高周波プリント基板製造の問題点を解決するための有効な手段

それに伴い、高速、低損失、高忠実度の信号伝送で有名な電子製品は、高周波、高放熱設計と高品質の信号伝送を両立するためにPCBAが使用される高電力動作の高消費条件との互換性が必要となります。

高周波、高熱放散、高密度配線設計などの技術はPCBA業界に新しい次元を作り出し、近い将来、PCBA製造の主役になると思われます。しかし、複雑な設計と高密度組立の要求により、高周波PCBAの製造はより難しくなり、ターンキーPCB組立会社は製造能力のアップグレードを余儀なくされています。高速信号伝送装置の第一選択として。 高周波PCBA は、製造工程で様々な困難に遭遇します。今回は、FSテクノロジーから、一般的な高周波の PCBA製造 の問題を解決し、過去20年の製造経験を通じて、最も専門的なソリューションを提供します。

高周波PCBAの構造、製造材料についてご紹介します。

構造仕様

下図は高周波高速プリント基板の内部構造図です。構造図と基板の基本特性を組み合わせることで、本記事の読解に役立てることができます。

回路基板内部積層構造図

属性

数値

高周波用PCBA内部構造図

レイヤー数

18層

PCB寸法

133.2mm*196.5mm

アスペクト比

11:1

Min.スペーシング/トレース
横幅

0.13mm/0.10mm

Min.トレースとビアの間隔

0.175mm

最小ビア径

0.25mm

物件紹介

高周波素材、バックドリル。
高アスペクト比の樹脂プラグドビア。
高熱放散ビア

アプリケーション分野

通信、産業用制御

高周波PCBA製造のための材料特性

高周波は約300MHzの周波数帯域を持ち、波長を基準に中周波と超高周波に分けられる。波長が1GHzに等しい電磁波をマイクロ波と呼ぶ。 PCBAの基板材料は、回路基板の特殊な機能や特性を決定する。つまり、顧客がIMS PCBAをカスタマイズしたいのか、RF基板をカスタマイズしたいのか、それは主にその材料特性によって決まる。FSテクノロジーでは、高周波エレクトロニクス用の回路基板を製造する場合、以下のような高周波特性を持つ材料を使用する必要があります。

  • 誘電率の値が小さく、安定であることが必要です。
  • 信号を高品質で伝送するためには、誘電体損失も小さいことが必要です。DKが小さければ、信号の損失も小さくなります。
  • 表皮効果やインピーダンスコントロールのミスマッチによる信号損失を避けるために、銅箔の粗さを少なくする必要があります。
  • 高周波・高速基板に使用される基板材料は、吸湿性の値が低いものがあります。水の誘電率は70であり、基板が吸水するとDkが増加する。そのため、インピーダンスコントロールを変更すると、信号の伝送に支障をきたすことになる。
  • 銅箔のピール強度が高い値であること
  • 基板には、サイズが一定で、熱に強く、耐薬品性があることが求められます。また、衝撃強度や製造性が良好であること。
 

以上のことから、高周波用PCBAを設計する際には、上記の特性に注意する必要があります。Dk、Df、Tgの違いによってもたらされる回路基板特性の違いと比較を下表に示します。

項目

素材A

素材B

素材C

素材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℃-220

120°C

耐イオンマイグレーション性

A>B>C>D

耐イオンマイグレーション性

A>B>C>D

耐湿性

A>C>B>D

製造性

D>C>B>A

コスト

A>B>C>D

高周波プリント配線板製造工程における問題と解決策

樹脂製プラグホール製造時の問題

問題の説明

プリント基板業界では、高密度・高信頼性のプリント基板を製造するために、レジンプラグドビアが使用されています。この技術を用いることで、樹脂オイルプラグドビアやスタッキングビアでは解決できない欠陥を除去することができます。高い樹脂プラグド・ビア品質を得るためには、樹脂プラグド・ビア自体がいくつかの特徴を失い、基板のいくつかの構造的特徴が失われるようないくつかの困難がある。

ここでは,寸法 2.65mm の 18 層高周波多層基板を取り上げる。樹脂プラグドビアの要件に適合する最大層数は18層で、ビアは異なるビア径で複数のグループに分けて設計されています。ビア径は0.25mmと0.5mmで、アスペクト比は最高で11:1です。 PCBAは高アスペクト比で多数のビアを設計するため、通常のプラギングビア方式と多くのサイズのビアは異なる圧力レベルを必要とし、以下に示すように、ビア口の沈下、キャビティ内の気泡、オーバーフローなどの問題が発生します。

