PCB Hibrida: Menggabungkan Material Rogers dengan TG170 untuk Kinerja Optimal

Citra-citra yang dibuat oleh pelanggan

PCB hibrida yang menggunakan laminasi campuran dari bahan Rogers berkinerja tinggi dan TG170 FR4 yang hemat biaya telah muncul sebagai game changer untuk elektronik frekuensi tinggi.Dengan menggabungkan integritas sinyal Rogers dengan kekuatan mekanik dan keterjangkauan TG170, PCB ini memberikan keseimbangan kinerja, daya tahan, dan efisiensi biaya yang langka.bagaimana untuk mencapai kinerja frekuensi tinggi tanpa membelanjakan terlalu banyak pada bahan.

Panduan ini mengeksplorasi ilmu di balik menggabungkan Rogers dan TG170, desain praktik terbaik untuk stack-up hibrida,dan bagaimana mengatasi hambatan manufaktur memperlengkapi insinyur untuk membangun PCB yang unggul dalam transmisi sinyal kecepatan tinggi dan keandalan dunia nyata.

Hal-Hal Utama
1PCB hibrida yang memasangkan Rogers dan TG170 mengurangi biaya bahan sebesar 30~40% dibandingkan dengan desain Rogers penuh sambil mempertahankan 90% dari kinerja frekuensi tinggi.
2. Bahan Rogers (misalnya, RO4350) unggul dalam aplikasi frekuensi tinggi (28GHz+) dengan kehilangan dielektrik rendah (Df = 0,0037) dan konstanta dielektrik yang stabil (Dk = 3,48),sedangkan TG170 menawarkan kekuatan mekanik (Tg = 170°C) dan penghematan biaya untuk lapisan non-kritis.
3.Desain stack-up yang tepat menempatkan Rogers di lapisan sinyal-kritis dan TG170 di lapisan daya / tanah memaksimalkan kinerja sambil meminimalkan biaya.
4Tantangan manufaktur seperti ketidakcocokan ekspansi termal dan ikatan laminasi dapat diselesaikan dengan pemilihan bahan (CTE yang cocok) dan proses yang terkendali (laminasi presisi).

Mengapa menggabungkan Rogers dan TG170?
Rogers dan TG170 masing-masing membawa kekuatan unik untuk PCB hibrida, mengatasi keterbatasan menggunakan salah satu bahan saja:

a.Material Rogers (misalnya, seri RO4000) dirancang untuk kinerja frekuensi tinggi tetapi datang dengan premi (35x biaya FR4).Mereka bersinar di lapisan sinyal-kritis di mana kerugian rendah dan stabil Dk tidak dapat dinegosiasikan.
b.TG170 FR4 adalah laminasi Tg tinggi yang hemat biaya (Tg = 170°C) dengan sifat mekanik yang kuat, ideal untuk distribusi daya, bidang tanah,dan lapisan sinyal non-kritis di mana kinerja frekuensi tinggi kurang penting.

Dengan menggabungkannya, PCB hibrida memanfaatkan kinerja listrik Rogers di tempat yang paling penting dan keterjangkauan TG170 di tempat lain, menciptakan solusi "yang terbaik dari kedua dunia".

Sifat Rogers dan TG170: Perbandingan
Memahami sifat inti dari setiap bahan adalah kunci untuk merancang PCB hibrida yang efektif:

Kekuatan Utama Bahan Rogers
a. Kerugian dielektrik rendah: Df = 0,0037 meminimalkan attenuasi sinyal dalam sistem 5G mmWave (28 ′60 GHz) dan radar (77 GHz).
b. Stabil Dk: Mempertahankan kinerja listrik yang konsisten di seluruh suhu (-40°C sampai 85°C) dan frekuensi, penting untuk kontrol impedansi.
c. Ketahanan terhadap kelembaban: menyerap <0,1% kelembaban, memastikan keandalan di lingkungan yang lembab (misalnya, sel kecil 5G di luar ruangan).

Kekuatan utama TG170
a.Tg tinggi: Tahan terhadap suhu aliran balik (260°C) dan operasi jangka panjang pada 130°C, membuatnya cocok untuk aplikasi industri dan otomotif.
Kekuatan mekanik: Mendukung desain multi-lapisan (12+ lapisan) tanpa penyimpangan, ideal untuk PCB kompleks dengan lapisan daya dan sinyal.
Efisiensi biaya: 1/5 dari biaya Rogers, mengurangi total biaya PCB ketika digunakan di lapisan non-kritis.

