signaux à grande vitesse et à haute fréquence dépend normalement du traçage du cuivre et des PCBA graphiques. Lorsque le cuivre est perforé par la technique du trou traversant, le circuit de retour est géré et le signal tombe dans le désordre.

Par exemple, lorsqu'un signal est envoyé de la couche supérieure vers certaines couches extérieures, il y a création d'un tronçon supplémentaire qui assure la connexion électrique. Les signaux à haute vitesse seront divisés en deux parties, l'une sera réfléchie vers le point arrière lorsqu'elle passe dans les couches inférieures, et l'autre suivra le chemin normal vers les circuits internes.

Les différences liées aux phases de 2 catégories de signaux provoquent la production de la résonance due à l'interférence aux points de fréquence. La résonance augmente les pertes d'insertion qui sont ambiantes à la fréquence de résonance et a un effet sur la transmission du signal. Si le stub est plus long, la plus grande capacité créera une fréquence de résonance plus basse qui réduira la qualité de transmission du signal. En réponse à ce problème, FS Technology peut fournir trois solutions : réduire l'épaisseur du matériau de substrat, placer les signaux haute vitesse sur la couche inférieure de la carte de circuit imprimé et utiliser le perçage arrière. 

Jusqu'à présent, nous avons appris que le forage dorsal est un procédé peu coûteux, à haute fréquence et à grande vitesse. PCBA technique de construction qui a la capacité de remplir les caractéristiques requises. Tout a des avantages et des inconvénients. Dans la réalité, la haute fréquence Processus de fabrication des PCBEn raison des limites de la structure de perçage arrière, les fabricants auront des problèmes de qualité tels que le métal du trou intérieur, le bouchage du trou et le perçage de coupe dans la production.

La procédure ordinaire pré-processus→placage du carton→graphie externe→placage graphique→gravure externe→perçage arrière→post-processus a tendance à faire appel à des problèmes tels que les bavures de via interne et les fils de cuivre. Lors du perçage du trou, le cuivre électrique dans le trou, la paroi provoque des forces de liaison plus faibles que le cuivre RA pour le matériau de substrat ayant du cuivre à la surface, le cuivre du trou provoque un décollement dans la procédure de perçage du trou, conséquence des bavures de via et des fils de cuivre.

Solutions

L'utilisation d'un foret ayant un bon angle et les exigences de fabrication liées à l'angle de perçage permettent de réduire les bavures survenant sur la face interne du trou en raison d'un angle insuffisant, d'une vitesse de rotation instable et d'une coupe grossière. Il est donc nécessaire d'utiliser ce processus, le prétraitement, le placage de la carte, les graphiques extérieurs, le placage des graphiques, le perçage arrière, la gravure extérieure et le post-traitement. Dans la figure ci-dessous, vous pouvez voir l'arrière de l'échantillon de forage.

Le cas du trou arrière du PCBA haute fréquence

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