Hybride PCB's: Rogers-materiaal combineren met TG170 voor optimale prestaties

Klant-geantroiseerd beeldmateriaal

Hybride PCB's die gebruikmaken van gemengde lamina­tie van hoogwaardige Rogers­materialen en de kosteneffectieve TG170 FR4 zijn uitgegroeid tot een game changer voor hoogfrequente­elektronica.Door de signaalintegriteit van Rogers te combineren met de mechanische sterkte en betaalbaarheid van de TG170Het is ideaal voor 5G-basisstations, radars en industriële sensoren, hybride ontwerpen oplossen een kritieke uitdaging:hoe high-frequency prestaties te bereiken zonder te veel uit te geven aan materialen.

Deze gids onderzoekt de wetenschap achter het combineren van Rogers en TG170, het ontwerpen van beste praktijken voor hybride stack-ups,en hoe de productiehindernissen te overwinnen ingenieurs uit te rusten om PCB's te bouwen die uitblinken in zowel hogesnelheidssignaaloverdracht als betrouwbaarheid in de echte wereld.

Belangrijkste lessen
1.Hybride PCB's die Rogers en TG170 koppelen, verlagen de materiaalkosten met 30~40% in vergelijking met volledige Rogers-ontwerpen, terwijl ze 90% van de hoogfrequente prestaties behouden.
2.Rogersmaterialen (bv. RO4350) zijn uitstekend in toepassingen met hoge frequentie (28GHz+) met een laag dielectriciteitsverlies (Df = 0,0037) en een stabiele dielectriciteitsconstante (Dk = 3,48),terwijl TG170 mechanische sterkte biedt (Tg = 170°C) en kostenbesparingen voor niet-kritieke lagen.
3.Een goed stack-up-ontwerp – waarbij Rogers in de signaalkritische lagen en TG170 in de power/ground lagen wordt geplaatst – maximaliseert de prestaties en minimaliseert de kosten.
4.Manufactureringsproblemen zoals thermische uitbreiding mismatch en laminatie binding kunnen worden opgelost met materiaal selectie (matched CTE) en gecontroleerde processen (precisie laminatie).

Waarom combineren Rogers en TG170?
Rogers en TG170 brengen elk unieke sterke punten bij aan hybride PCB's, waarbij de beperkingen van het gebruik van elk materiaal alleen worden aangepakt:

a.Rogers-materialen (bv. RO4000-serie) zijn ontworpen voor hoogfrequente prestaties, maar zijn duurder (35x de kosten van FR4).Ze schijnen in signaal-kritische lagen waar laag verlies en stabiele Dk niet verhandelbaar zijn..
b.TG170 FR4 is een kosteneffectief laminaat met een hoge Tg-waarde (Tg = 170°C) met sterke mechanische eigenschappen, ideaal voor energieverdeling, grondvlakken,en niet-kritieke signaallagen waar de hoogfrequente prestaties minder belangrijk zijn.

Door ze te combineren, leveren hybride PCB's Rogers' elektrische prestaties waar het het belangrijkst is en TG170's betaalbaarheid elders op, waardoor een "best of both worlds"-oplossing ontstaat.

Eigenschappen van Rogers en TG170: een vergelijking
Het begrijpen van de kern eigenschappen van elk materiaal is de sleutel tot het ontwerpen van effectieve hybride PCB's:

Belangrijkste sterke punten van Rogers materiaal
a.Laag dielectrisch verlies: Df = 0,0037 vermindert de signaaladmentuering in 5G mmWave (28 ¢ 60 GHz) en radar (77 GHz) systemen.
b.Stabiel Dk: behoudt een consistent elektrisch vermogen over temperatuur (-40 °C tot 85 °C) en frequentie, cruciaal voor impedantieregeling.
c. Vochtbestendigheid: absorbeert <0,1% vocht, waardoor betrouwbaarheid in vochtige omgevingen wordt gewaarborgd (bijv. kleine 5G-cellen in de buitenruimte).

Belangrijkste sterke punten van TG170
a.Hoge Tg: bestand tegen terugstroomtemperaturen (260°C) en langdurige werking bij 130°C, geschikt voor industriële en automobieltoepassingen.
b.Mechanische stijfheid: Ondersteunt meerlaags ontwerpen (12+ lagen) zonder vervorming, ideaal voor complexe PCB's met energie- en signaallagen.
c.Cost-efficiëntie: 1/5 van de kosten van Rogers, waardoor de totale PCB-uitgaven worden verminderd wanneer deze in niet-kritieke lagen worden gebruikt.

