עם הפיכתה של הלחמה ללא עופרת לסטנדרט עולמי, חומרים מסורתיים מסוג FR-4 ניצבים בפני אתגרי חום ואמינות חדשים. כדי לעמוד בטמפרטורות ריפלואו גבוהות יותר, יצרני למינציות ל־PCB עברו ברובם ממערכות הקשיה מבוססות דיציאנדי־אמיד (DICY) אל מקשחים פנוליים או חלופיים. חומרי FR-4 ללא עופרת החדשים אינם משנים רק את ההתנהגות התרמית, אלא גם את התכונות הדיאלקטריות—בייחוד בתדרים גבוהים.
פוסט טכני זה מעמיק בהשפעת מערכות ההקשיה על הביצועים החשמליים של FR-4 ללא עופרת, משווה בין למינציות מוקשות DICY, מוקשות פנוליים ומודיפיקציות לא-DICY/לא-פנוליות, ובוחן את תפקודן ביישומים מהירים וב־RF.
המעבר במערכות ההקשיה ל-FR-4 ללא עופרת
- מערכות אפוקסי מוקשות DICY (קלאסי): מספקות מקדם דיאלקטרי (Dk) נמוך וגורם אבדן (Df) נמוך—מעולה לשלמות אות.
- מערכות פנוליות: מעניקות יציבות תרמית טובה יותר ועמידות גבוהה יותר לדלמינציה, אך מציגות אבדן דיאלקטרי גבוה יותר בתדרים גבוהים.
- מערכות מודיפיקציה (לא-DICY / לא-פנוליות): פותחו כדי להשיג Tg גבוה יחד עם ביצועי תדר גבוה מצוינים התואמים הלחמה ללא עופרת.
אף שמערכות פנוליות עומדות בדרישות החום של הלחמה ללא עופרת, הכימיה השונה של השרף נוטה להוביל לערכי Df גבוהים יותר לעומת חומרים מבוססי DICY. בתדרים נמוכים ההבדל זניח; אך כאשר התדר עולה לתחום הגיגה־הרץ, הפערים הללו נעשים מהותיים לשליטה בעכבה ולשלמות האות.
השוואת ביצועים חשמליים
טבלה 6.8 משווה חמש למינציות FR-4:
- A, C: FR-4 מסורתי מוקשה DICY
- B, D: FR-4 פנולי תואם ללא עופרת
- E: FR-4 ללא עופרת במודיפיקציה (לא-DICY/לא-פנולי)
באותן שיטות בדיקה ואותו אחוז שרף מתקבל:
- חומרים פנוליים מציגים Df גבוה יותר מחומרי DICY בתדרים גבוהים.
- חומר E משתווה או עולה בביצועים התרמיים על הפנולי, ובמקביל משיג Dk ו-Df נמוכים יותר, ואף עולה על FR-4 המסורתי המבוסס DICY.
- כלומר, אופטימיזציה של מערכת השרפים יכולה לשלב אמינות תרמית גבוהה עם תכונות דיאלקטריות משופרות ב-FR-4 ללא עופרת.
מאחר שערכי Dk/Df משתנים עם שיטת המדידה, אחוז השרף וסוג האריג הזכוכיתי, המגמה היחסית שבטבלה 6.8 משמעותית יותר מהערכים המוחלטים.
התנהגות Dk ו-Df בתדרים גבוהים
בדיקות בתצורת תהודת חלל מופרדת מראות מגמות ברורות בתדר גבוה:
- חומרים פנוליים תואמי-ללא-עופרת מציגים Dk ו-Df גבוהים יותר מאשר FR-4 בעל Tg גבוה המוקשה DICY מעל מספר גיגה־הרץ.
- מערכות פנוליות מציגות טווח רחב של ערכי Df, המעיד על תלות חזקה יותר בנוסחת השרף.
- חומרים לא-DICY/לא-פנוליים שומרים על Df נמוך ויציב עם ירידה קלה ב-Dk—בחירה אידאלית לתכנון מהיר ו-RF הדורש תאימות להלחמה ללא עופרת.