PCBA樹脂プラグホール製造時の不具合

また、樹脂洗浄が不完全になることもよくあります。FSテクノロジーでは、PCBAの洗浄を完全に行うために、1~2回の研削を推奨しています。研磨工程については、FSテクノロジーでは、プロジェクトのニーズに応じて研磨回数を設定することをポイントとしています。過剰な研磨は、様々な 一般的なPCBAの問題降伏、基板変形、銅厚不足、ビア割れなど。

ソリューション

  • 樹脂を充填する前に、基板を乾燥させ、ビア内の水分がないことを保証する必要がありますが、これはビア内の水分によるビア銅と樹脂の分離を防ぐためです。
  • 樹脂は、使用する前に攪拌して樹脂内部の気泡をなくし、樹脂の粘度を下げる脱泡処理が必要です。そのため、高アスペクト比のレジンプラグドビアを作る機会があります。 
  • 真空封止装置を樹脂封止に適用する場合、樹脂封止ビアの品質を確保するために、アスペクト比の高い小さなビアを完全に封止し、気泡の発生を抑制する必要があります。
  • ビアの再埋め込みが完了した後、研磨の前に研磨ベルトによるベーキングを行い、樹脂の予備凝固を行う必要があります。具体的なベーキングパラメータを下表にまとめる。

温度

焼成時間

80°C

20分

100°C

20分

130°C

20分

150°C

30分

表中のパラメータに従うことで、樹脂と銅の分離や樹脂上のクラックなどの品質問題を回避することができます。また、樹脂を研磨することで、基板の変形や銅の厚み不足といった問題を解消し、樹脂の固化を不完全にすることができます。下図では、ビア口が滑らかで、ビア内に気泡や空洞がなく、樹脂の研削が適切に行われていることが分かります。

優れたPCBA樹脂プラグホール

高周波用PCBAのスタッキング問題

問題の説明

積層基板は、PCBベースのプロジェクトで一般的に使用されています。その特徴である鉛フリーはんだ技術は、HDI基板に活かされた。

があります。 タイプPCBA 今回使用するのは、2回スタッキングが可能な18層HDIプリント基板です。高周波基板を使用することで、0.26mmのビア間隔で1層から18層まで多数の樹脂埋め込みビア群を形成しています。その結果、ビア間に弱い結合力が発生する。 また、樹脂とプリプレグシートの結合力が弱く、高温はんだ付け後に樹脂を充填した埋設ビアが密に配置された部分でラミネーションが発生します。

ソリューション

多くの部品は、樹脂プラグの埋設ビアが高密度に存在する場所で積層を起こします。この問題を解決するためには、材料の選択、プリント基板の製造、製造技術などがあります。

まず考慮すべきは、目詰まり油と基材、そしてTgとCTEとの相性である。両者の間に比較的大きな差が生じると、プラギングオイルと基材はその結果としてのTg温度間隔を得ることになり、異なるレベルの膨張は同様の加熱時間と温度上昇速度になる。 そこで、基板材料のTgとCTEに基づき、目詰まり用の樹脂を最適に見つけることに存在する解決策を提案した。

樹脂とプリプレグの間の限られた結合力は、埋没ビア領域と不完全なresing研削、結果のラミネーションでプリプレグの少ない効果的な接着剤は、層間の悪い結合力の結果です。レジンプラッギング方法を強化するために、樹脂を完全に生成するために研削の前に予備凝固を行う必要があり、純凝固の前に樹脂が残って停止します。.プリプレグの積層を再度設計し、接着剤を多く含むプリプレグを樹脂充填密度に適用することで、十分な積層流動接着剤と最終製品の耐熱性を確保することが必要である。

高密度ビアがあり,粗い穴あけやミリングによって基板マージンが影響を受けると,機械的ストレスによってラミネーションが発生する。そこで、高密度ビア部分に新品の穴あけ刃と樹脂製アルミカバーを使用した。 穴あけ、積み重ねの回数を減らす必要があり、穴あけ適用後の焼成基板でビットバウンドを使用する予定です。機械的ストレスを減らし、機械的な穴あけを改善し、構造による基板への影響を減らさなければならない。ツールビア数を減らし、フライス刃やスタッキングの寿命をコントロールする必要がある。

プリント配線板は、製造工程で水分を吸収し、吸収した水分は高温で蒸発し、銅は高圧で膨張します。そのため、プリプレグと銅の結合力が弱くなり、剥離やラミネートの原因となる。そのため、製造工程では吸湿を定期的に管理し、監視する必要があります。

