«Айсберг» опережает!

Удо Бечтлофф
Ральф Фихлер
Иоганнес Шауэр
Кай Шмидер

Если присмотреться более пристально к продукции, полученной с помощью технологий, имеющихся на рынке, то можно заметить, что эти решения подходят только для рисунка проводников с одним слоем меди равномерной толщины.

Электронные схемы управления обычно выполняются на отдельной печатной плате и соединяются с силовой частью посредством традиционных соединителей (кабели, вилки). Первоначальная оценка ситуации (рис. 1) раскрывает следующие проблемы производственных технологий. Для производителей печатных плат:

• дорогостоящий процесс избирательного электроосаждения на рисунок проводников;
• дорогостоящее многоэтапное нанесение паяльной маски (заполнение, выравнивание, покрытие);
• риск механических повреждений проводников с толстым слоем меди во время обработки.

Для монтажной промышленности:

• отдельные конструкции электронных схем управления и силовой электроники;
• разница в высоте проводников примерно 350 мкм;
• расходы на логистику (покупка, складирование) для двух типов ПП;
• двойные расходы на регулирование;
• использование разъемов (кабели, вилки);
• требуется больше места для всей электронной системы.

Необходимо решить все проблемы с учетом следующих технологических условий:

• применение стандартных процессов производства печатных плат;
• использование стандартных материалов из FR4, входящих в перечень Лаборатории по технике безопасности США;
• механические и электрические характеристики, сравнимые со стандартными печатными платами из FR4.

Что же общего у айсберга и технологии толстопленочного меднения? Как известно каждому, большая часть айсберга расположена под водой, поэтому он кажется гораздо меньше, чем на самом деле. Этот эффект лежит в основе метода, разработайного фирмой KSG Leiterplatten GmbH, в котором рисунок медных межсоединений, толщиной 400 мкм, располагается в подложке.

четырехслойный ML с основой из меди толщиной 400 и 70 микрон на наружных слоях

Применяя этот метод, можно получить совершенно плоскую поверхность наружного слоя. Полностью всю область со слоем меди толщиной 400 мкм невозможно увидеть. Вот так и рождается «Айсберг» (рис. 2).

Преимущества изделия

Сочетание электронных схем управления и силовой электроники на одном уровне поверхности, достигнутое с помощью технологии «Айсберг», дает значительные преимущества над обычной технологией толстопленочного меднения как для компаний, использующих ПП, так и для производителей ПП. Необходимо отметить в частности следующие преимущества:

• снижение расходов на закупку, логистику и производство, что дает возможность купить еще одну печатную плату;
• снижение расходов за счет избавления от дополнительных соединений;
• повышение надежности путем минимизации системных интерфейсов;
• такая печатная плата занимает меньше места во всей системе;
• применение стандартной технологии монтажа благодаря равномерной поверхности по всему рисунку межсоединений;
• экономия на процессе получения укрывистости кромок толстых проводников с помощью паяльной маски, за счет минимальной толщины слоя меди на всех силовых проводниках;
• использование теплоотвода, насколько это возможно.

Технология производства

Технология «Айсберг» базируется на стандартных процессах производства ПП. Основой для этой технологии  служит фольга из электролитической меди толщиной 400 мкм, на начальном этапа ламинированная с обеих сторон фоторезистом.

Для экспозиции на одной стороне используется рисунок межсоединений, который впоследствии приобретет толщину 400 мкм. Вторая сторона, (которая позже станет наружной стороной), сначала не подвергается обработке, ее поверхность сохраняется плоской.

Следуя технологии, изображенной на рис. 4, медная фольга толщиной 400 мкм выборочно вытравливается до толщины 70 мкм (рис. 5) и фоторезист удаляется.

После того как удален фоторезист (рис. 6) и поверхность меди обработана, предварительно структурированная медная фольга прессуется рельефом рисунка, повернутым к препрегу, так что после прессования получается более плоская поверхность (рис. 7).

Поскольку согласно технологии «Айсберг» всегда необходим процесс прессования, то можно выбрать многослойную конфигурацию схемы, в зависимости от сложности рисунка межсоединений. Можно использовать внутренние слои с толщиной медного покрытия до 400 мкм (рис. 8).

