高速互連要求推動更便宜的 PCB 材料

在閱讀和研究文章和互聯(lián)網(wǎng)上的大量觀點時，很容易假設(shè)知情人士一致認(rèn)為，使用傳統(tǒng)低成本 PCB 材料進(jìn)行下一代高速設(shè)計的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了走了。還有一種觀點認(rèn)為，現(xiàn)代技術(shù)(如 PCIe 5.0 及更高版本)的要求已將電路板設(shè)計和制造的界限推向了邊緣。

然而，仔細(xì)研究所涉及的材料和方法，提供了新的希望，盡管我們確實在沖刺越來越接近邊緣，但我們可以做出一些關(guān)鍵的調(diào)整，這可能會讓我們停止跨越它，在至少現(xiàn)在。

下一代 PCB 材料的成本

雖然使用下一代材料確實可以更容易地將新技術(shù)融入設(shè)計中，但這種能力和性能的提高是以實際成本為代價的：使用特殊材料制造 PCB 的成本要高得多。取決于設(shè)計細(xì)節(jié)，增加可能在 100% (2 倍) 甚至更多。

一些公司更愿意實現(xiàn)這一巨大飛躍，因為他們的系統(tǒng)和設(shè)計可以適應(yīng)特殊材料的使用并吸收與使用相關(guān)的額外成本。然而，還有許多其他人受到更嚴(yán)格的設(shè)計和預(yù)算限制，這將使過渡更加困難。

出于這個原因，英特爾工程師一直在努力研究所涉及的各種因素，并提供多種方法，使設(shè)計人員能夠使用成本更低的當(dāng)前 PCB 材料和工藝將下一代技術(shù)構(gòu)建到他們的設(shè)計中。

成本不是唯一的考慮因素

將下一代技術(shù)融入您的設(shè)計時，制造成本的一些增加是不可避免的。不過，我們的研究已經(jīng)確定，可以通過多種變量將增長率控制在 30% 以內(nèi)。

以下是從我們進(jìn)行的研究中收集到的一些更容易應(yīng)用的見解。但是，當(dāng)您閱讀時，重要的是要記住，這種方法不是萬能的——在每個層面都需要權(quán)衡取舍，雖然總體成本很重要，但這只是必須考慮的因素之一經(jīng)過考慮的。

設(shè)計變量

在制造 PCB 時，必須考慮許多變量。然而，我們的努力已經(jīng)確定，最大的好處來自于特別關(guān)注其中四個設(shè)計變量：介電材料、銅的表面粗糙度、氧化工藝和疊層的優(yōu)化。對于每個設(shè)計變量，我們還列出了行業(yè)可以投入的選項，并提供具有成本效益的解決方案。

1.介電材料

傳統(tǒng)的 FR4 介電材料使用環(huán)氧基樹脂和 E-glass 增強系統(tǒng)來降低成本。特殊介電材料通常需要使用更昂貴的 PPE/PPO 基樹脂系統(tǒng)和/或低 D k玻璃以獲得更好的性能，從而增加整體制造成本。

選項：已開發(fā)出更新的生產(chǎn)方法，將環(huán)氧樹脂與 PPE/PPO 基樹脂相結(jié)合，從而使成品板具有可滿足性能要求但制造成本較低的性能特征。

2.銅的表面粗糙度

在理想情況下，高速信號將通過沒有表面粗糙度的銅制成的路徑。不幸的是，在現(xiàn)實世界中，使用“光滑”銅是不可能的，因為其他材料很難粘附到它上面，PCB 會分層和分崩離析。因此，PCB 制造中使用的所有銅都具有一定程度的粗糙度。對于具有更高電氣性能和更低損耗要求的電路板，制造商使用具有更低(更光滑)輪廓的銅。缺點是這些材料更昂貴。

選項：使用通常稱為 RTF2 的新型銅箔在市場上越來越受歡迎。RTF2 是一種具有不均勻粗糙度輪廓的銅箔，其性能接近超極薄型 (HVLP) 銅箔，但可以以較低的成本制造。下一代 RTF2 銅箔也在研究中，以實現(xiàn)類似 HVLP 的性能，同時將成本增加降至最低。

3.氧化工藝

在 PCB 制造中，通常需要表面氧化工藝來促進(jìn)核心層和預(yù)浸料層之間的粘合，以實現(xiàn)最佳粘合。在此過程中必須達(dá)到精確的平衡，因為雖然增加銅箔的表面粗糙度將有助于提高附著力，但它會對銅輪廓產(chǎn)生重大負(fù)面影響，從而影響信號完整性。不精確或不必要的激進(jìn)氧化工藝可以抵消通過在鍵合前過度粗糙化銅箔而獲得的改進(jìn)。

選項：行業(yè)正在開發(fā)和采用低蝕刻氧化化學(xué)和粘合促進(jìn)劑——它們可以降低銅表面粗糙化的要求，同時保持 PCB 所需的粘合強度。較少的表面氧化也減少了對信號完整性的潛在負(fù)面影響，使這種方法成為雙贏的。

4.疊層優(yōu)化

在某些方面，正確確定 PCB 疊層是性能優(yōu)化和成本最小化過程中唾手可得的成果，因為厚度很重要。

選項：仔細(xì)查看更常見的核心/預(yù)浸料層厚度選項的信號損耗特性時，很明顯，只需花時間確定正確的疊層，即可將損耗降至最低。在英特爾工程師進(jìn)行的一項測試中，發(fā)現(xiàn)在測量信號損耗時，5/6 疊層(5 mil 核心厚度和 6 mil 預(yù)浸材料厚度)比使用相同基板和 3/9 疊層的性能高出 15% 以上。銅型材。

當(dāng)然，這種方法不是灌籃，因為疊層的變化會對布線密度和噪聲耦合產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，它確實強調(diào)了仔細(xì)選擇疊層及其信號完整性影響是性能和成本優(yōu)化過程中的關(guān)鍵步驟。

與學(xué)術(shù)界合作

如上所述，英特爾已開展這項研究工作，為那些可能難以甚至不可能將下一代材料構(gòu)建到他們的系統(tǒng)和設(shè)計中的公司提供替代方案。但即使以英特爾擁有的大量資源，研發(fā)方面也存在著我們根本無法獨自填補的空白。

因此，學(xué)術(shù)界必須在各個層面參與這些努力。行業(yè)專家和院士在這一領(lǐng)域取得了一些進(jìn)步，他們的共同目標(biāo)是識別、研究和解決困擾 PCB 制造的問題。這種協(xié)作方法是確保我們的行業(yè)在未來多年繼續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展的關(guān)鍵，就像今天一樣。