Новая серия материалов для HI-TECH печатных плат

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

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)

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

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

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