בשורה התחתונה: ככל שהתדר עולה, אפילו הבדלים קטנים ב-Dk/Df נעשים קריטיים לדיוק העכבה, לאבדן האות ולבקרת EMI.
השפעת תכולת השרף והנוסחה על Dk
טבלה 6.9 מספקת נתוני Dk (2–5 גיגה־הרץ) לחומר FR-4 פנולי יחיד בתכולות שרף ונוסחאות שונות. תובנות:
- תכולת שרף גבוהה יותר מפחיתה בדרך כלל את Dk הכולל, שכן לאפוקסי מקדם דיאלקטרי נמוך משל סיבי הזכוכית.
- נוסחאות שרף שונות יוצרות סטיות מדידות ב-Dk (צפיפות הצלבה ומבנה פולימרי).
- לצורך מודל עכבה מדויק, יש לעבוד עם נתוני Stackup לחוץ בפועל—התפלגות שרף אמיתית וסוג אריג—ולא רק עם מספרי דפי נתונים נומינליים.
התנהגות האבדן הדיאלקטרי (Df) ב-FR-4 פנולי
טבלה 6.10 מציגה ערכי Df (2–5 גיגה־הרץ) לאותן נוסחאות פנוליות:
- Df נוטה לעלות מעט עם התדר.
- שינוי אחוז השרף גורם להסטות ניכרות ב-Df, מה שמדגיש את תפקיד המיקרו-מבנה של השרף באבדני הקיטוב.
- ליישומים כגון DDR5, PCIe Gen5/6 או Wi-Fi בתדר 5 גיגה־הרץ, בחירת למינציה עם Df נמוך ותואמת ללא עופרת קריטית לשימור משרעת האות ולפתיחת תרשים העין.
חומרים לא-DICY/לא-פנוליים ב-10 גיגה־הרץ
הטבלאות 6.11 ו-6.12 מסכמות נתונים לחומרים מודיפיקטיביים לא-DICY/לא-פנוליים ב-10 גיגה־הרץ:
- הלמינציות שומרות על Df נמוך ויציב ועל Dk עקבי גם בתדרים גבוהים מאוד.
- ביחס ל-FR-4 רגיל בעל Tg גבוה, הן מספקות הנחתה נמוכה יותר ושליטה הדוקה יותר בשלב.
- לכן הן מתאימות ל-תחנות בסיס 5G, מכ״ם רכב ולוחות חישוב מהירים—הכול בתהליכי הלחמה ללא עופרת.
עיקרי הדברים והנחיות לתכנון
- מערכת ההקשיה מכתיבה את ההתנהגות החשמלית
- פנולי: חזק תרמית אך עם Df גבוה יותר.
- מערכות לא-DICY/לא-פנוליות מאזנות בין עמידות בחום לביצועים חשמליים ב-FR-4 ללא עופרת.
- בתדר גבוה הפערים מועצמים
- מעל 2 גיגה־הרץ, גם שינויים קטנים ב-Dk/Df משפיעים משמעותית על עכבה ואבדן אות.
- תנאי בדיקה עקביים הם הכרחיים
- השוו חומרים תחת שיטות בדיקה ותכולות שרף זהות. התמקדו במגמות, לא במספרים מוחלטים.
- עבדו בצמוד לספקי החומרים
- בקשו עקומות Dk/Df תלויות תדר עבור Stackup לחוץ בפועל כדי להשיג סימולציית SI אמינה.
סיכום
המעבר אל הלחמה ללא עופרת הגדיר מחדש את הכימיה של למינציות FR-4. חומרים מודרניים של FR-4 ללא עופרת כבר אינם “סטנדרטיים”; הם שונים מאוד במערכת השרפים, ביציבות הדיאלקטרית ובאבדני תדר גבוה.
הכיוון ברור: תעשיית ה-PCB מתקדמת אל FR-4 בעל Tg גבוה ו-Df נמוך המתאים להלחמה ללא עופרת. למינציות מודיפיקטיביות לא-DICY/לא-פנוליות מייצגות את הדור הבא—משלבות את העמידות התרמית הנדרשת לריפלואו ללא עופרת עם הביצוע החשמלי המעולה שדורשים העיצובים הרב-גיגאביטיים של היום.
