Ключевые характеристики материалов для производства печатных плат27.04.2023 15:01

Автор статьи — Александр Патутинский

Технолог по подготовке и запуску печатных плат в производство, инспекциям печатных плат (AOI, AVI). Технолог по SMT, THT и PressFit монтажу, инспекциям печатных узлов (SPI, AOI, X-ray).Специалист по DFM- и DFA-анализам.

В этой статье мы пройдемся по типовой технической спецификации — документу, в котором собраны требования к базовым материалам для печатной платы: фольга́м, препрегам и ко́рам. Поймём, как формируются эти требования. И что важно учитывать, чтобы плата не отправилась в утиль на этапе производства, монтажа или эксплуатации.

Печатная плата — это пластина из диэлектрика, на поверхности и внутри которой сформированы токопроводящие цепи из медной фольги. Фольга может поставляться как отдельными рулонами и листами, так и сразу спрессованной с диэлектриком (тогда это будет уже базовый материал — кор).

Чтобы соединить соседние токопроводящие слои, нужен препрег — лист тканого стекловолокна, пропитанного не до конца отвержденным полимером.

Слой или несколько слоев препрега, покрытый фольгой с двух (реже — с одной) сторон и прошедший полимеризацию, формируют кор, или ядро. На корах обычно реализуют все внутренние слои платы.

Каждый из материалов поставляется в десятках видов и марок, которые отличаются базовыми характеристиками. Давайте посмотрим, как эти параметры влияют на процессы производства.

Основной параметр фольги — шероховатость

С одной стороны, чем выше шероховатость, тем лучше её адгезия в процессе прессования. С другой — с увеличением шероховатости возрастают и потери высокоскоростных сигналов.

Схематичное изображение кора со стандартной фольгой в разрезе.

Получить отлично спрессованное, но абсолютно нерабочее из-за искажения сигналов изделие не хочет никто. Для решения этой проблемы часто используют коры с RTF‑фольгой. Они прессуются на препрег стороной с минимальной шероховатостью. Так получается кор, в котором фольги гладкой стороной «смотрят» друг на друга. Это даёт хорошие показатели целостности сигнала. При этом RTF-фольга обращена наружу стороной с большей шероховатостью, что обеспечивает лучшую адгезию при прессовании всей платы.

Кор с RTF-фольгой: внутренние поверхности фольг более гладкие, чем внешние.

Рекомендации по шероховатости фольги выдаёт инженер по целостности сигнала. Но базовый принцип прост: чем выше частота сигналов, идущих по плате, тем меньшая шероховатость (в идеале, с обеих сторон) нам нужна.

Различные профили фольг.

Шероховатость различных профилей фольг:

HPF (high-performance foil) — 10 μm
STD (standard foil) — 5 μm
VLP (very-low profile foil) — 3μm
RTF (reverse-treatment foil) — 3 μm
HVLP (hyper-very-low profile foil) — 1μm
ULP (ultra-low roughness foil) — 0.5 μm

Допуск по этому параметру (Rz) рассчитывается по следующей формуле и методу:

$Rz = \frac{1}{5} \sum_{i=1}^{5} \left|Y_{Pi}\right| + \frac{1}{5} \sum_{i=1}^{5} \left|Y_{Vi}\right|$

Мы берём образец фольги и профилометром находим 10 точек: 5 наибольших выступов и 5 наибольших впадин профиля в пределах базовой длины. Затем считаем сумму средних абсолютных значений их высот.

Пример профиля фольги с замерами, взятыми на образце длиною в 125 микрон. Yp1-5 — вершины профиля, Yv1-5 — впадины профиля.

Пример профиля фольги с замерами, взятыми на образце длиною в 125 микрон. Yp1–5 — вершины профиля, Yv1–5 — впадины профиля.

Ключевые параметры для кóров и препрегов

Для этих материалов технические спецификации, как правило, указывают гораздо больше информации. Ниже мы разберем некоторые из них, как они формируются и на что влияют.

Примеры

Пример вырезок из технической спецификации материалов для производства печатной платы TU-883. Обратите внимание, что часть характеристик указаны чётко, с конкретными параметрами, а часть — например, CAF-resistance — просто упоминается.

