19 Апреля 2019
Автор и должность
Игорь Крупенин, Аркадий Медведев, Оксана Семенова, Петр Семенов, Аркадий Сержантов
Отдел
ООО "Остек-СТ"
Посмотреть в формате pdf

Развитие технологии печатных плат (ПП) подчинено общей тенденции развития электроники — увеличению функциональности и производительности. От ПП необходимо увеличение плотности компоновки электронных компонентов и межсоединений, уменьшение конструктивных задержек в линиях передачи информации. В свою очередь, это требует использования базовых материалов с хорошей размерной устойчивостью и уменьшенными значениями диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь. Работоспособность гигабитной электроники во многом зависит от состояния поверхности печатных проводников, так как на высоких частотах на ней сказывается скин-эффект1. Производители базовых материалов, стараясь удовлетворить этим требованиям, остаются в области композиционных материалов, чтобы не менять структуру сложившегося производства, основанного на использовании базовых технологий печатных плат. В статье представлены материалы и их свойства, соответствующие новым современным требованиям, от компаний Panasonic (Япония), Hitachi (Япония) и Isola (Германия).

Обычно в формировании себестоимости печатных плат стоимость базовых материалов является первоочередной. Новые материалы с улучшенными свойствами, очевидно, дороже обычных. Оправдано ли использование дорогостоящих материалов с позиций ценовой политики? Оказалось, что да, оправдано! Если обычные многослойные печатные платы (МПП) имеют структуру себестоимости, показанную на рис 1, т.е. 46 %, то сложные МПП – около 15 %. Снижение доли стоимости материалов в цене МПП достигаются не только с помощью перераспределения доли затрат на операциях изготовления сложных МПП, но и, главным образом, на существенном увеличении выхода годных в основном благодаря высокому качеству материалов.

Давайте рассмотрим, благодаря чему достигаются высокие характеристики фольгированных композиционных материалов.

Связующие – система полимеров

Связующие – самое слабое звено в композиционных материалах. Как правило, они определяют такие важные параметры как нагревостойкость МПП и размерную устойчивость слоев МПП, необходимую для точного совмещения элементов межсоединений в трехмерной структуре МПП.

Нагревостойкость нужна для обеспечения устойчивости плат к групповому нагреву плат для пайки компонентов поверхностного монтажа. При нагреве до температур пайки металлизация отверстий испытывает большие напряжения, которые создаются из-за расширения основания печатных плат по оси Z. При недостаточной пластичности медных гальванических осаждений металлизация отверстий под действием расширяющегося диэлектрика деформируется вплоть до разрушения (рис 2)2, 3. Нагревостойкость в данном случае характеризуется температурой стеклования, выше которой деформация основания платы особенно высока (рис 3). Отечественные материалы, разработанные 50 лет назад применительно к ручному монтажу, сегодня не приспособлены для групповой пайки, так как их температура стеклования (Tg) не превышает 105 °С. Сегодняшние материалы имеют Tg не более 140 °С. А новые материалы отличаются большим разнообразием и могут иметь Tg вплоть до 220 °С (Tаблица 1).

Таблица 1 Основные свойства связующих различных фирм, поставщиков базовых материалов ПП

Параметр

Метод

Единицы измерения

Оценка параметров

HITACHI MCL-BE-67G

Panasonic MC-100MS/EX

Isola DE-104

Температура стеклования, Tg, °C

Термогравиметрический (TГA)

°C

Лучше больше

140

137

135

Термомеханический анализ (ТМА)

Лучше больше

220

147

Не норм.

Коэффициент термического расширения

По оси Х, 30-120 °C

рpm

Лучше меньше

15

15

16

По оси Y, 30-120 °C

Лучше меньше

17

15

16

По оси Z

Ниже Tg

Лучше меньше

Очень критично

40

65

70

Выше Tg

170

210

250

Влагопоглощение

E-24/50+D-24/23

%

Лучше меньше

Очень критично

0,02

0,1

0,8

Такой параметр как влагопоглощение особенно важен для СВЧ-устройств: относительная диэлектрическая проницаемость воды εr = 81 может сказаться на работоспособности линий связи МПП4. К тому же, если печатные платы перед пайкой не подсушивают (так бывает5, 6), интенсивно испаряющаяся влага при температурах пайки распирает композиционное диэлектрическое основание, что может приводить к необратимому расслоению плат (рис 4).

