Почему это важно?
Область базовых материалов может показаться обманчиво простой. Термин «базовые материалы» включает в себе три компонента: полимерную систему, армирование и проводящую фольгу. Однако варианты этих компонентов и множество возможных их комбинаций делают обсуждение базовых материалов гораздо более сложным процессом.
- Поскольку базовые материалы являются наиболее важными компонентами самой печатной платы, то они взаимодействуют фактически со всеми процессами изготовления печатных плат. Поэтому чрезвычайно важны не только физические и электрические свойства материала, но и его совместимость с процессами, используемыми в производстве печатных плат.
- Исторически Тg является наиболее широко используемым свойством для классификации базовых материалов категории FR-4 и считается одним из наиболее важных свойств, занесенных в IРС-4101. Материалы с высоким значением Tg, рассматривались как более надежные.
- Переход на бессвинцовый монтаж дополнительно вызвал переопределение того, какие свойства необходимо обеспечить для обеспечения должного уровня надежности, т.к. требуются более высокие пиковые температуры, при которых многие базовые материалы начинают разлагаться. По этой причине температура разложения (Td/Tf) становится еще одним свойством, используемым для классификации базовых материалов.
- Другими важными свойствами являются способность расширения по оси Z, влагопоглощение и степень адгезии для используемых материалов, чаще всего определяемые из тестов по времени до расслоения, таких как тест Т260.
В серии дальнейших постов мы рассмотрим каждое из основных свойств для классификации базовых материалов по-отдельности, дадим краткое описание и его значение для печатной платы.
Температура стеклования, Tg
- Показатель Tg — это температура, при которой материал переходит из относительно жесткого, «стекловидного», состояния в более деформируемое, или умягченное, состояние. Это термодинамическое изменение материала является обратимым до тех пор, пока полимерная система печатной платы не деградировала.
- Когда материал нагревается выше температуры Тg, а затем охлаждается до этой же температуры, он возвращается в более жесткое состояние в основном с теми же свойствами, что и прежде.
- Свойства базовых материалов при температуре выше Tg отличаются от свойств этих же материалов при температуре ниже Tg.
- Если материал был нагрет до температуры, намного превышающей Tg, то могут произойти необратимые изменения его свойств.
- Материал не находится в жидком состоянии, когда он нагрет свыше Tg, как это порой описывают, говоря о Tg. Это температура, при которой происходят физические изменения благодаря ослаблению молекулярных связей внутри материала.
- Обычно Tg описывается как точно заданная величина, что не совсем верно, потому что физические свойства материалов могут начать меняться уже по мере приближения к Тg и некоторые из молекулярных связей оказываются под воздействием этих изменений. Пока происходит рост температуры, все больше связей оказываются ослабленными, пока все они не окажутся пораженными.
Тепловое расширение
- Все материалы меняют физические размеры в ответ на изменение температуры. Скорость, с которой материал расширяется, значительно меньше при температурах ниже Тg, чем при температурах, превышающих это значение.
- С помощью термомеханического анализа (ТМА) измеряются изменения размеров в зависимости от температуры. Экстраполяция линейных участков кривой по направлению к точке, при которой они пересекаются, дает оценку величины Tg (см. рисунок). Наклоны линейных участков этой кривой выше и ниже Tg представляют относительные скорости теплового расширения, или, как их обычно называют, коэффициенты теплового расширения (СТЕ).
- Значения СТЕ очень важны, поскольку они оказывают влияние на надежность готовой схемы.
- При прочих равных условиях, меньшее температурное расширение будет означать большую степень надежности и меньшее напряжение, оказываемое этим расширением на сквозные отверстия.
Степень отверждения
- Используемые в базовых материалах полимерные системы начинаются с подкомпонентов, которые содержат активные группы в своих структурах. Тепло, приложенное к ним, и катализаторы отверждения вынуждают активные группы устанавливать мостиковые связи или соединяться вместе. Этот процесс отверждения вызывает физические изменения в материалах пропорционально степени возникновения мостиковых связей, включая рост величины Тg. Когда большинство активных групп оказываются связанными между собой, говорят, что произошло полное отверждение материала и установились его основные физические свойства.
