В современном мире, управляемом данными, от связи 5G до вычислений с использованием ИИ, требования к производительности высокоскоростных цифровых схем достигли беспрецедентных высот. Для обеспечения долгосрочной надежности электронных компонентов в суровых условиях процессы заливки/герметизации стали незаменимыми. Однако эта, казалось бы, простая защитная мера является сложным обоюдоострым мечом для целостности высокоскоростных сигналов (SI). Она не только изменяет механические и тепловые свойства печатных плат, но и напрямую влияет на электрические характеристики линий передачи, создавая значительные проблемы для соединений 112G/224G и даже более высоких скоростей.

Как эксперты в области материалов и моделирования потерь, мы понимаем, что успешные методы заливки/герметизации выходят далеко за рамки выбора смолы и ее нанесения на печатную плату. Они требуют глубокого понимания материаловедения, теории электромагнитного поля и термодинамики в сочетании с передовыми производственными процессами. Эта статья углубляется в то, как процессы заливки влияют на высокоскоростные сигналы, анализирует ключевые аспекты выбора материалов, теплового менеджмента, механических напряжений и рабочих процессов производства/тестирования, а также объясняет, как преодолеть эти проблемы посредством систематического сотрудничества между проектированием и производством для окончательного достижения высокопроизводительных, высоконадежных продуктов высокоскоростных печатных плат.

Как заливка/герметизация изменяет электрическую среду высокоскоростных сигналов?

Когда высокоскоростные сигналы распространяются по трассам печатных плат, их электромагнитные поля проникают в окружающие диэлектрические материалы. До заливки эта среда в основном состоит из материалов подложки печатной платы (например, FR-4, Rogers) и воздуха (Dk ≈ 1). Однако, как только применяется заливка/герметизация, открытые трассы и поверхности компонентов заменяются заливочными материалами.

Это изменение является фундаментальным. Каждый заливочный материал (например, эпоксидная смола, силикон, полиуретан) имеет свою уникальную диэлектрическую проницаемость (Dk) и тангенс угла диэлектрических потерь (Df). Когда заливочный материал покрывает трассы, он изменяет эффективную диэлектрическую проницаемость (эффективную Dk) линии передачи. Согласно теории линий передачи, характеристическое сопротивление (Z0) обратно пропорционально диэлектрической проницаемости. Таким образом, увеличение эффективной Dk напрямую приводит к уменьшению характеристического сопротивления.

Для прецизионного высокоскоростного канала, разработанного для одностороннего сопротивления 50 Ом или дифференциального сопротивления 100 Ом, некомпенсированная заливка может привести к падению сопротивления на 5-15% или даже больше. Такие разрывы сопротивления могут генерировать отражения сигнала, увеличивать джиттер и сужать глазковые диаграммы, потенциально приводя к сбою связи в тяжелых случаях. В приложениях со строгими требованиями к контролю сопротивления, таких как PCIe Gen5/6 или 224G SerDes, это воздействие может быть катастрофическим. Поэтому изменения электрической среды, вносимые заливкой, должны быть предусмотрены на этапе проектирования с точным моделированием и компенсацией.

Ключевое Влияние Выбора Заливочного Материала на Потери Сигнала

Помимо изменений импеданса, характеристики потерь (Df) заливочных материалов напрямую влияют на затухание (т.е. вносимые потери) высокоскоростных сигналов. Общие вносимые потери в основном состоят из потерь в проводнике (включая скин-эффект) и диэлектрических потерь. Как новый диэлектрик, значение Df заливочного материала увеличивает общие диэлектрические потери канала.

• Стандартные Заливочные Материалы: Многие эпоксидные или полиуретановые материалы общего назначения обладают отличными механическими свойствами, но могут иметь высокие значения Df на ГГц-частотах (например, > 0,02). Когда частоты сигнала достигают десятков ГГц, эти материалы с высокими потерями могут поглощать энергию сигнала как губка, вызывая значительное ослабление амплитуды сигнала и ухудшая отношение сигнал/шум (SNR).
• Материалы для Заливки с Низкими Потерями: Для высокочастотных применений промышленность разработала специализированные заливочные материалы с низкими Dk/Df. Эти материалы тщательно разработаны для поддержания низких значений тангенса угла диэлектрических потерь (обычно < 0,005) в пределах целевого частотного диапазона, тем самым минимизируя дополнительное затухание сигнала. Выбор правильного материала — первый шаг к успеху. Это требует от производителей предоставления точных данных S-параметров материалов на целевых частотах, а от инженеров-проектировщиков — выполнения точного моделирования в инструментах симуляции для оценки влияния различных материалов на бюджеты каналов. Завод Highleap PCB (HILPCB) сотрудничает с ведущими мировыми поставщиками материалов, чтобы предложить клиентам широкий выбор материалов с низкими потерями, а также возможность точно характеризовать их высокочастотные характеристики.

Терморегулирование: Эффект обоюдоострого меча при заливке/герметизации

Заливка/герметизация играет двойную роль в терморегулировании. С одной стороны, выбирая заливочные материалы с высокой теплопроводностью, тепло, выделяемое мощными устройствами (такими как FPGA, ASIC и силовые модули), может эффективно передаваться корпусу или радиатору, формируя эффективный путь рассеивания тепла. Это снижает температуру перехода кристалла и повышает производительность и срок службы системы.