Стекло – материал стеклоткани

В качестве стеклянных нитей традиционно использовалось электроизоляционное (бесщелочное) стекло на основе алюмоборосиликата. Оно хорошо вытягивалось в нити и выдерживало без разрушения процессы образования пряжи и ткани. Однако в последнее время это стекло перестало удовлетворять требованиям формирования высокочастотных электронных устройств: его относительная диэлектрическая проницаемость слишком велика, εr = 9. В композиции со связующим (εr = 3,2) его суммарная диэлектрическая проницаемость составляет от 5 до 6 в зависимости от содержания смолы7. Для уменьшения диэлектрической проницаемости (εr) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ) предлагают использовать другой состав стекла – E-glass (безборное алюмосиликатное с легкими присадками окислов щелочноземельных металлов) с диэлектрической проницаемостью εr = 6 и tgδ ≤ 0,004. В сочетании со связующим свойства такого композита на гигагерцовых частотах: εr = 3,5–4,0, tgδ ≤ 0,0028.

Плетение стеклоткани

Обычно стеклянные нити скручивают в пряжу, из которой ткут ткань. Сортамент стеклотканей зависит от толщины и плотности пряжи (Tаблица 2).

Таблица 2 Параметры пропитанной стеклоткани (препрега)

Обозначение стеклоткани

Содержание смолы, %

Типичная толщина, мкм

Частота, ГГц

1

20

40

50

1027

75

49

3,2

3,2

3,2

3,2

1035

70

60

3,3

3,3

3,2

3,2

1080

64

76

3,4

3,4

3,4

3,4

1078

75

118

3,4

3,4

3,4

3,4

3313

54

98

3,6

3,6

3,6

3,6

2116

56

132

3,6

3,6

3,6

3,6

Но нужно иметь ввиду, что в процессе прессования материала при переходе смолы связующего из стадии «В» в стадию «С», смола испытывает полимеризационную усадку, а при остывании – термическую усадку.

Возникающие при этом напряжения фиксируются припрессованной фольгой и переплетениями стеклоткани. Потом происходит усадка (изменением линейных размеров) после вытравливания рисунка (удаления части фольги). Скрученная пряжа и плетение стеклоткани как пружины берут на себя часть напряжений и дают определенную долю усадки материала слоев МПП. Для предотвращения этого явления нити стекла не скручивают в пряжу и получают плоское плетение, как показано на рис 5.

Существует еще одно преимущество плоского плетения: однородность диэлектрика для линий связи (рис 6).

Миграция

Для долговременной работоспособности электронных устройств очень важно обеспечить полное отсутствие на поверхности и в объеме композиционного материала процессов электрохимической миграции – выстраивание токопроводящих дорожек между разнопотенциальными цепями (рис 7). Для их образования необходимо сочетание двух факторов: влаги и напряжения. От поверхностной влаги более-менее успешно защищают влагозащитные лаки9. Но поскольку влага имеет уникальное свойство проникать повсюду, она может конденсироваться в капиллярах композиционных материалов10. В этом смысле слабое место в композиционных диэлектриках – поверхность стекловолокна в адгезии со связующим. Когда эта адгезия слаба, образуются тонкие капилляры, в которых конденсируется влага даже в условиях, близких к нормальным. Для мобильных устройств источником влаги может служить испарение человеческого тела, конденсат при переходе от холода к теплу (например, внос холодных устройств в теплое помещение) и т. п. Автомобильная электроника, авионика – это устройства, постоянно испытывающие стресс от увлажнения. Так что одна из причин отказов аппаратуры – влага – естественно сопровождает эксплуатацию электронных устройств. Избавиться от процессов деградации изоляции можно, используя материалы, в которых отсутствуют микропоры и микрокапилляры.