Keuntungan PCB Hibrida dengan Rogers dan TG170
Desain hibrida membuka manfaat bahwa tidak ada bahan memberikan sendiri:
1Kinerja dan Biaya yang Seimbang
Contoh: PCB 5G 12 lapis yang menggunakan Rogers untuk 2 lapisan sinyal (jalur RF) dan TG170 untuk 10 lapisan daya / tanah biaya 35% lebih murah daripada desain semua-Rogers sambil mempertahankan 92% integritas sinyal.
Kasus penggunaan: Produsen peralatan telekomunikasi melaporkan penghematan tahunan $ 1,2 juta dengan beralih ke desain hibrida di stasiun dasar 5G.

2. Pengelolaan Termal yang Ditingkatkan
Konduktivitas termal Rogers yang lebih tinggi (0,6 W/m·K) menghilangkan panas dari amplifier RF bertenaga tinggi, sementara kekakuan TG170 memberikan dukungan struktural untuk sumur panas.
Hasilnya: PCB hibrida dalam modul radar berjalan 15 ° C lebih dingin daripada desain semua-TG170, memperpanjang umur komponen dengan 2x.

3. Versatilitas Di Seluruh Aplikasi
PCB hibrida beradaptasi dengan berbagai kebutuhan: Rogers menangani sinyal frekuensi tinggi, sementara TG170 mengelola distribusi daya dan tekanan mekanis.
Aplikasi: 5G base station transceiver, radar otomotif, sensor IoT industri, dan sistem komunikasi satelit.

Merancang Stack-Up PCB Hibrida: Praktik Terbaik
Kunci keberhasilan PCB hibrida terletak pada penempatan lapisan strategis yang menyamakan bahan dengan fungsi yang dimaksudkan.
1. Strategi Penugasan Lapisan
Lapisan Rogers: Cadangan untuk jalur sinyal frekuensi tinggi (misalnya, jejak RF 28GHz) dan rute kritis yang dikendalikan impedansi (50Ω satu ujung, pasangan diferensial 100Ω).
Lapisan TG170: Digunakan untuk pesawat tenaga (3.3V, 5V), pesawat darat, dan sinyal kecepatan rendah (≤1GHz) seperti jalur kontrol.

Contoh 4-Layer Stack-Up:

1. Lapisan atas: Rogers (sinyal RF, 28GHz)
2. Lapisan dalam 1: TG170 (permukaan tanah)
3. Lapisan dalam 2: TG170 (pesawat tenaga)
4. Lapisan bawah: Rogers (pasangan diferensial, 10Gbps)

2. Pengendalian impedansi
Rogers layer: Menghitung dimensi jejak (lebar, jarak) untuk mencapai impedansi target (misalnya, 50Ω) menggunakan alat seperti Polar Si8000.Lebar jejak 15 mm.
TG170 lapisan: Untuk sinyal kecepatan rendah, toleransi impedansi dapat rileks ke ± 10% (vs. ± 5% untuk lapisan Rogers), menyederhanakan desain.

3. Keseimbangan Termal dan Mekanis
Pencocokan CTE: Rogers (sumbu Z CTE = 30 ppm / ° C) dan TG170 (50 ∼ 60 ppm / ° C) memiliki tingkat ekspansi termal yang berbeda.
Menggunakan lapisan Rogers tipis (0,2 ∼0,3 mm) untuk mengurangi tekanan ekspansi.
Menambahkan lapisan "buffer" (misalnya, TG170 dengan kain kaca) di antara mereka.
Berat tembaga: Gunakan 2 oz tembaga dalam lapisan daya TG170 untuk penanganan arus, dan 1 oz dalam lapisan sinyal Rogers untuk meminimalkan kerugian.

4. Kompatibilitas materi
Pemilihan prepreg: Gunakan prepreg berbasis epoksi (misalnya, Isola FR408) yang mengikat baik dengan Rogers dan TG170.
Pengolahan permukaan: Rogers membutuhkan pembersihan plasma sebelum laminasi untuk meningkatkan adhesi terhadap lapisan TG170.

Tantangan dan Solusi Manufaktur
PCB hibrida memiliki hambatan manufaktur yang unik karena perbedaan bahan, tetapi ini dapat dikelola dengan proses yang terkendali:
1. Laminasi Bonding
Tantangan: Rogers dan TG170 ikatan buruk dengan prepreg standar, menyebabkan delaminasi.
Solusi: Gunakan prepreg epoksi yang dimodifikasi (misalnya, Rogers 4450F) yang dirancang untuk laminasi campuran.

2. Ketidaksesuaian Ekspansi Termal
Tantangan: Ekspansi diferensial selama aliran balik dapat menyebabkan penyimpangan atau pemisahan lapisan.
Solusi:
Batasi ketebalan lapisan Rogers hingga ≤ 30% dari total ketebalan PCB.
Gunakan tumpukan simetris (mencerminkan lapisan Rogers dan TG170) untuk menyeimbangkan stres.