Рис.8

Используя подходящий препрег, необходимую структуру слоя и подобранные параметры прессования, можно безопасно заполнить смолой сильно профилированные рисунки соединений, полученные путем травления, с толстым слоем меди, избежав включения воздуха или разрыва стеклоткани.

После прессования слоистый пластик можно обрабатывать как любую двухстороннюю печатную плату. Поскольку все остальные области, которые не имеют печатных проводников толщиной 400 мкм, имеют толщину базового слоя меди 70 мкм, то для разводки схемы можно применить правила обычного проектирования.

Материалы

Во время разработки данной технологии были проведены интенсивные испытания подходящих сочетаний материалов: препреcа, тонкого слоистого пластика, медной фольги. В результате были определены подходящими только те материалы, которые перечислены Лабораторией по технике безопасности США. Тем не менее остаются нерешенными некоторые проблемы, связанные с материалами. В частности, ранее используемые виды медной фольги ED оказались неподходящими для процесса комплексного травления. С учетом этого вместе с поставкой
материалов для ПП от фирмы Gould была разработана медная фольга, модифицированная кристаллическая структура которой позволяет выдерживать ее долгое время в среде травления, не вызывая никаких поверхностных дефектов (точечные проколы).

Характерные особенности

Ко времени написания данной статьи были получены результаты испытаний, представленные в таблице 1. В настоящее время проводятся дальнейшие испытания механических свойств продукции.

Электрические свойства (допустимая нагрузка по току)

В стандарте DIN IEC 326, часть 3, отражена только допустимая нагрузка по току токопроводящих дорожек с толщиной слоя меди до 105 мкм. Рекомендации по более толстой металлизации отсутствуют. Расчет допустимой нагрузки по току зависит от ряда факторов и должен проводиться отдельно для каждого нового случая применения.

С целью обеспечения проектировщиков некоторыми количественными характеристиками, провели ряд испытаний совместно с Институтом энергоснабжения и Отделением техники высоких напряжений Дрезденского технического университета, чтобы определить температурный режим рисунка соединений с толстым слоем меди. Разработанная для этой цели тестовая плата (рис. 9) имела следующие параметры рисунка соединений:

• диэлектрик: FR4;
• толщина платы: 1,7 мм;
• толщина Сu: 400 мкм;
• поверхность: паяльная маска;
• структура: впрессованные проводники из толстого слоя меди, двусторонний рисунок соединений без покрытия, горизонтальное положение монтажа.

Схема расположения выводов токопрово-дящей дорожки из толстого слоя меди была выполнена в виде неразветвленной сети, с тем чтобы конвекция и излучение каждой индивидуальной дорожки давали эффект только в вертикальном направлении на верхней и нижней поверхностях (рис. 10).

Характерные кривые, полученные в результате испытаний (рис. 11), показывают, что благодаря технологии «Айсберг» можно проводить ток сравнительно больших значений даже при работе на теплоотдачу только одной стороны (конвекция и излучение в вертикальном направлении верхней и нижней поверхностей).

Результаты измерений исходной температуры посредством тепловизионной камеры оказались идентичными предполагаемой мощности излучения нагревающей поверхности е = 0,85.

Рисунок межсоединений

Правила проектирования рисунка схемных межсоединений определяются, главным образом, комплексным двухэтапным процессом травления зон с толстым слоем меди. В следствие этого, невозможно пользоваться известными правилами проектирования стандартной технологии, согласно которой покрытие обычно производится слоем меди толщиной до 105 мкм. Нижеследующее резюме (рис. 9, таблица 2) дает общее представление о наиболее важном критерии нанесения рисунка соединений, используя в качестве примера вариант толщиной слоев меди
70/400 мкм.

Здесь необходимо отметить, что приведенные характеристики постоянно обновляются, поскольку данная технология непрерывно совершенствуется.

Впервые технология «Айсберг» обещает получение печатных плат с комбинированным рисунком соединений с толстым и тонким слоем меди, которые по своим конечным характеристикам не отличаются от стандартных плат. Наряду с дальнейшим совершенствованием процесса мы совместно с нашими клиентами начнем замену первоначальной продукции на продукцию, выпущенную с помощью новой технологии. В будущем осуществление проекта будет продолжаться в сотрудничестве с компанией Schweizer Electronic AC.

Настоящая статья первоначально была представлена на технической конференции EIPC в Барселоне в 2005 году. Здесь она напечатана вновь, с разрешения авторов.