Базовые фольгированные диэлектрики, или Что скрывает стеклотекстолит типа FR‑4

№ 7’2013
Мы очень быстро привыкаем к профессиональным терминам и понятиям, но очень редко задумываемся об их значении и определениях. Все производители печатных плат давно знают, что при обозначении толщины медной фольги импортных материалов применяются цифры и буквы. Например: медная фольга толщиной 35 микрон принята за единицу, а фольга 18 микрон — за букву “H”, где английская буква “Н” означает «половину» (от англ. half). Тогда что означает единица, и единица чего? Аналогичная ситуация происходит с обозначением и использованием терминов в сфере базовых фольгированных диэлектриков. Так из какого же базового материала мы сегодня производим печатные платы: из FR‑4, FR‑5 или еще какого-то материала? О том, что скрывается под каждым типом обозначения, и пойдет речь далее.

Введение

В беседах конструкторов и технологов в перерывах крупных семинаров по печатным платам часто можно услышать: «А у нас проблем нет, потому что в качестве стеклотекстолита мы используем материал FR-4». Сразу же возникает живой интерес: а из какого именно? Но, как правило, приводят только имя производителя. Действительно, сегодня предоставлен большой выбор материалов, правда, в основной массе это ламинаты импортного производства. Однако в 2012 году появился и отечественный производитель стеклотекстолита, который выпускает фольгированный диэлектрик для собственного производства электроники, а также продает его другим предприятиям (ООО «Технотех», г. Йошкар-Ола). Думаем, читатель не будет возражать, если автор немного углубится в стандарты и понятия, принятые среди производителей базовых материалов. Этот короткий экскурс в историю будет интересен не только новичкам, но и специалистам высокого уровня.

Производители ПП в качестве фольгированного диэлектрика чаще всего применяют стеклоткань, пропитанную эпоксидной смолой (связующее). Для производства самого диэлектрика и прессования МПП применяют одни и те же типы стеклотканей — 1080, 2313, 2116, 1506 и 7628. В зависимости от связующего (а это может быть эпоксидная смола, смеси смол эпоксидной и BT, эпоксидная и CE-смола или еще какая-нибудь комбинация) и будет в основном определяться тип диэлектрика и его разновидности. Не вдаваясь в подробности строения полимерной матрицы, отвердителя и различных добавок, упростим понимание этого вопроса и точно определимся с тем, какие же материалы отвечают требованиям FR-4 и FR-5.

Для сертификации материалов американский национальный институт стандартов (ANSI) ввел два параметра — TI и MOT, по которым и стали определять принадлежность фольгированного диэлектрика к определенному типу. Конечно, для определения типа базового материала необходимо знать и его конструкцию, поэтому в начале статьи были конкретно указаны типы стеклянных сеток, пропитанные связующим. Так, например, заменив в конструкции диэлектрика внутренние слои из стеклоткани на стеклянные маты, а в роли связующего применив эпоксидную смолу, получим уже другой тип материала — CEM-3, поэтому будем аккуратны и точны.

Итак, первый параметр — температурный индекс — TI. Суть этого параметра в том, чтобы у диэлектрика без медной фольги определить пограничную температуру, после воздействия которой прочность на изгиб и электрическая прочность диэлектрика составили бы минимум 50% от исходных значений. Для этого образцы одного материала помещают в печь при разной температуре и подвергают воздействию тепла в течение 10 000 часов, затем с образцами проводят измерения. Конечно, ждать один год и 52 дня никто не будет. Поэтому осуществляют искусственное старение диэлектриков, воздействуя на них высокой температурой в течение определенного времени. На основании полученных замеров решают уравнение Аррениуса и рассчитывают поведение диэлектрика в течение долгосрочного периода.

Второй параметр — максимальная рабочая температура (MOT). Этот параметр определяют на образцах, покрытых медной фольгой. И, следуя логике, понятно, что максимальная рабочая температура должна быть ниже температурного индекса или равна этому значению.