Тип плетения

Напомню, что препреги обычно делаются из плетеного стекловолокна. С одной стороны, варианты с неплотным плетением содержат в себе много смолы, что может упростить заполнение вытравленной меди.

Типы различных плетений в порядке уплотнения. 106 чаще используется в простых стеках и в паре с другим препрегом. 1080 — для прессования внешних слоев с контролем импеданса. 7628 — когда надо добрать толщину и/или прочность платы.

С другой стороны, используя препреги и коры с неплотным плетением, можно столкнуться с неприятной ситуацией при трассировке диффпар, когда одна линия идёт поверх стекловолокна, а другая — поверх зазора плетения.

У стекловолокна и смолы разные диэлектрические постоянные (Dk) — следовательно, линии, идущие поверх стекловолокна и смолы, будут иметь разный импеданс и разную скорость распространения сигнала. Такая несогласованность линий диффпары приведёт к ухудшению сигнала.

Для низкочастотной техники неплотное плетение не критично. В остальных случаях, если нет доступа к материалам с более плотным плетением, можно решить проблему другими способами. Например, расположить плату на производственной панели под углом 15–20⁰. Или вести диффпары под углами 11–13⁰. При таком подходе каждая линия будет идти как поверх стекла, так и поверх смолы, — и особой разницы в импедансах и скорости распространения сигнала между линиями не будет.

По запросу производитель может предоставить более подробную информацию о плетении препрегов. Ниже на примере Isola разберем размеры плетения. Производитель препрегов предоставляет вот такую таблицу.

В ней для запрашиваемых типов плетения (Glass_type) указаны шаги плетения по Ox (X3_pitch) и Oy (Y3_pitch) и габариты жгутов (шлейфов) стекловолокна, плетёных вдоль этих же осей.

Ширины жгутов обозначены как X2 и Y2. Шаги плетения — как X3 и Y3.

X1 и Y1 — это толщины жгутов.

Температура стеклования (Tg) и температурные коэффициенты расширения CTEz, CTExy

Температура стеклования — температура, при превышении которой материал переходит из твердого в вязкотекучее состояние. Препрег состоит из стекловолокна, пропитанного не до конца отвержденным полимером (смолой). Собственно, температура стеклования этого полимера нас и интересует. Для печатных плат с шестью и более слоями используют материалы с Tg от 170⁰С и выше.

Чтобы измерить этот параметр, обычно применяют дилатометрические методы измерения, то есть с небольшого кусочка кора предварительно стравливают всю медь, затем пару часов просушивают образец оставшегося диэлектрического материала при температуре около 105⁰С, а после остужают до 23⁰С. После этого образец начинают греть до 250–260⁰С — пиковой температуры в процессе пайки.

Так будет выглядеть типовой график испытаний: одновременно с нагревом измеряют толщину образца в точках A, B, C, D. Резкое изменение скорости расширения между точками B и C соответствует Tg.

Чем более высокотемпературный припой используется при монтаже, тем меньший CTEz нам нужен.

Tg встречается еще в одном месте технической спецификации — как условие измерения CTEz, коэффициента температурного расширения по оси Оz. Этот параметр показывает, насколько будет увеличиваться плата в процессе пайки или другого сильного нагрева, причём с учётом её анизотропной структуры.

Важно, чтобы расширение платы при нагреве также компенсировалось достаточной пластичностью осажденной меди в переходных и монтажных отверстиях. Иначе можно получить разрыв «стакана» отверстия — то есть разрыв целостности электрической цепи, что фатально для любой печатной платы.

Температурные коэффициенты расширения рассчитывают до и после достижения Tg, в технической спецификации они указываются как pre- и post-Tg, соответственно. Некоторые производители также указывают CTE для температурного интервала, соответствующего термопрофилю SMT монтажа (пайки) — CTE 30–260⁰С .

Разные типы CTE рассчитывают по своим формулам.