Voordelen van hybride PCB's met Rogers en TG170
Hybride ontwerpen ontgrendelen voordelen die geen van beide materialen alleen biedt:
1. Evenwichtige prestaties en kosten
Voorbeeld: een 12 lagen 5G-PCB met Rogers voor 2 signaallagen (RF-paden) en TG170 voor 10 power/ground-lagen kost 35% minder dan een volledig Rogers-ontwerp met behoud van 92% van de signaalintegriteit.
Gebruiksgeval: Telecom-apparatuurfabrikanten rapporteren jaarlijkse besparingen van $ 1,2 miljoen door over te schakelen op hybride ontwerpen in 5G-basisstations.

2Verbeterd thermisch beheer
Rogers' hogere thermische geleidbaarheid (0,6 W/m·K) dissipeert warmte van RF-versterkers met een hoog vermogen, terwijl de stijfheid van TG170's structurele ondersteuning biedt voor hittezuigers.
Resultaat: een hybride PCB in een radarmodule werkt 15°C koeler dan een volledig TG170 ontwerp, waardoor de levensduur van het onderdeel met 2x wordt verlengd.

3Verscheidenheid van toepassingen
Hybride PCB's passen zich aan aan verschillende behoeften: Rogers verwerkt hoogfrequente signalen, terwijl TG170 de energieverdeling en mechanische spanning beheert.
Toepassingen: 5G basisstations, transceivers, automotive radar, industriële IoT-sensoren en satellietcommunicatiesystemen.

Ontwerpen van hybride PCB-stack-ups: beste praktijken
De sleutel tot het succes van hybride PCB's ligt in de strategische laagplaatsing van materialen die overeenkomen met hun beoogde functie.
1. Strategie voor het toewijzen van lagen
Rogers-lagen: reservatie voor signaalpaden met hoge frequentie (bijv. 28 GHz-RF-sporen) en kritieke impedancegestuurde routes (50Ω eenkant, 100Ω differentiaalparen).
TG170-lagen: worden gebruikt voor krachtvlakken (3,3 V, 5 V), grondvlakken en signaal met lage snelheid (≤1 GHz), zoals besturingslijnen.

Voorbeeld 4-laag stack-up:

1Bovenlaag: Rogers (RF-signaal, 28 GHz)
2.Binnenste laag 1: TG170 (grondvlak)
3.Binnenlaag 2: TG170 (krachtvlak)
4Onderste laag: Rogers (differentiële paren, 10 Gbps)

2Impedantiebeheer
Rogers-lagen: Bereken de tracedimensies (breedte, afstand) om de doelimpedantie (bijv. 50Ω) te bereiken met behulp van hulpmiddelen zoals Polar Si8000.15 mm spoorbreedte.
TG170-lagen: voor lage snelheidssignalen kan de impedantietolerantie tot ±10% (vs. ±5% voor Rogers-lagen) worden verlaagd, waardoor het ontwerp wordt vereenvoudigd.

3. Thermische en mechanische balans
CTE-matching: Rogers (Z-as CTE = 30 ppm/°C) en TG170 (50~60 ppm/°C) hebben verschillende thermische uitbreidingspercentages.
Het gebruik van dunne Rogerslagen (0,2 ∼0,3 mm) om de uitbreidingsstress te verminderen.
Het toevoegen van "buffer" lagen (bijv. TG170 met glasstof) tussen hen.
Koperen gewicht: Gebruik 2 oz koperen in TG170 power lagen voor stroombeheer, en 1 oz in Rogers signaal lagen om verlies te minimaliseren.

4Materiële verenigbaarheid
Prepreg selectie: Gebruik epoxy-gebaseerde prepregs (bijv. Isola FR408) die goed binden aan zowel Rogers als TG170.
Oppervlaktebehandeling: Rogers vereist plasmaring vóór laminatie om de hechting aan TG170-lagen te verbeteren.

Uitdagingen en oplossingen voor de productie
Hybride PCB's hebben unieke productiebelemmeringen als gevolg van materiaalverschillen, maar deze zijn beheersbaar met gecontroleerde processen:
1Laminatie-binding
Uitdaging: Rogers en TG170 binden slecht met standaardprepregs, wat leidt tot delaminatie.
Oplossing: Gebruik gemodificeerde epoxypreprepregs (bijv. Rogers 4450F) die zijn ontworpen voor gemengde laminatie.

2. Thermische expansie mismatch
Uitdaging: Differentiële uitbreiding tijdens de terugstroom kan leiden tot vervorming of scheiding van lagen.
Oplossing
Beperk de Rogers-laagdikte tot ≤ 30% van de totale PCB-dikte.
Gebruik een symmetrische stapel (die Rogers- en TG170-lagen weerspiegelt) om de spanning in evenwicht te brengen.