В результате экспериментальных и эксплуатационных работ для диэлектриков типа FR-4 был установлен температурный индекс (TI), равный + 130 °C, а для FR-5 — +140 °C. Далее с помощью уравнений:

вычисляют, при какой температуре необходимо выдерживать исследуемые образцы на тип FR-4 и FR-5 для дальнейшей идентификации. Уравнение (1) применяют для определения температуры выдержки в тепловой камере в течение 10 дней, а уравнение (2) — для воздействия температуры в течение 56 дней.

Подытожим. При соблюдении первого условия (конструкция диэлектрика), если воздействие температуры +176,8 °C в течение 10 дней или +153,4 °C (56 дней) не приводит к образованию дефектов в материале (отслоению контактных площадок), а электрическая прочность изменилась не более чем на 50%, значит, перед нами фольгированный диэлектрик типа FR-4. Аналогично рассчитывается тепловое воздействие для диэлектрика типа FR-5, если подставить значение tMOT = +140 °C в формулы (1) и (2).

Судя по полученным результатам, не так уж много можно узнать о свойствах диэлектриков, исходя из одной лишь марки, поэтому для полной классификации базовых материалов в стандартах IPC и МЭК приняты другие показатели. С ними мы и ознакомимся далее.

В настоящее время наиболее востребованными фольгированными диэлектриками считаются те, которые отвечают требованиям бессвинцовой пайки, что обусловлено хорошо известной всем директивой RoHS. Если говорить о российских производителях, то у нас эта директива не распространяется на приборы и электронные модули, отвечающие за безопасность людей и поддерживающие жизнедеятельность человека, а также на электронику специального назначения. Однако во вновь разрабатываемой аппаратуре часто возникает необходимость в применении комплектующих импортного производства, выводы которых облужены припоем, не содержащим свинец.

В тех случаях, когда комплектующие просто не выпускаются с применением свинцовых припоев, возникает необходимость в смешанном монтаже ЭРЭ, что ведет к увеличению температуры пайки. Поэтому производителям ПП необходимо иметь в своем арсенале технологии, соответствующие требованиям такого монтажа, и базовые фольгированные материалы, способные выдержать термические нагрузки. Технологам, которые осуществляют монтаж компонентов, хорошо известно, что при групповой пайке, например в конвекционных печах, заготовки могут находиться минутами, пока не завершится процесс. Пайка хоть и происходит с относительно плавным разогревом, но пребывание плат длительное время под воздействием высоких температур может стать причиной возникновения дефектов в самом базовом материале.

Попробуем сформулировать основные требования, предъявляемые к диэлектрикам. Первым незыблемым правилом всегда были и остаются стабильные значения диэлектрических показателей, затем прочностные характеристики и малое значение коэффициента термического расширения по осям X, Y, Z, причем последнее стало особенно актуальным при использовании больших интегральных схем в корпусах BGA с шариковыми выводами. С применением высокочастотных транзисторов и малошумящих ИМС возникла необходимость в высоком значении объемного и поверхностного сопротивления диэлектрика, а с увеличением степени интеграции компонентов на единицу площади потребовались диэлектрики, обладающие стойкостью к электромиграции ионов меди (CAF).

На рис. 1 хорошо просматривается металлизация пучков волокон, расслоения нет, вырывы стеклянных нитей также отсутствуют. Так что же в данном случае мы имеем? Наверно, такую картину наблюдали многие химики, но не все задумывались, что происходит. В процессе химической металлизации, а точнее в процессе подготовки диэлектрика перед химической металлизацией, заготовки ПП обрабатываются агрессивными растворами, в результате чего и происходит травление «замасливателя» волокон стеклянной нити, а в освободившиеся пустоты осаждается химическая медь. Напомним, что «замасливатель» появляется на волокнах при производстве стеклянных нитей на стадии экструзии стекла через микрофильеры, в которые и подается состав «замасливателя» для смазки микрофильер и придания стеклянным волокнам определенной гибкости.

Металлизация пучков волокон

Рис. 1. Металлизация пучков волокон

На микрошлифах (рис. 1 и 2) хорошо видно, что величина проникновения меди в глубину диэлектрика составляет более 35 мкм. Такой дефект встречается и по сей день, и в большей степени он зависит от производителя стеклоткани, так как содержание веществ, удаляемых при прокаливании, должно быть не более 0,3%.