- Материалы, в которых отверждение произошло не до конца, могут вызвать проблемы с надежностью плат и процессом их изготовления. Например, не до конца отвердевшая многослойная плата в процессе сверления отверстий может дать избыточное смазывание краев переходных отверстий.
- Кроме того, готовые ПП, в которых полимерная система отвердела не до конца, могут давать большее температурное расширение по оси Z. Это неблагоприятно влияет на надежность из-за увеличения нагрузки на металлизированные сквозные отверстия при ее расширении.
- Поскольку усиленные мостиковые связи потребуют больше тепла для их ослабления в структуре полимерной системы, то измерения Тg можно использовать для определения степени отверждения материала.
Преимущества и недостатки высоких значений Tg
- Зачастую подразумевается, что более высокое значение Тg всегда лучше, чем более низкое. Но это не всегда так. Хоть и высокие значения Tg будут задерживать начало интенсивного температурного расширения, все же суммарное расширение может отличаться от материала к материалу.
- Материал с более низким значением Tg может демонстрировать меньшее суммарное расширение, чем материал с более высоким значением Тg благодаря различным значениям СТЕ полимеров или за счет использования наполнителей в полимерной системе, которые понижают СТЕ композиционного материала.
- Многие обычные материалы FR-4 с температурой 140°С демонстрируют более высокие температуры разложения Тd, чем стандартная температура Тg, равная 170 °С для FR-4. Тd является показателем важного свойства для сборки без использования свинца, для которой ранее считались предпочтительными более высокие значения.
- Но стоит отметить, что современные материалы FR-4 могут сочетать одновременно высокую величину как Tg, так и Тd.
- Следует учитывать, что материалы с повышенной температурой Тg могут оказаться более жесткими и хрупкими, чем с низкими значениями Тg. Это может неблагоприятно сказываться на производительности процесса изготовления печатных плат. В частности, к примеру, в результате может замедлиться процесс сверления отверстий в печатных платах или понизиться срок службы сквозных отверстий.
- Понижение прочности отслаивания медной фольги и уменьшение времени для расслоения могут также быть связаны с повышенными значениями Тg. Время до начала расслоения является мерой прочности сцепления полимера и меди или полимера и материала, используемого для армирования. Спустя это время они начнут отделяться друг от друга или расслаиваться.
Температура разложения Td
- По мере нагревания материала до более высоких температур достигается точка, начиная с которой происходит разложение полимера. Химические связи внутри полимерной системы постепенно разрушаются и начинают выделяться летучие компоненты, что приводит к уменьшению ее массы. Температура разложения (Td) описывает точку, в которой начинается процесс разложения.
- Традиционно Td определяется как точка, в которой из-за разложения теряются 5% первоначальной массы.
- Однако 5% являются слишком большой величиной, когда рассматривается надежность МПП, а температуры, при которых наблюдается нижний порог разложения, очень важны для понимания, особенно в отношении бессвинцовой сборки.
- Очень часто задают следующий вопрос: если ПП собирается при 260°С, а материал имеет температуру разложения в диапазоне 310-320°C, то почему тогда он может оказаться несовместимым с бессвинцовой сборкой? Ответ кроется в уровне разложения для тех температурных диапазонов, при которых будет выполняться сборка. В диапазоне температур, соответствующем использованию сплава олова и свинца, не один из материалов не демонстрирует заметного уровня разложения. Однако в температурном диапазоне монтажа без использования свинца традиционный материал марки FR-4 начинает терять 1,5-3% своей массы. Этот уровень разложения может неблагоприятно сказаться на долгосрочной надежности или привести к появлению дефектов, таких как расслоение при монтаже, особенно в случае нескольких выполняемых одновременно циклов монтажа или нескольких циклов переделки.
Какие стандарты описывают базовые материалы ПП?
Базовый материал для производства ПП закладывается разработчиком проекта, исходя из требований к плате, монтажу и условиям эксплуатации.
Подробные характеристики материалов можно найти в следующих стандартах IРС:
- IPC-4101
Характеристики базовых материалов жестких и многослойных печатных плат (Specification for base
material for rigid and ML printed circuit boards).