$CTE_{z-axis\ \alpha1 (Pre-Tg)} = \frac{(t_B - t_A) 10^6}{t_A(T_B - T_A)}\ ppm/^{\circ}C$ $CTE_{z-axis\ \alpha2 (Post-Tg)} = \frac{(t_D - t_C) 10^6}{t_C (T_D - T_C)}\ ppm/^{\circ}C$ $CTE_{30-260^\circ C} = \frac{(t_D - t_A) \cdot 10^6}{t_A (T_D - T_A)}\ ppm/^{\circ}C$

Относительное расширение материала в диапазоне пайки, где t0 — толщина образца при 23⁰С, измеренная до начала нагрева. Для удобства можно принять t0= tА:

$CTE_{\text{z-axis}\%} \frac{(t_D - t_A)}{t_0} \cdot 100$

Помимо CTEz учитывается температурный коэффициент расширения в плоскости xOy — CTExy. Он частично отражает, насколько могут изменяться масштабы слоев в процессе прессования платы. Влияние данного фактора можно корректировать перед производством в САМ-программах: слои можно вывести в различных масштабах, например, 1:1,02 или 1:0,97.

Температура разложения (Td)

Тd — температура, при которой материал теряет более 5% своего веса и после остужения разрушается. Выбор материала по данному параметру сильно зависит от используемых в процессе монтажа припоев. Чем выше температура плавления припоя, тем выше должно быть значение Td и Tg. И это один из примеров, почему процесс производства и монтажа платы стоит рассматривать комплексно.

Для плат, монтируемых по бессвинцовой технологии, рекомендуется выбирать материалы с большим значением Td и Tg. Для высокотемпературных припоев — ещё большим.

Большинство современных материалов имеют в технических спецификациях пункт Pb-free compatible — они совместимы с бессвинцовой технологией монтажа и имеют заведомо высокие показатели Td и Tg.

Стоит выбирать материалы с Td, превосходящим пиковую температуру пайки минимум на 100⁰С, а лучше на 150⁰С.

Процент содержания смолы (RC%)

Одни и те же типы плетений могут иметь разные параметры диэлектрической постоянной (Dk) — этот показатель важен для расчета импедансов, о нём я расскажу позже. Разница Dk для одинаковых плетений зависит от количества смолы в них (RC%).

Например, в таблице ниже приведены препреги для платы TU-883. Для типа плетения 1080 есть два варианта содержания смолы: RC63% и RC67%. Толщина второго больше как раз из-за дополнительного количества смолы. И Dk меньше у препрега с большим количеством смолы.

Вывод: чем выше RC%, тем ниже Dk.

Isola, один из поставщиков базовых материалов, для производства плат, рассчитывает Dk препрегов по следующей формуле:

$Dk_{\text{препрега}} = Dk_{\text{смолы}}\cdot RC + Dk_{\text{стекла}}\cdot (1-RC)$

Также важно понимать, что на заполнение вытравленной меди внутренних слоев расходуется только смола, а не стекловолокно. Поэтому при выборе препрегов для прессования необходимо убедиться в том, что смолы в них хватит для заполнения зазоров.

CAF-resistance (сопротивляемость CAF-эффекту)

Conductive Anodic Filamentation (CAF) — эффект миграции ионов меди вдоль трещин/расслоений стекловолокна под действием разности потенциалов. При разности потенциалов проводящие нити могут расти между отверстиями, падами и площадками поверхностного монтажа.

Схематичные изображения CAF-эффекта: прорастание нити от отверстия к отверстию, от пада к отверстию, от пада к паду и от линии к линии.

Так проводящие медные нити, прорастающие от одного отверстия к другому в результате CAF-эффекта, выглядят в реальности.

Сопротивляемость CAF-эффекту оценивают с помощью специальных тест-купонов. Это десятислойные печатные платы с матрицами металлизированных отверстий, подключенными к разным цепям. Купоны, сделанные по стандартам IPC-9255 и IPC-9256, подходят только для оценки CAF-resistance между металлизированными отверстиями (PTH), по стандартам IPC-9253 и IPC-9254 — более расширенные (например могут тестировать PTH to shape — зазору между полигоном и стаканом PTH).

Фрагмент тест-купона по современному стандарту IPC-9256. Он, как и IPC-9255, меньше своих предшественников (IPC-9254 и IPC-9253), поэтому его можно размещать по периметру заготовки для более детальной оценки производственного процесса и материала.

Образец проходит симуляцию монтажа и ремонта. Вот примеры симуляции нескольких циклов монтажа с разными температурами припоя.