С другой стороны, если выбраны материалы с низкой теплопроводностью, заливочный слой может действовать как изолирующее одеяло, удерживая тепло вокруг компонентов и вызывая локальный перегрев. Еще более критической проблемой является несоответствие коэффициента теплового расширения (КТР). Подложки печатных плат, электронные компоненты, паяные соединения и заливочные материалы имеют разные КТР. Во время температурных циклов (например, циклов включения/выключения питания или изменений температуры окружающей среды) эти материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью, создавая значительные термомеханические напряжения на границах раздела. Это напряжение может привести к усталостным трещинам в паяных соединениях, повреждению компонентов или расслоению печатных плат, что представляет серьезную угрозу для долгосрочной надежности продукта. Будь то компоненты для прецизионного SMT-монтажа или надежные устройства для THT/сквозной пайки, ни одно из них не застраховано от таких напряжений.

Как механическое напряжение влияет на надежность BGA и чувствительных компонентов?

Помимо термического напряжения, сам процесс заливки создает механическое напряжение. Большинство заливочных компаундов подвергаются объемной усадке во время отверждения. Эта усадка оказывает давление на все компоненты на печатной плате. Хотя это может не быть проблемой для прочных компонентов, это может быть разрушительным для хрупких, мелкошаговых шариковых матричных выводов (BGA) или чувствительных керамических конденсаторов. Чрезмерное сжимающее напряжение может привести к замыканию или растрескиванию шариков припоя BGA и даже повредить хрупкие внутренние структуры чипа. Чтобы смягчить эту проблему, крайне важно выбирать заливочные материалы с низкими показателями усадки и низким модулем Юнга (т.е. более "гибкие"), особенно в областях, непосредственно покрывающих чувствительные компоненты. В некоторых случаях применяется процесс "Glob Top", при котором только определенные чипы локально герметизируются, а не заливается вся печатная плата, что позволяет достичь баланса между защитой и контролем напряжения. Управление этими сложными взаимодействиями является одной из основных задач при предоставлении высококачественных услуг по производству печатных плат под ключ.

Проблемы заливки/герметизации в производственных и испытательных процессах

Интеграция заливки/герметизации в производственный процесс представляет собой ряд уникальных проблем. Во-первых, заливка — это почти необратимый процесс. После заливки сборки печатной платы (PCBA) диагностика, доработка или ремонт становятся чрезвычайно трудными или даже невозможными. Это требует завершения всех необходимых испытаний и обеспечения 100% квалификации продукта перед заливкой.

Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к стратегиям тестирования. Проектирование оснастки (ICT/FCT) (проектирование оснастки для внутрисхемного/функционального тестирования) должно быть тщательно спланировано. Тестовые точки, требующие контакта зонда, должны быть защищены (маскирование) перед заливкой, или процесс тестирования должен быть разработан таким образом, чтобы он осуществлялся через внешние разъемы после заливки. Любой недочет в покрытии тестов может привести к высоким затратам на брак.

Кроме того, для обеспечения правильной и последовательной обработки заливкой каждой PCBA необходимы надежный контроль процесса и прослеживаемость. Усовершенствованная система прослеживаемости/MES (Manufacturing Execution System) может записывать критические параметры, такие как номер партии заливочного материала, объем заливки и профиль отверждения для каждой платы. Это незаменимо для контроля качества и анализа первопричин в высоконадежных приложениях (например, автомобильная, медицинская, аэрокосмическая промышленность).

Как превентивно компенсировать эффекты заливки при проектировании высокоскоростных печатных плат?

Чтобы решить проблемы целостности сигнала (SI), вызванные заливкой, лучшая стратегия — «профилактика лучше лечения», что означает, что ее влияние следует учитывать на этапе проектирования.

1. Совместное моделирование: Инженеры-разработчики должны тесно сотрудничать с производственными партнерами (например, HILPCB) для получения точных высокочастотных моделей (S-параметров или кривых Dk/Df) выбранных заливочных материалов. Затем используйте инструменты 3D-электромагнитного моделирования (например, Ansys HFSS, CST Studio Suite) для моделирования критически важных высокоскоростных соединений, которые будут залиты. Модель моделирования должна включать трассы, переходные отверстия, разъемы и окружающий заливочный материал.

2. Проектирование компенсации импеданса: С помощью имитационного анализа можно количественно оценить степень снижения импеданса, вызванного заливкой. На основе этого инженеры могут заранее точно настроить геометрию трасс. Например, в областях, подлежащих заливке, слегка уменьшить ширину трассы или увеличить расстояние до опорной плоскости, чтобы «предварительно увеличить» импеданс в воздухе. Это гарантирует, что после заливки окончательный импеданс точно вернется к целевому значению (например, 50/100 Ом).

3. Зонирование материалов: В некоторых сложных конструкциях может быть применена стратегия зонирования материалов. Например, использовать стандартные заливочные материалы для низкоскоростных или силовых секций для снижения затрат, одновременно применяя высокопроизводительные, низкопотерные материалы для высокоскоростных сигнальных областей. Это требует точных процессов дозирования и маскирования.

Эта глубокая интеграция проектирования и производства является основной ценностью услуг комплексной сборки печатных плат (Turnkey PCBA), обеспечивая идеальную реализацию проектного замысла в производстве.

Получить расценки на печатные платы