PCB hybrides: combinaison du matériau Rogers avec le TG170 pour des performances optimales

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Les PCB hybrides utilisant une stratification mixte de matériaux Rogers de haute performance et TG170 FR4 rentable sont devenus un facteur de changement pour l'électronique à haute fréquence.En combinant l'intégrité du signal de Rogers avec la résistance mécanique et l'abordabilité du TG170Idéales pour les stations de base 5G, les radars et les applications de capteurs industriels, les conceptions hybrides résolvent un défi critique:comment obtenir des performances à haute fréquence sans dépenser trop en matériaux.

Ce guide explore la science derrière la combinaison de Rogers et TG170, la conception des meilleures pratiques pour les hybrides,et comment surmonter les obstacles de fabrication équiper les ingénieurs pour construire des PCB qui excellent à la fois en termes de transmission de signal à grande vitesse et de fiabilité dans le monde réel.

Les principaux enseignements
1.Les PCB hybrides associant Rogers et TG170 réduisent les coûts des matériaux de 30 à 40% par rapport aux modèles Rogers complets tout en conservant 90% des performances à haute fréquence.
2Les matériaux de Rogers (par exemple, RO4350) excellent dans les applications à haute fréquence (28 GHz+) avec une faible perte diélectrique (Df = 0,0037) et une constante diélectrique stable (Dk = 3,48),tandis que le TG170 offre une résistance mécanique (Tg = 170°C) et des économies de coûts pour les couches non critiques.
3.Une conception appropriée de l'empilement – en plaçant Rogers dans les couches critiques du signal et TG170 dans les couches de puissance/sol – maximise les performances tout en minimisant les coûts.
4.Les défis de fabrication tels que le déséquilibre de l'expansion thermique et la liaison par stratification peuvent être résolus avec la sélection des matériaux (CTE correspondante) et des processus contrôlés (stratification de précision).

Pourquoi combiner Rogers et TG170?
Rogers et TG170 apportent chacun des atouts uniques aux PCB hybrides, répondant aux limites de l'utilisation de l'un ou l'autre matériau seul:

a. Les matériaux Rogers (par exemple, la série RO4000) sont conçus pour des performances à haute fréquence, mais sont plus chers (3×5 fois le coût du FR4).Ils brillent dans les couches signal-critiques où la faible perte et stable Dk sont non négociables.
b.TG170 FR4 est un stratifié rentable à haute Tg (Tg = 170°C) aux propriétés mécaniques élevées, idéal pour la distribution d'énergie, les plans au sol,et couches de signaux non critiques où les performances à haute fréquence sont moins importantes.

En les combinant, les PCB hybrides tirent parti des performances électriques de Rogers là où elles comptent le plus et de l'abordabilité du TG170 ailleurs, créant une solution "le meilleur des deux mondes".

Propriétés de Rogers et TG170: une comparaison
La compréhension des propriétés de base de chaque matériau est essentielle pour concevoir des PCB hybrides efficaces:

Principaux points forts du matériel Rogers
a. Faible perte diélectrique: Df = 0,0037 réduit au minimum l'atténuation du signal dans les systèmes 5G en ondes mm (2860 GHz) et radar (77 GHz).
b.Dk stable: maintient des performances électriques constantes à la température (-40°C à 85°C) et à la fréquence, ce qui est essentiel pour le contrôle de l'impédance.
c. Résistance à l'humidité: absorbe < 0,1% d'humidité, assurant une fiabilité dans des environnements humides (par exemple, petites cellules 5G extérieures).

Principaux points forts du TG170
a.Tg élevé: résiste aux températures de reflux (260°C) et au fonctionnement à long terme à 130°C, ce qui le rend adapté aux applications industrielles et automobiles.
b.Rigidité mécanique: prend en charge les conceptions multicouches (plus de 12 couches) sans déformation, idéal pour les PCB complexes avec des couches de puissance et de signal.
c. Efficacité des coûts: 1/5 du coût de Rogers, réduisant les dépenses totales en PCB lorsqu'il est utilisé dans des couches non critiques.