3. Boorwerk en plating
Uitdaging: Rogers is zachter dan TG170, wat leidt tot onevenwichtige boor- en bekledingsholtes.
Oplossing
Gebruik voor Rogers-lagen diamanten gecoate boorstenen met een verminderde voersnelheid (50% van de standaard) om scheuren te voorkomen.
Plaatvia's in twee stappen: eerst koperen slag (10 μm) om Rogers te verzegelen, vervolgens volledig bekleden (25 μm) voor geleidbaarheid.

4. Kwaliteitscontrole
Inspectie: gebruik ultrasone testen om delaminatie tussen Rogers- en TG170-lagen te detecteren.
Test: thermische cyclus (-40 °C tot 125 °C gedurende 1000 cycli) om de mechanische stabiliteit te valideren.

Toepassingen van hybride PCB's
Hybride PCB's schijnen uit in toepassingen die zowel hoge-frequente prestaties als kostenefficiëntie vereisen:
1. 5G-basisstations
Behoefte: 28 GHz mmWave-signalen (laag verlies) + vermogensafdeling (kosten-efficiëntie).
Ontwerp: Rogers-lagen voor RF-frontends; TG170 voor gelijkstroom- en besturingscircuits.
Resultaat: 30% kostenreductie vergeleken met alle Rogers ontwerpen met 95% signaalintegratie.

2Automobiele radar.
Behoefte: 77 GHz radarsignalen (stabiele Dk) + robuustheid (hoge Tg).
Ontwerp: Rogers voor radartransceiverspuren; TG170 voor stroombeheer en CAN-bus.
Resultaat: Voldoet aan de betrouwbaarheidstandaarden van ISO 26262 en bespaart de materialkosten met 25%.

3. Industriële sensoren
Behoefte: 6GHz IoT-signalen + weerstand tegen fabriekstemperaturen.
Ontwerp: Rogers voor draadloze communicatie; TG170 voor sensorvermogen en verwerking.
Resultaat: Overleeft 85 °C fabrieksomgevingen met < 1% signaalverlies.

Hybride versus zuivere PCB's: een prestatie-kostenvergelijking

Vaak gestelde vragen
V: Kunnen hybride PCB's 60GHz+ frequenties verwerken?
A: Ja, maar reserveer Rogers-lagen voor 60GHz-paden (bijvoorbeeld Rogers RT/duroid 5880 met Dk=2.2) en gebruik TG170 voor ondersteunende lagen.4dB in alle-Rogers.

V: Hoe zorg ik voor hechting tussen Rogers en TG170?
A: Gebruik compatibele prepregs (bijv. Rogers 4450F), met plasma behandelde Rogers-oppervlakken en controleer de lamineerdruk (300~400 psi) en temperatuur (180°C).

V: Zijn hybride PCB's complexer te ontwerpen?
A: Ze vereisen een zorgvuldige stapelplanning, maar moderne tools (Altium, Cadence) vereenvoudigen impedantiebetalingen en laagtoewijzing.

V: Wat is het maximale aantal lagen in een hybride PCB?
A: 20+ lagen zijn mogelijk met de juiste stapel-up symmetrie. Telecom 5G PCB's gebruiken vaak 16-laag hybride ontwerpen (4 Rogers, 12 TG170).

V: Hebben hybride PCB's speciale tests nodig?
A: Ja  Voeg ultrasone inspectie voor delaminatie en TDR (Time Domain Reflectometry) toe om de impedantie in Rogers-lagen te verifiëren.

Conclusies
Hybride PCB's die Rogers- en TG170-materialen combineren, vormen een slim compromis, waarbij hoogfrequente prestaties worden geleverd waar dat belangrijk is, terwijl kosteneffectieve TG170 wordt gebruikt voor niet-kritieke lagen.Door strategische toewijzing van materialen aan hun sterke punten, TG170 voor mechanische sterkte en kosten. Ingenieurs kunnen PCB's bouwen die voldoen aan de eisen van 5G, radar en industriële elektronica zonder te veel uit te geven.

Het succes hangt af van een zorgvuldig opstapelingsontwerp, materiaalcompatibiliteit en gecontroleerde productieprocessen.betrouwbaarheid, en kosten in de meest veeleisende elektronische systemen van vandaag.

Naarmate de toepassingen voor hoge frequentie blijven groeien, blijft hybride lamina­tie een belangrijke strategie voor ingenieurs die willen innoveren zonder het budget te verliezen.