3Pengeboran dan Plating
Tantangan: Rogers lebih lunak dari TG170, menyebabkan lubang pengeboran dan plating yang tidak merata.
Solusi:
Gunakan bor berlapis berlian untuk lapisan Rogers, dengan tingkat pakan yang berkurang (50% dari standar) untuk menghindari sobekan.
Via pelat dalam dua langkah: pertama tembakan tembaga (10μm) untuk menyegel Rogers, kemudian plating penuh (25μm) untuk konduktivitas.

4. Kontrol Kualitas
Pemeriksaan: Gunakan pengujian ultrasonik untuk mendeteksi delaminasi antara lapisan Rogers dan TG170.
Pengujian: Lakukan siklus termal (-40 °C sampai 125 °C selama 1.000 siklus) untuk memvalidasi stabilitas mekanik.

Aplikasi PCB Hibrida
PCB hibrida menonjol dalam aplikasi yang membutuhkan kinerja frekuensi tinggi dan efisiensi biaya:
1. Stasiun Basis 5G
Kebutuhan: 28GHz sinyal mmWave (kerugian rendah) + distribusi daya (efisiensi biaya).
Desain: lapisan Rogers untuk RF frontend; TG170 untuk DC power dan kontrol sirkuit.
Hasilnya: 30% pengurangan biaya dibandingkan dengan semua desain Rogers dengan integritas sinyal 95%.

2. Radar otomotif
Kebutuhan: sinyal radar 77GHz (stabil Dk) + ketahanan (tinggi Tg).
Desain: Rogers untuk jejak transceiver radar; TG170 untuk manajemen daya dan bus CAN.
Hasilnya: Memenuhi standar keandalan ISO 26262 sambil mengurangi biaya bahan sebesar 25%.

3. Sensor industri
Kebutuhan: sinyal IoT 6GHz + ketahanan terhadap suhu pabrik.
Desain: Rogers untuk komunikasi nirkabel; TG170 untuk kekuatan sensor dan pemrosesan.
Hasilnya: bertahan di lingkungan pabrik 85 °C dengan kehilangan sinyal <1%.

PCB Hibrid vs. PCB Bahan Murni: Perbandingan Kinerja-Biaya

Pertanyaan Umum
T: Bisakah PCB hibrida menangani frekuensi 60GHz+?
A: Ya, tetapi cadangan lapisan Rogers untuk jalur 60GHz (misalnya, Rogers RT / Duroid 5880 dengan Dk = 2.2) dan menggunakan TG170 untuk lapisan pendukung.4dB di semua-Rogers.

T: Bagaimana saya memastikan adhesi antara Rogers dan TG170?
A: Gunakan prepreg yang kompatibel (misalnya, Rogers 4450F), permukaan Rogers yang dirawat plasma, dan kontrol tekanan laminasi (300~400 psi) dan suhu (180°C).

T: Apakah PCB hibrida lebih kompleks untuk dirancang?
A: Mereka membutuhkan perencanaan tumpukan yang cermat, tetapi alat modern (Altium, Cadence) menyederhanakan perhitungan impedansi dan penugasan lapisan.

T: Berapa jumlah maksimum lapisan dalam PCB hibrida?
A: 20+ lapisan dimungkinkan dengan simetri tumpukan yang tepat.

T: Apakah PCB hibrida memerlukan pengujian khusus?
A: Ya, tambahkan inspeksi ultrasonik untuk delaminasi dan TDR (Time Domain Reflectometry) untuk memverifikasi impedansi dalam lapisan Rogers.

Kesimpulan
PCB hibrida yang menggabungkan bahan Rogers dan TG170 merupakan kompromi yang cerdas, memberikan kinerja frekuensi tinggi di mana itu penting sambil memanfaatkan TG170 yang hemat biaya untuk lapisan non-kritis.Dengan secara strategis menugaskan bahan-bahan untuk kekuatan mereka, TG170 untuk kekuatan mekanik dan biaya √ insinyur dapat membangun PCB yang memenuhi tuntutan 5G, radar, dan elektronik industri tanpa pengeluaran berlebihan.

Keberhasilan tergantung pada desain tumpukan yang cermat, kompatibilitas bahan, dan proses manufaktur yang terkontrol.keandalan, dan biaya dalam sistem elektronik yang paling menuntut saat ini.

Karena aplikasi frekuensi tinggi terus berkembang, laminasi hibrida akan tetap menjadi strategi kunci bagi insinyur yang ingin berinovasi tanpa melanggar anggaran.