Микрошлиф с проникновением меди в глубину диэлектрика

Рис. 2. Микрошлиф с проникновением меди в глубину диэлектрика

А теперь давайте рассмотрим это явление с точки зрения надежности аппаратуры. Для примера возьмем топологию МПП с переходными отверстиями под ИМС в корпусе BGA и мысленно разрежем ее по центрам соседних отверстий. На рис. 3 видно, что при шаге трассировки 0,625 мм и диаметре переходных отверстий 0,4 мм происходит уменьшение толщины диэлектрика между двумя соседними стенками отверстий: с 0,225 до 0,155 мм. Это явление частично связано с технологией обработки стеклотекстолита, но в большей степени зависит от его качества. В этой ситуации наступил самый подходящий момент, чтобы рассмотреть следующий параметр фольгированного диэлектрика — электромиграцию меди (CAF).

Уменьшение толщины диэлектрика

Рис. 3. Уменьшение толщины диэлектрика между двумя соседними стенками отверстий

О явлении электромиграции известно давно, но об актуальности этого параметра заговорили сравнительно в последние годы, и связано это с быстрыми темпами микроминиатюризации аппаратуры. Вследствие уменьшения расстояний между проводниками на поверхности ПП и в самом диэлектрике возросли требования к электрическим параметрам стеклотекстолита. Электромиграция проявляется тогда, когда начинается эксплуатация аппаратуры, под действием электрического тока и температуры. Причиной этого процесса, во-первых, являются различные химические загрязнения, вошедшие в эпоксидную смолу, стекловолокно (алюмоборосиликатное стекло), аппрет и другие элементы конструкции диэлектрика. Во-вторых, это запечатанная влага и химикаты, проникшие вовнутрь диэлектрика при производстве печатных плат.

Различают несколько разновидностей электромиграции меди, приводящей к замыканию цепей: между двумя стенками металлизированных отверстий (рис. 4), между стенкой металлизированного отверстия и проводником, между двумя проводниками и между двумя проводниками в соседних слоях МПП. На рис. 5 представлено образование токопроводящей анодной связи вдоль стеклянных волокон между двумя металлизированными стенками отверстий. Для предотвращения подобных случаев принято проводить проверку фольгированных диэлектриков на устойчивость к электромиграции меди, это делают на специально подготовленной тест-плате. Для того чтобы материал получил оценку «устойчив к CAF», тестовую плату помещают в среду с относительной влажностью воздуха 80% при температуре +85 °C и подводят напряжение между электродами 100 В постоянного тока. Если по истечении 1000 ч воздействия током сопротивление изоляции будет больше или равно 100 МОм, то фольгированный диэлектрик признается прошедшим данный тест.

Замыкание цепей

Рис. 4. Замыкание цепей: между двумя стенками металлизированных отверстий

Токопроводящая анодная связь

Рис. 5. Токопроводящая анодная связь вдоль стеклянных волокон между двумя металлизированными стенками отверстий

Для того чтобы идеи конструктора были реализованы в «железо», необходимо согласовывать технологические возможности производства, поскольку на каждом предприятии свой технический уровень. На этом вопросе остановимся более подробно.

В процессе изготовления ПП фольгированные диэлектрики подвергаются воздействию кислых и щелочных сред, порой настолько агрессивных по отношению к обрабатываемому материалу, что диэлектрик начинает подтравливаться, а во внутреннее вытравленное пространство проникает влага, а еще хуже — электролиты. Или другой пример: в момент механообработки притупленным сверлом или при неверно выбранных режимах обработки на стенках отверстий может образовываться подгар или, иными словами, стекловидная форма смолы, которая плохо смачивается электролитами. Химики-технологи могут наблюдать эту картину на заготовках с частично непокрытыми стенками отверстий.