高周波プリント基板の放熱孔密集問題

問題の説明

高周波・高速多層基板は,高周波,高密度,高欠陥,高精度が要求されるため,放熱が無視できない。通常の多層基板と比較すると、高密度・高精度・高信頼性設計は、多数の部品を高密度に組み立てることで成り立っています。 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. 構造パラメータと高周波、高速動作に基づいて、高密度の放熱穴の設計を考慮する必要があります。高密度の金属化穴と比較して放熱穴は、PCBの厚さ方向の要因に直面している薄い銅導管の影響を受け、その結果、コンポーネントの熱が基板の裏側に流れ、他の放熱層への速度で移動します。

高密度放熱穴は単純な工程に直面しているが、プリント基板製造工程での品質保証に注意を払うことは容易ではない。例えば、高周波・高速多層基板に直径0.50mm、間隔1.2mmの高密度放熱孔が1000個以上ある場合、この工程では、通常のドリル加工技術では、ドリル切削が時間的に不可能で、ドリルの発熱が放熱せず、孔壁と接続したドリルが溶けてしまうため、使用することができない。 冷却すると、大量の接着剤が発生し、穴の壁の品質に影響を与えます。このような糊が大量に発生すると、穴が塞がり、これを取り除くのが容易でないため、プリント基板に悪影響を及ぼします。

ソリューション

通常、穴あけは新しいドリルと交換され、粗い穴の壁やよくないドリルの長さ、ドリルの摩耗、適切な切削除去ではないことによって生成された熱を集中させるなどの問題を最小限に抑えるために穴を開けるようになります。真空と吸引圧の値は0.0014MPa〜0.02MPaでなければならず、これはドリル切断の量を増加させる。樹脂カバーは、通常のアルミカバーの上に使用され、ドリルプロセスで生成された熱を吸収する能力を持って、ドリルの温度を減少させ、ドリルの潤滑を作成し、ドリルの汚染物質のサイズを小さくし、ドリルの能力を向上させます。

高密度小穴加工におけるビットバウンシング技術に適したもう一つのソリューションは、ドリルの放熱時間や切削除去時間の増加、切削阻害、熱集中、穴壁の荒れなどの問題が発生することです。

高周波用PCBAのバックドリル加工における問題点と解決策

問題の説明

高速・高周波信号に関わる伝送帰還回路は、通常、銅のトレースとグラフィックスPCBAに依存する。銅がスルーホールを通過して穴が開くと、信号が乱れ、リターン回路が管理されます。

例えば、信号が上層からいくつかの外層に送られるとき、電気的接続を提供する追加のスタブの作成があります。高速信号は2つの部分に分けられ、1つは下層に入るとバックポイントに反射され、もう1つは通常の経路をたどって内部回路に送られます。

2種類の信号の位相が異なると、周波数点での干渉により共振が発生します。共振は、共振周波数に近い挿入損失を増加させ、信号の伝送に影響を与えます。スタブが長ければ長いほど、容量が大きければ大きいほど、共振周波数が低くなり、信号の伝送品質が低下する。 この問題に対し、FSテクノロジーでは、基板材料の薄型化、基板下層への高速信号の配置、バックドリル加工の3つの解決策を提供することができます。 

これまで、バックドリル加工は、低コストで高周波・高速回転することがわかりましたが PCBA 必要な機能を満たす能力を持った建設技術です。 何事にもメリットとデメリットがあります。実際の高周波では プリント基板製造工程バックドリル構造の限界から、内径メタル、穴埋め、切削加工などの品質問題が発生します。

通常の前工程→基板メッキ→外装グラフィック→グラフィックメッキ→外装エッチング→バックドリル→後工程では、内部ビアバリと銅線などの問題が発生しがちである。 穴あけの際、穴の中の電気銅は、表面に銅を持つ基材に対してRA銅よりも弱い結合力を生じ、穴の銅は穴あけの手順で剥がれ、ビアバリと銅線が発生する結果となる。

ソリューション

角度不足による穴の内側に発生するバリの低減、回転速度の不安定さ、切削性の悪さなど、穴あけ角度に関連する製造要件と良好な角度を持つドリルを使用することがある。そのため、前処理、基板メッキ、外周グラフィック、グラフィックメッキ、バックドリル、外周エッチング、後処理という工程で使用する必要があるのです。下図は、バックドリル加工例です。

高周波用PCBAバックホールの場合

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