Bake (specify), 3X @ 260⁰С Preconditioning (specify profile),
Bake (specify), 6X @ 260⁰С Preconditioning (specify profile),
Bake (specify), 6X @ 230⁰С Preconditioning (specify profile),
Bake (specify), 5X @ 245⁰С Preconditioning (specify profile).

Образцы также проходят симуляцию отмывки. К ним припаиваются провода, через которые впоследствии будет подано напряжение, точки пайки отмываются и образцы сушатся. Далее образец помещается в специальную камеру с изменяемой влажностью и температурой, создается разность потенциалов.

Вот примеры CAF-тестирования параметров: напряжения, температуры, влажности — в рамках Temperature Humidity Bias Test.

15 Vdc, 50⁰С, 80% RH,
100 Vdc, 65⁰С, 87% RH,
10 Vdc, 65⁰С, 85$ RH.

После платы стабилизируются и замеряется сопротивление изоляции. Платы со значительным падением сопротивления изоляции бракуются.

Влагопоглощение (moisture/water absorption)

Любой материал набирает влагу, коры и препреги — не исключение. С увеличением показателя влагопоглощения снижается реальная Td и CAF-resistance.

Если насыщенную влагой плату пропустить через печь оплавления, из-за слишком быстрого выхода влаги она может просто расслоиться. И даже если непросушенная плата выдержала печь, мы можем получить увеличенное коробление после пайки, превышающее допустимые стандартные значения.

Так выглядит индикатор влажности внутри упаковки, в которой платы прибывают на участок монтажа.

После изготовления на заводе платы упаковываются и отправляются на участок монтажа. Если при вскрытии упаковки индикатор влажности зашкаливает, платы дополнительно просушивают в специальном шкафу перед монтажом.

N.B. Если печатный узел должен будет работать во влажной и соленой морской среде, стоит уделить особое внимание подбору материала с низким влагопоглощением и высоким сопротивлением CAF. Иначе он с высокой вероятностью выйдет из строя еще до конца гарантийного срока.

Для справки. Иногда в технических спецификациях указывают обратный параметр — moisture/water absorption resistance. То есть защита от влаги. Тогда наоборот: чем он больше, тем лучше.

Диэлектрическая постоянная (Dk) и тангенс угла диэлектрических потерь (Df)

Эти параметры важны для расчета импедансов различных топологий и потерь сигналов. В некоторых случаях приходится заменять материалы для производства платы. И тогда необходимо убедиться, что заменяющий материал имеет схожий Dk и Df не больше, чем у оригинального материала. В большинстве случаев удаётся подобрать Dk достаточно близкий, чтобы с учетом техпроцесса остаться в стандартном допуске на импедансы +/-10%

Производство может само пересчитать импедансы, но тогда оно должно отправить их в RnD на согласование. Либо может попросить RnD внести правки в проект с учетом измененного Dk.

Как верно подобрать материалы

Большинства проблем можно избежать, если заранее согласовать ваш выбор с технологиями завода и их типовыми материалами. Отличной практикой будет получить производственный стек от фабрики перед размещением заказа: возможно, вам предложат препреги с большим RC, что позволит заполнить все зазоры на внутренних слоях. А вы сможете убедиться, что соблюдены ваши требования к расстояниям между сигнальных слоев и от сигнальных линий до их опор, ведь заводской стек будет рассчитан с учетом усадок препрега, расходуемого на заполнение зазоров топологии.

Вы также можете заранее уточнить у завода базовую шероховатость фольги и до какого Rz она развивается на каждом этапе от нанесения фоторезиста до подготовки слоев к прессованию. С повышением частот сигналов шероховатость поверхности становится так же важна, как и Df материала, иначе вам грозят потери сигналов, из-за которых плата не заработает на нужных частотах.

Если же в штате разработчиков нет человека, хорошо знакомого с характеристиками материалов и технологией производства плат, стоит регулярно консультироваться с технологами заводов, на которых будет производиться плата. Они помогут подобрать материал с подходящими для вашей технологии монтажа Tg, Td и другими нужными параметрами.

Что ещё почитать на эту тему

Статьи, лекции и интервью о производстве печатных плат на сайте проекта «Истовый инженер».

А также: