Quando un cliente ci contatta per un'applicazione ad alta frequenza, la conversazione raramente inizia con il prezzo. Inizia con il materiale. Nei progetti RF e a microonde, il substrato non è un supporto passivo, ma parte del circuito. Ecco perché, quando questo particolare progetto è arrivato sulla nostra scrivania, la scelta del Rogers TMM10 era già stata fatta. La vera domanda era se fossimo in grado di costruirlo esattamente secondo le specifiche.

Questa è la storia di come abbiamo realizzato un PCB TMM10 a 2 strati, spesso 5,1 mm, per un'applicazione ad alta frequenza e di cosa lo ha reso impegnativo.

I Requisiti del Cliente

Il cliente necessitava di un PCB a doppia faccia costruito su Rogers TMM10, un materiale termoindurente per microonde. Lo spessore finito della scheda era specificato a 5,1 mm, con una tolleranza dimensionale ristretta di ±0,15 mm su un ingombro compatto di 63,9 mm × 48 mm.

Ciò che ha reso questo progetto insolito non è stato solo il materiale, ma la finitura. La scheda richiedeva nessuna maschera di saldatura e nessuna serigrafia su entrambi i lati. Per un progetto ad alta frequenza, questa non è una decisione volta al risparmio sui costi, ma una decisione sulle prestazioni. La maschera di saldatura introduce uno strato dielettrico che può alterare l'impedenza e interferire con la messa a punto. Rimuoverla significa che la superficie del rame deve essere impeccabile, perché non c'è nulla da nascondere.

L'applicazione? Lavori RF ad alta frequenza, nella stessa famiglia dei sistemi di comunicazione satellitare, antenne GPS e patch, e tester di chip.

Le Sfide Ingegneristiche

Una scheda spessa 5,1 mm non è standard. La maggior parte dei PCB a doppia faccia sono misurati in frazioni di millimetro. A questo spessore, diverse cose diventano difficili contemporaneamente.

Primo, lo stackup. La scheda è stata costruita come un PCB rigido a 2 strati:

• Strato di Rame 1: 35 µm (1 oz)

• Nucleo Rogers TMM10: 5,08 mm (200 mil)

• Strato di Rame 2: 35 µm (1 oz)

Questo nucleo da 5,08 mm è la fonte sia della rigidità meccanica della scheda che della sua difficoltà di produzione.

Secondo, la foratura. Con una dimensione minima del foro di 0,25 mm e uno spessore della scheda di 5,1 mm, il rapporto d'aspetto è elevato. Fori profondi e stretti richiedono parametri di foratura precisi e pareti dei via pulite. Abbiamo utilizzato 13 via passanti, tutti placcati con uno spessore di 20 µm, senza via cieche. Ogni connessione doveva essere affidabile.

Terzo, le caratteristiche fini. La traccia e lo spazio minimi erano 4/7 mil. Su un materiale termoindurente spesso e riempito di ceramica, ottenere un'incisione consistente su tutto il pannello non è banale. Il TMM10 è meccanicamente stabile, ma la sua finestra di lavorazione è più stretta rispetto al comune FR-4.

Quarto, la finitura. Senza maschera di saldatura e serigrafia, la finitura superficiale doveva essere perfetta. Abbiamo specificato ENIG (Nickel Elettrolitico Oro per Immersione)—una finitura piatta e resistente all'ossidazione che supporta sia la saldatura che il wire bonding. L'ENIG è una scelta premium, e per questa scheda era quella giusta.

Una cosa ha giocato a nostro favore: il TMM10 non richiede il trattamento con naftalato di sodio prima della placcatura elettrolitica. Ciò ha eliminato un passaggio pericoloso e dispendioso in termini di tempo, comune con i materiali a base di PTFE.

Come l'abbiamo Costruita

Ogni progetto inizia con i dati Gerber. In questo caso, il cliente ha fornito le grafiche in formato Gerber RS-274-X, lo standard del settore. Da lì, siamo passati alla fabbricazione.

Lo stackup era semplice sulla carta ma impegnativo nell'esecuzione. Un singolo nucleo TMM10 da 5,08 mm, laminato con rame da 1 oz su entrambi i lati, ha prodotto uno spessore finito di 5,1 mm. Il coefficiente di espansione termica del materiale è abbinato al rame, il che aiuta a mantenere la stabilità dimensionale attraverso il ciclo termico, importante per un'applicazione che potrebbe subire variazioni di temperatura.

La foratura è venuta dopo. Con 13 via a diametro minimo di 0,25 mm, abbiamo controllato la profondità, la velocità di avanzamento e la velocità del mandrino per evitare sbavature di resina e garantire fori puliti. La placcatura ha portato le pareti dei via a 20 µm, fornendo connessioni elettriche solide tra i due strati di rame.

Il circuito stesso era semplice in termini di numero di reti, solo 2 reti, ma denso di pad. La scheda ospita 26 componenti, 38 pad totali, 21 pad passanti e 17 pad SMT sul lato superiore. Non ci sono pad SMT sul lato inferiore. Il layout è un ibrido di through-hole e surface-mount, comune nelle applicazioni di test RF e antenne dove è richiesto un mix di tipi di connettori e componenti di tuning.

La definizione delle tracce da 4/7 mil ha richiesto un attento controllo dell'esposizione e dell'incisione. Su un materiale così spesso, la distribuzione non uniforme del rame può causare incongruenze nell'incisione. Abbiamo regolato il processo per mantenere la fedeltà delle tracce su tutto il pannello.

Infine, l'ENIG. Senza maschera di saldatura a proteggere il rame, la deposizione di nichel-oro doveva essere uniforme e priva di difetti. È qui che una scheda come questa passa o fallisce, non c'è copertura estetica.

Verifica della Qualità

Prima della spedizione, ogni scheda è stata sottoposta a test elettrici al 100%. Questa è una pratica standard per noi, ma è più importante in un progetto come questo, dove il cliente non può ispezionare visivamente difetti della maschera di saldatura o errori di serigrafia. Il test elettrico conferma la continuità, l'isolamento e l'integrità della rete.

La scheda è stata prodotta secondo gli standard IPC-Class-2—il punto di riferimento per l'elettronica di servizio dedicata. È affidabile e durevole, costruita per un funzionamento nel mondo reale piuttosto che per dimostrazioni in laboratorio.

Il Risultato

La scheda finita misurava 63,9 mm × 48 mm, entro la tolleranza di ±0,15 mm. Ospitava 26 componenti su 38 pad, collegati da 13 via, con un peso di rame finito di 1 oz (1,4 mil) sugli strati esterni.

Più importante ancora, ha soddisfatto i requisiti elettrici e meccanici di un'applicazione ad alta frequenza. La combinazione delle proprietà elettriche del TMM10—una costante dielettrica di 9,20 e un fattore di dissipazione di 0,0022 a 10 GHz—con una costruzione rigida di 5,1 mm rende questa scheda adatta per applicazioni in cui l'integrità del segnale e la stabilità fisica sono entrambe non negoziabili.

Perché TMM10?

Per i lettori non familiari con il materiale, vale la pena conoscere il TMM10. È un materiale termoindurente per microonde che combina i benefici elettrici del PTFE con i vantaggi meccanici dei substrati riempiti di ceramica. Resiste allo scorrimento e al flusso a freddo. Resiste ai prodotti chimici di processo. Non richiede il trattamento con naftalato di sodio. E poiché si basa su una resina termoindurente, supporta un wire bonding affidabile.

Le sue applicazioni tipiche includono tester di chip, polarizzatori dielettrici, sistemi di comunicazione satellitare e antenne GPS o patch—esattamente il tipo di ambienti ad alta frequenza per cui questa scheda è stata costruita.

Considerazioni Finali

Una scheda TMM10 spessa 5,1 mm senza maschera di saldatura e serigrafia non è una produzione di routine. Richiede la giusta conoscenza dei materiali, il giusto controllo di processo e la volontà di lavorare senza una rete di sicurezza.

Se stai lavorando a un progetto ad alta frequenza e hai bisogno di un produttore che comprenda materiali come il TMM10, saremmo lieti di parlarne. Sia che la tua scheda sia spessa 0,5 mm o 5,1 mm, la conversazione inizia allo stesso modo: con le tue esigenze.

Contattaci per discutere il tuo prossimo progetto di PCB ad alta frequenza.