Avantages des PCB hybrides avec Rogers et TG170
Les conceptions hybrides débloquent des avantages qu'aucun des deux matériaux n'offre seul:
1- Performance et coût équilibrés
Exemple: un PCB 5G à 12 couches utilisant Rogers pour 2 couches de signal (chemin RF) et TG170 pour 10 couches de puissance/sol coûte 35% moins cher qu'une conception entièrement Rogers tout en conservant 92% de l'intégrité du signal.
Cas d'utilisation: Les fabricants d'équipements de télécommunications rapportent des économies annuelles de 1,2 million de dollars en passant à des conceptions hybrides dans les stations de base 5G.

2. Gestion thermique améliorée
La conductivité thermique plus élevée de Rogers (0,6 W/m·K) dissipe la chaleur des amplificateurs RF de haute puissance, tandis que la rigidité du TG170 fournit un support structurel pour les dissipateurs de chaleur.
Résultat: un PCB hybride dans un module radar fonctionne à 15 °C de moins qu'un modèle entièrement TG170, ce qui prolonge la durée de vie du composant de 2 fois.

3. La polyvalence dans les applications
Les PCB hybrides s'adaptent à divers besoins: Rogers gère les signaux haute fréquence, tandis que TG170 gère la distribution de l'énergie et la contrainte mécanique.
Applications: émetteurs-récepteurs de stations de base 5G, radar automobile, capteurs IoT industriels et systèmes de communication par satellite.

La conception des emplacements hybrides de PCB: les meilleures pratiques
La clé du succès des PCB hybrides réside dans le placement stratégique des couches, qui correspondent aux matériaux à leur fonction prévue.
1. Stratégie d'attribution des couches
Couches Rogers: Réservé pour les chemins de signal à haute fréquence (par exemple, les traces RF de 28 GHz) et les chemins critiques contrôlés par impédance (50Ω à une seule extrémité, paires différentielles de 100Ω).
Couches TG170: Utilisation pour les plans de puissance (3,3 V, 5 V), les plans au sol et les signaux à basse vitesse (≤ 1 GHz) tels que les lignes de contrôle.

Exemple d'empilement à 4 couches:

1Couche supérieure: Rogers (signaux RF, 28 GHz)
2Couche intérieure 1: TG170 (plan du sol)
3Couche intérieure 2: TG170 (plan de puissance)
4Couche inférieure: Rogers (paires différentielles, 10 Gbps)

2Contrôle de l' impédance
Couches Rogers: Calculer les dimensions des traces (largeur, espacement) pour atteindre l'impédance cible (par exemple, 50Ω) à l'aide d'outils tels que Polar Si8000.largeur de trace de 15 mm.
Couches TG170: Pour les signaux à basse vitesse, la tolérance d'impédance peut être réduite à ± 10% (contre ± 5% pour les couches Rogers), ce qui simplifie la conception.

3- Balance thermique et mécanique
Correspondance de la CTE: Rogers (axe Z CTE = 30 ppm/°C) et TG170 (50 ‰ 60 ppm/°C) ont des taux de dilatation thermique différents.
Utilisation de couches minces de Rogers (0,2 ∼0,3 mm) pour réduire la contrainte d'expansion.
Ajout de couches " tampons " (par exemple, TG170 avec tissu de verre) entre elles.
Poids en cuivre: Utilisez 2 onces de cuivre dans les couches de puissance TG170 pour le traitement du courant, et 1 once dans les couches de signal Rogers pour minimiser les pertes.

4Compatibilité des matériaux
Sélection des pré-pré-pré-pré-pré: Utilisez des pré-pré-pré-pré à base d'époxy (par exemple, Isola FR408) qui se lient bien à la fois à Rogers et au TG170.
Traitement de surface: Rogers nécessite un nettoyage au plasma avant la stratification pour améliorer l'adhérence aux couches TG170.

Défis et solutions dans le secteur manufacturier
Les PCB hybrides présentent des obstacles de fabrication uniques en raison de différences de matériaux, mais ceux-ci sont gérables avec des processus contrôlés:
1. Lamination liant
Problème: Rogers et TG170 se lient mal avec les pré-pressions standard, ce qui conduit à la délamination.
Solution: Utiliser des imprégnés époxy modifiés (par exemple, Rogers 4450F) conçus pour la stratification mixte. Appliquer une pression de 300 à 400 psi et une température de 180 °C pendant la stratification pour assurer une adhésion complète.

2- Disparité de dilatation thermique.
Défi: l'expansion différentielle pendant le reflux peut provoquer une déformation ou une séparation des couches.
Résolution:
Limiter l'épaisseur de couche Rogers à ≤ 30% de l'épaisseur totale des PCB.
Utilisez un empilement symétrique (semblant aux couches Rogers et TG170) pour équilibrer le stress.