Наверняка всем хорошо знакома картина, когда на совещании по поводу «голых» отверстий возникает спор между технологами, отвечающими за механообработку и химические процессы, кто из них виноват. Химики пускают в ход свой «железный» аргумент, что они пока не научились избирательно покрывать отверстия, а специалисты механического участка утверждают, что все проходило в штатном режиме, сверла заменяли по программе, а режимы резания никто не изменял.

Для предотвращения таких дефектов многие возразят: не нужно доводить сверление до такого состояния или не стоит передерживать диэлектрик в агрессивных средах. Конечно, они правы, но кто определит этот предел и каков он на самом деле? Разработчики технологий выявили только зависимость между результатом и тем, что необходимо сделать, чтобы рекомендуемый технологический процесс был управляемым в нужном направлении. Многим хорошо известны ситуации, когда рекомендованные значения для сверления и фрезерования материала не приемлемы на конкретном типе оборудования, так как ориентиры разработчиков режущего инструмента определяются в связи с развитием обрабатывающих станков, а оборудование на предприятии из-за своей давности не всегда соответствует таким требованиям, например по оборотам шпинделя.

Приходится пересчитывать значения подачи и обороты шпинделя. На практике это выглядит печально, во время отработки технологии все получалось хорошо, а начинается работа — появляется брак в виде частично непокрытых отверстий или отслоения меди от торцов ПП при фрезеровании контура. Как правило, после таких пересчетов технологи стремятся занизить полученные значения подачи по оси Z, так как стенки отверстий имеют меньшую шероховатость и на микрошлифах выглядят более привлекательно. Добавим сюда неверно определенный порог выработки ресурса режущего инструмента и в результате получим поверхностный подгар диэлектрика — стекловидную форму полимера.

Вспомним зависимость температуры в зоне обработки от скорости резания, подачи и скорости вращения шпинделя [2]:

где V — скорость резания, м/мин.; S — подача по оси Z, м/мин.; d — диаметр сверла, мм; значения 60÷100 — прибавка с учетом износа режущих кромок и материала.

Если заняться расчетом температуры, которая устанавливается в момент обработки, путем подстановки действительных значений для трех диаметров сверла: 0,3, 0,9 и 3 мм, то увидим возрастание температуры с увеличением диаметра. А если вы заметите другую зависимость, то стоит еще раз проверить все расчеты и обратить внимание на тип сверла. Автор статьи неоднократно наблюдал ухудшение качества металлизации отверстий при отключении модуля перманганатной обработки, если такая имелась в химической линии. Получается, что качество металлизации держалось исключительно на способности разрушать и удалять такие виды образований химической подготовкой, а не за счет качества проведенной механообработки.

Вернемся к рассчитанной температуре резания и сравним полученные результаты с температурой деламинации вашего материала. Для сравнения в таблице 1 представлены значения деламинации фольгированных диэлектриков типа FR-4, наиболее часто встречающихся в Российской Федерации.

Таблица 1. Значения деламинации фольгированных диэлектриков типа FR-4


Наименование материала и производитель

MCL-BE-67G, Hitachi Chemical

DE-104ML, ISOLA

NP-140TL, Nan Ya Plastic

KB-6150, KB

MLFR-4, «Технотех»
Температура деламинации Td, °C +340…350 +315 +310 +310…320 +330

Таким образом, мы подошли к следующему важному параметру фольгированного материала — это температура разложения, или температура деламинации диэлектрика (Td). И причина здесь не только в явлении, описанном выше, а в том, что сплавы, используемые при монтаже без применения свинца, требуют более высоких пиковых температур по сравнению со сплавом олова и свинца. Принято считать температурой разложения ту точку, при которой полимерная матрица уменьшилась в весе на 5% по сравнению с первоначальным значением. На самом деле это очень много, так как горячее лужение ПП с последующей пайкой ЭРЭ по бессвинцовой технологии приведет к необратимым процессам в связующем и появлению дефектов в диэлектрике [3].

