מאת: ויטאלי בנסמן, מהנדס תהליכים בכיר חברת אלטק וד"ר שגיא בטלר, CTO חברת אלטק
בבחירת חומרים לייצור מעגלים מודפסים המותאמים לעבודה בתדרים גבוהים שמעל 1GHz, יש חשיבות למספר מאפיינים:
- Dk Dielectric Constant – מקדם דיאלקטרי של השרף. פרמטר זה חייב להיות נמוך ויציב בטווח רחב של תדרים גבוהים. ערכי Dk גבוהים עלולים להאט את מהירות העברת האות
- Df Dissipation Factor – פרמטר האחראי על איכות האות. ערך Df צריך להיות נמוך. ככל שערך זה יהיה נמוך יותר כך האות יהיה יציב יותר וההפסדים מופחתים.
- ספיגת לחות – פרמטר נוסף החשוב מאוד בבחירה חומרים לתדרים הגבוהים. נתון זה חשוב כיוון שה Dk של מים הוא Dk;water=80.4, ערך גבוה מאוד עד כדי כך שספיגת כמויות קטנות ביותר של לחות יגרמו לעליה משמעותי ב Dk הכולל של החומר.
- CTE (Coefficient Thermal Expansion)- פרמטר התפשטות ממדית תרמית של החומר הדיאלקטרי. פרמטר זה חייב להיות קרוב ל- CTE של המתכת המוליכה, במקרה של מעגלים מודפסים זו נחושת. עבודה בתדרים גבוהים גורמת לחימום מוגבר של המעגל המודפס ולכן אם תהיה אי-התאמה משמעותית בין CTE של החומר דיאלקטרי ושל הנחושת, תיתכן הפרדה (delamination) במבנה בהפעלת מחזורי חימום/קירור.
- מאפיינים חשובים נוספים כגון: עמידות תרמית, עמידות כימית, וחוזק ההדבקה בין נחושת לחומר הדיאלקטרי.
תופעת "אפקט המעטפת"
באופן מסורתי, מעגלי תדר גבוה מתוכננים או מיוצרים עם חומרים על בסיס Polyfluortetraethylene (PTFE) הידוע יותר בשמו המסחרי Teflon. למעשה, יש כיום מגוון רחב מאוד של חומרים שונים מבוססי שרף glass epoxy היכולים להתאים לייצור מעגלים מודפסים לתחומים שונים של עבודה בתדר גבוה. אחת מהשיטות הנפוצות לשיפור ביצועים של חומרים שאינם מבוססי טפלון (ולמעשה גם בטפלון) בתדר גבוה היא בחירה בסוג נחושת מתאים, הכוונה לפרופיל החספוס.
בעבודה בתדרים גבוהים אחת התופעות המשפיעות והחשובות ביותר לאיכות העברת האות הינה אפקט מעטפת (Skin Effect): עם הגדלת התדר, השדה אלקטרומגנטי הנוצר כתוצאה מהולכת האלקטרונים במתכת המוליכה משפיע על תנועת הזרם החשמלי במוליך ו"דוחף" אותו קרוב למעטפת החיצונית. תופעת Skin Effect מעצימה את ההתנגדות (Impedance) וגורמת לאיבודי הולכה מוגברים ולהאטת המעבר של האות. בנוסף, עם הגדלת התדר גם קטן עובי המעטפת (Skin Depth).
על-מנת לצמצם את תופעת ה-Skin Effect בייצור למינה (Copper Clad Laminate – CCL) בתדרים גבוהים, משתמשים בנחושת עם Low Profile Copper בצד הסמוך לשרף הדיאלקטרי (Bonding Side). שלושת סוגי הנחושת העיקריים שבהם נעשה שימוש בייצור CCL הם: Low Profile, Very Low Profile ו-Standard. לשיפור הביצועים עדיף להשתמש בנחושת Low Profile עם גודל שיניים (חספוס) של פחות מ-5 מיקרון. במהלך השימוש ברדיד נחושת מסוג זה בשילוב עם חומר טפלון אשר ידוע כבעל חוזק הדבקה נמוך, יש לקחת בחשבון שיש סיכוי גבוה להיפרדות בין הנחושת לבין הטפלון בתהליכי ייצור שונים ועקב הלם תרמי גבוה. בנקודה הזו יש יתרון לשימוש בחומרים תרמוסטיים דוגמת glass epoxy, שהם בעלי חוזק הדבקה גבוה.
יתרונות וחסרונות הטפלון
בנוסף לאופיין החספוס של הנחושת, קיים פרמטר נוסף התורם ליציבות העברת האות במעגל מודפס: הבסיס הדיאלקטרי של CCL מציג מבנה לא הומוגני ואנ-איזוטרופי מבחינת ערכי Dk. ככלל, ערכי ה Dk עבור שרף ועבור סיב זכוכית אינם זהים Dk resin < Dk glass fibers. מוליכים שיעברו מעל צרור סיבים ומוליכים שיעברו מעל אזור הרווי בשרף, יציגו Dk שונה. הפתרון המוצע לתופעה זו הינו שימוש באריג זכוכית הומוגני, דוגמת 2116 או 3113 במקום 1080 או 106, או שימוש בסיבי זכוכית פחוסים (Spread Glass) המאפשרים לייצר מבנה חומר דיאלקטרי הומוגני יותר.