- IPC-4202
Требования к гибким диэлектрическим основаниям, используемым при производстве гибких печатных
плат (Flexible base dielectrics for use in flexible printed circuits (FPC)).
- IPC-4203
Диэлектрические клейкие пленки, используемые для покрытия гибких печатных плат (Adhesive coated
dielectric films for coverlay for FPC & adhesive bonding films).
- IPC-4204
Гибкие фольгированные диэлектрические материалы, используемые в производстве гибких печатных
плат (Flexible Metal-Clad Dielectrics for Use in Fabrication of Flexible Printed Boards).
На этапе подготовки производства материал для изготовления ПП подбирается с учетом:
- требований заказчика;
- производственного процесса конкретной платы;
- количества слоев платы,
- наличия толстой базовой меди (70 мкм и более);
- наличия глухих отверстий;
- наличия скрытых отверстий.
Материалы каких производителей используются при изготовлении ПП?
Какие марки материалов для изготовления ПП существуют и используются на производствах? Как они подразделяются в зависимости от вида ПП? Подобные вопросы мы получаем достаточно регулярно. Приведем некоторых популярных поставщиков материалов для производства разных видов печатных плат.
- Жёсткие на FR-4:
⁃ NanYa;
⁃ Kingboard
- МПП, высокоскоростные:
⁃ ITEQ;
⁃ EMC;
⁃ Isola;
⁃ TUC;
⁃ ShengYi;
⁃ Panasonic;
⁃ Hitachi;
⁃ Nelco
- СВЧ-платы:
⁃ Rogers;
⁃ Arlon;
⁃ Taconic
- На металлическом основании:
⁃ Bergquist;
⁃ Kinwong;
⁃ Ventec
- Гибкие платы:
⁃ Dupont;
⁃ Panasonic;
⁃ Taiflex;
⁃ Thinflex.
Помните, что при заказе ПП на специальном материале необходимо уточнять его наличие, сроки закупки, возможные замены на аналоги. При необходимости можно согласовать ориентировочную структуру.
Какие основные характеристики материалов необходимо учитывать при проектировании?
Поскольку базовые материалы являются наиболее важными компонентами самой печатной платы, они взаимодействуют фактически со всеми процессами как при ее изготовлении, так и при ее дальнейшей эксплуатации. Стандарты IPC содержат подробное перечисление свойств всех типов базовых материалов, которые необходимо учитывать при проектировании.
- Температура стеклования (Tg):
Это температура, при которой коэффициент температурного расширения материала сильно изменяется за счет перехода из области медленных изменений в область быстрых изменений. Т.е. материал переходит из относительно жесткого, «стекловидного», состояния в более деформируемое, или умягченное, состояние.
Имеет большое значение для печатных плат, чтобы избежать разрыва стенок переходных отверстий или отрыва контактных площадок по время пайки.
- Коэффициент температурного расширения (КТР):
Этот показатель указывает, насколько печатная плата будет расширяться или сжиматься при нагреве или охлаждении.
Процесс монтажа подвергает плату многочисленным температурным воздействиям, что особенно влияет на расширение материала вдоль оси Z и вызывает значительные напряжения в металлизации отверстий. Это в свою очередь влияет на надежность платы.
- Относительная диэлектрическая проницаемость (Er):
Эта характеристика является мерой влияния диэлектрика на ёмкость между проводником и окружающими структурами.
Эта емкость влияет на волновое сопротивление и на скорость сигнала. Чем выше значение, тем ниже значения волнового сопротивления, выше емкость и ниже скорость передачи сигнала.
- Тангенс угла потерь (или коэффициент потерь):
Это способность материала поглощать некоторую часть энергии переменного тока из электромагнитных полей, которые через него проходят.
Низкие значения важны для радиочастотного применения и практически не важны для цифровых устройств.
- Электрическая прочность диэлектрика или пробивное напряжение (DBV):
Это напряжение на единицу толщины диэлектрика, при котором дуга может пробить изолятор.
- Коэффициент поглощения воды (WA):
Это количество воды, которое диэлектрик может поглотить, если будет помещен в среду с высокой влажностью.
Поглощенная вода повышает относительную диэлектрическую проницаемость, а также снижает электрическую прочность (DBV) диэлектрика.