Явление, которое характеризует устойчивость композиционных диэлектриков к процессам электромиграции, в международных стандартах назвали CAF: Conductive Anodic Filament – проводящая анодная нить (рис 8).

Как это выглядит на самом деле можно увидеть на металлографических шлифах отказавших печатных плат (рис 9).

Композиционные материалы, в которых созданы условия для хорошей пропитки стеклянной пряжи и хорошей адгезией связующего со стеклом, показывают хорошие результаты на долговременную устойчивость к воздействию влажной среды (рис 10).

Фольга

Поскольку технологии всё дальше уходят в область высоких частот (высокая производительность электронных устройств), приходится считаться с таким явлением как скин-эффект – перемещение проводимости высокочастотных сигналов в поверхностную область (рис 11)11. В Таблице 3 этот эффект показан в цифрах. Видно, что при работе на гигагерцовых частотах, свойственных сегодняшнему дню, скин-эффект уже существенен.

Таблица 3 «Грубое» представление скин-эффекта

Частота

Толщина проводящего слоя, мкм

10 кГц

660

100 кГц

210

1 МГц

65

10 МГц

21

100 МГц

6,6

1 ГГц

2,1

10 ГГц

0,7

Можно видеть, что на высоких частотах размер скин-эффекта соизмерим с неровностями (шероховатостями) фольги (рис 12). На распространение сигнала это влияет отрицательно. Очевидно, что создать фольгу совсем без шероховатости очень трудно, к тому же шероховатость создает лучшие условия для обеспечения прочности сцепления фольги с диэлектриком. Тем не менее, применительно к материалам для СВЧ-устройств шероховатость фольги нормируют. Максимальные значения высоты профиля медной фольги согласно стандарту IPC 456212 указаны в Таблице 4.

Таблица 4 Нормы на шероховатость фольги для материалов СВЧ-устройств по IPC 4562

Тип профиля

Максимальная высота профиля, мкм

Стандартный профиль (S)

не обозначается

Низкий профиль (L)

10,2

Очень низкий профиль (V)

5,1

Заключение

Электронные устройства всё больше перемещаются в область СВЧ-диапазона, что требует применения соответствующих материалов. Последние разработки и предложения для рынка композиционных материалов с улучшенными диэлектрическими свойствами в сторону СВЧ позволяют производителям печатных плат оставаться в рамках базовых технологий, т.е. работать, не перестраивая существенно производство. А использование высококачественных, но более дорогих материалов снижает издержки производства, делая конечный продукт дешевле.


1 А. Медведев. Перспективный материал для изготовления печатных плат устройств СВЧ-диапазона//Электроника: НТБ № 8, 2017

2 А. Medvedev. A Metalized-Hole PCB as a Strain Gauge//Instruments and Experimental Techniques, 2016/ № 6

3 А. Медведев. Исследования термостойкости соединений металлкомпозит в многослойных печатных платах авионики//Конструкции из композиционных материалов, № 4, 2013.

4 А. Медведев. Перспективный материал для изготовления печатных плат устройств СВЧ-диапазона//Электроника: НТБ, № 6, 2017.

5 А. Медведев, А. Сержантов. Кинетика влагонабора композиционных материалов//Технологии в электронной промышленности, № 4, 2014.

6 А. Медведев. Когда дело не в плате. Рекомендации для технологов сборочно-монтажного производства// Электроника: НТБ, № 10, 2017.

7 А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера. 2005. — 304 с.

8 Каталоги материалов ООО «Остек-Сервис-Технология». 2018.

9 Н. Левкина, С. Ванцов, А. Медведев. Влагозащитные покрытия печатных плат // Электроника: НТБ, № 6, 2018.

10 А. Бекишев, А. Медведев, А. Сержантов. Надежность электроизоляционных конструкций на основе композиционных диэлектриков// Производство электроники, № 1, 2009.

11 А. Медведев. Перспективный материал для изготовления печатных плат устройств СВЧ-диапазона

12 IPC 4562. Metal Foil for Printed Wiring Applications