מטבע הדברים, שרף הטפלון תופס מקום נכבד במגוון רחב מאוד של חומרי גלם לייצור מעגלים מודפסים. לחברות המייצרות CCL על בסיס טפלון יש מגוון פתרונות לשיפור הביצועים האלקטרוניים של חומרים, כמו למשל שיפור היציבות המימדית באמצעות שימוש באריגים של סיבי זכוכית או חומרי הקשחה אחרים, או שימוש במלאנים קרמיים לשליטה בערכי Dk או Df. יתרון נוסף לשימוש בטפלון נעוץ בעובדה שהטפלון מאופיין בספיגת לחות נמוכה מאוד ועמידות גבוהה בסביבה אגרסיבית.
מנגד, לטפלון יש גם חסרונות משמעותיים בתהליכי היצור של מעגלים מודפסים: עלות גבוהה, חוזק הדבקה לנחושת נמוך, קושי משמעותי בהכנת פני שטח לציפוי נחושת בקדחים ו/או לכבישה (Lamination) עם החומרים האחרים. ברוב המקרים, שימוש ב-CCL על בסיס טפלון דורש מיצרן המעגלים המודפסים לבצע הרבה מאוד תהליכים יקרים, מסובכים ואגרסיביים, אשר מייקרים את עלות המוצר הסופי וגם משפיעים תנובת הייצור.
בתדרי עבודה של יותר מ-10GHz יש מעט מאוד מתחרים לחומרי גלם מבוססי טפלון, יחד עם זאת בטווח התדרים 1GHz-5GHz, יש מגוון רחב של חומרים חלופיים על בסיס חומרים כמו Polyphenylene Oxide – PPO, Polyphenylene Ether – PPE ותערובות נוספות של פולימרים שונים.
ספקים מרכזיים של חומרי ייצור
בין החברות המייצרות CCL לתחום תדרים גבוהים עבור למינות על בסיס טפלון: Rogers עם סדרת חומרים RO3000, RT/Duroid, AD and CuClad Series וכמה סוגים הנוספים, חברת AGC (Taconic) עם סדרת החומרים RF, TLC, TLY וחומרים אחרים וחברת Ventec עם סדרת חומרים Tec-Speed 30.0 (חומר חדש יחסית). בין החברות המייצרות CCL לתחום תדרים גבוהים עבור למינות שאינן מבוססות טפלון: ניתן לציין את חברת Isola עם חומרים מסוג I-Tera MT40, Astra MT77, Tachyon 100G ואת חברת Ventec עם סדרת החומרים Tec-Speed.
לייצור מעגלים גמישים/קשיחים לשימוש בתדר גבוה, משתמשים בחומרים גמישים מיוחדים. למעשה, מבחר החומרים בתחום של חומרים גמישים לתדר גבוה, הוא צנוע בהשוואה לחומרים קשיחים. כיום, רק שתי חברות מספקות חומר גמיש לשימוש בתדר גבוה: DuPont עם חומר Pyralux TK וחברת Thinflex עם חומר Thinflex LK. החומר Pyralux TK הינו חומר Adhesive המשתמש בדבק על בסיס טפלון להדבקה בין הבסיס הגמיש, פוליאימיד (Kapton) ונחושת. כתוצאה משימוש בדבק על בסיס טפלון, חומר גמיש זה מאופיין ביתרונות וחסרונות הדומים לחומרים קשיחים על בסיס טפלון. החומר Thinflex LK הינו חומר Adhesive Less הבנוי משכבת בסיס פוליאימיד ורדיד נחושת משני הצדדים. תהליכי ייצור מעגלים מודפסים עם שכבת Thinflex LK זהים לתהליך ייצור עם חומרים גמישים סטנדרטיים.
סיכום
החומרים המתאימים ביותר לתהליכי ייצור קונבנציונליים וסטנדרטיים, הינם חומרים תרמוסטיים על בסיס glass epoxy וחומרים שאינם טפלון המותאמים לשימוש בתחום תדר גבוה. בניגוד לחומרים המבוססים על טפלון, מחומרים תרמוסטיים ניתן לבנות מגוון רחב של מעגלים קשיחים, גמישים-קשיחים ומעגלי High Density Interconnects – HDI.
לא ניתן להתעלם מהעובדה כי החומרים היעילים ביותר לביצועים בתדרים גבוהים ומתאימים לטווח רחב מאוד של תדרים הינם חומרים מבוססי טפלון, אולם אלו מציבים קשיים רבים בייצור מעגלים מודפסים, עלות מוצר מסוג זה גבוהה מאוד וזמן הייצור ארוך משמעותית ביחס לחומרים האחרים.
חברה אלטק מייצרת מגוון רחב מעגלים קשיחים, גמישים-קשיחים והיברידים לתחום תדר גבוה בשימוש חומרים רבים מתוצרת Rogers, AGC, Isola, Ventec ואחרים וכלל תהליכי הייצור מותאמים להתמודד עם כל אתגר.
מקורות:
- What is High Frequency (HF) PCB, RayMing Technology
- PCB Material Selection for High-Speed Digital Designs, Isola
- Understanding Glass Fabric, Isola