3Forage et placage
Défi: Rogers est plus doux que TG170, ce qui entraîne des trous de forage et de placage inégaux.
Résolution:
Utilisez des perceuses revêtues de diamants pour les couches Rogers, avec une vitesse d'alimentation réduite (50% de la norme) pour éviter les déchirures.
Les voies de plaque en deux étapes: première frappe de cuivre (10 μm) pour sceller Rogers, puis revêtement complet (25 μm) pour la conductivité.

4. Contrôle de la qualité
Inspection: Utiliser des tests ultrasoniques pour détecter la délamination entre les couches Rogers et TG170.
Épreuves: effectuer un cycle thermique (-40°C à 125°C pendant 1 000 cycles) pour valider la stabilité mécanique.

Applications des PCB hybrides
Les PCB hybrides brillent dans les applications nécessitant à la fois des performances à haute fréquence et une rentabilité:
1. Stations de base 5G
Besoin: signaux en ondes mm de 28 GHz (faible perte) + distribution de puissance (efficacité en termes de coûts).
Conception: couches Rogers pour les extrémités avant RF; TG170 pour les circuits d'alimentation et de commande en courant continu.
Résultat: réduction des coûts de 30% par rapport aux modèles entièrement Rogers avec une intégrité du signal de 95%.

2Radar automobile
Nécessité: signaux radar à 77 GHz (Dk stable) + robustesse (Tg élevé).
Conception: Rogers pour les traces des émetteurs-récepteurs radar; TG170 pour la gestion de l'alimentation et le bus CAN.
Résultat: répond aux normes de fiabilité ISO 26262 tout en réduisant les coûts des matériaux de 25%.

3. Capteurs industriels
Besoin: signaux IoT à 6 GHz + résistance aux températures d'usine.
Conception: Rogers pour la communication sans fil; TG170 pour la puissance et le traitement des capteurs.
Résultat: Survit à 85 °C dans les environnements d'usine avec une perte de signal < 1%.

Les PCB hybrides par rapport aux PCB purement matériels: une comparaison performance-coût

Questions fréquemment posées
Q: Les PCB hybrides peuvent-ils gérer des fréquences supérieures à 60 GHz?
R: Oui, mais réservez les couches Rogers pour les trajectoires à 60 GHz (par exemple, Rogers RT/duroïde 5880 avec Dk=2.2) et utilisez TG170 pour les couches de support.4dB dans tous les Rogers.

Q: Comment assurer l'adhérence entre Rogers et TG170?
R: Utilisez des pré-produits compatibles (par exemple, Rogers 4450F), des surfaces Rogers traitées au plasma et contrôlez la pression de stratification (300~400 psi) et la température (180°C).

Q: Les PCB hybrides sont-ils plus complexes à concevoir?
R: Ils nécessitent une planification minutieuse de l'empilement, mais les outils modernes (Altium, Cadence) simplifient les calculs d'impédance et l'affectation de couches.

Q: Quel est le nombre maximal de couches dans un PCB hybride?
R: Plus de 20 couches sont possibles avec une bonne symétrie d'empilement.

Q: Les PCB hybrides nécessitent-ils des tests spéciaux?
R: Oui, ajouter une inspection par ultrasons pour la délamination et la TDR (réflectométrie dans le domaine temporel) pour vérifier l'impédance dans les couches Rogers.

Conclusion
Les PCB hybrides combinant des matériaux Rogers et TG170 représentent un compromis intelligent, offrant des performances à haute fréquence là où cela compte tout en tirant parti du TG170 rentable pour les couches non critiques.En assignant stratégiquement les matériaux à leurs forces – Roger pour l'intégrité du signalLes ingénieurs peuvent construire des PCB qui répondent aux exigences de la 5G, des radars et de l'électronique industrielle sans dépenser trop.

Le succès dépend de la conception soignée de l'empilement, de la compatibilité des matériaux et des processus de fabrication contrôlés.la fiabilité, et coût dans les systèmes électroniques les plus exigeants d'aujourd'hui.

Alors que les applications à haute fréquence continuent de croître, la stratification hybride restera une stratégie clé pour les ingénieurs qui cherchent à innover sans dépasser le budget.