Было замечено, что у стандартных материалов типа FR-4 по спецификации IPC 4101C/21 в момент монтажа без использования свинцовых припоев теряется масса от 1,5 до 3%, что может неблагоприятно сказаться на долгосрочной надежности изделий. На самом деле на целостность электрических цепей влияет не только температура деламинации, но и температура стеклования диэлектрика, и эти два параметра необходимо рассматривать совместно. По этой причине следующий показатель фольгированного диэлектрика — это температура стеклования (Tg).

Поскольку температура стеклования определяется химическим составом и строением цепей полимера, а интерпретация понятия зависит от метода определения, то применительно к ПП будем рассматривать это явление как переход диэлектрика из твердого состояния в пластичное. В результате нагрева атомы в полимере при переходе температуры стеклования получают дополнительную степень свободы, и материал начинает расширяться. С точки зрения надежности аппаратуры нас должно интересовать термическое расширение материала в зависимости от условий обработки и эксплуатации изделия. Само понятие температуры стеклования хорошо описано в [1], поэтому остановимся на коэффициенте термического расширения (ТКР), от величины которого зависит надежность аппаратуры как на технологическом этапе, так и на эксплуатационном.

В отличие от металлов диэлектрики имеют неравномерный коэффициент термического расширения по осям X, Y и Z. Это объясняется тем, что в плоскости самого диэлектрика сдерживающим фактором от расширения является стеклянная сетка, а по оси Z ее нет. В большинстве случаев в конструкции диэлектриков применяются стеклоткани с разной плотностью плетения в направлении утка и основы (табл. 2), где тип нити EC5-11×1 расшифровывается как:

  • E — тип стекла (алюмоборосиликатное стекло);
  • 5 — диаметр волокна, мкм;
  • 11 — количество волокон в нитке;
  • 1 — количество нитей при плетении сетки.

Таблица 2. Параметры нитей стеклотканей различного типа


Тип стеклоткани

Плотность нитей / 100 мм в основе

Тип нити в основе

Плотность нитей / 100 мм по утку

Тип нити в утке

Поверхностная плотность, г/м2
1080 240 ±8 EC5-11×1 190 ±8 EC5-11×1 47 ±2,2
2113 240 ±8 EC7-22×1 220 ±8 EC5-11×1 77,3 ±3,4
2116 240 ±8 EC7-22×1 228 ±8 EC7-22×1 103,8 ±4,7
7628M 170 ±2 EC9-68×1 130 ±2 EC9-68×1 210 ±4

По этой причине производитель фольгированного материала указывает коэффициент термического расширения для оси X и Y, причем в направлении оси X ТКР соответствует направлению утка. По понятным причинам в направлении основы показатель термического расширения меньше. На самом деле технолога должна интересовать не столько сама температура стеклования, как ТКР до точки Tg — ТКР(α1) и после нее — ТКР(α2) (рис. 6). При исследовании материала по методу ТМА (термомеханический анализ) хорошо видно изменение наклона касательной, проведенной к графику расширения материала в момент нагрева. Проекция точки пересечения касательных на температурную ось и есть значение Tg. На графике 1 видно, что чем дальше мы отступаем от точки Tg вправо, тем больше становится толщина диэлектрика — ось Z. Здесь необходимо выделить участок [АВ], внутри которого изменение ТКР или угла касательной в любой произвольной точке меняется очень быстро. Именно этим и отличаются многие фольгированные диэлектрики между собой в пределах одного типа.

График расширения материала в момент нагрева

Рис. 6. График расширения материала в момент нагрева

Приведем еще один показательный пример реально существующих диэлектриков на примере компании ITEQ [4] (рис. 7). Рассмотрим график с точки зрения технологической операции горячего лужения. Для этого технологического процесса с оловянно-свинцовой ванной используют температуру +235… 240 °C. На графике 2 определим, насколько изменится толщина диэлектрика каждого материала при температуре +240 °C. Оказывается, у стеклотекстолита марки IT158 с температурой стеклования +150 °C по методу ТМА этот показатель самый маленький и составляет всего 102,1%, а у фольгированного диэлектрика IT180 с высоким значением Tg (+180 °C) толщина материала составила 102,6%. Наверное, каждый из нас где-то подсознательно ожидал обратного результата, поскольку у всех сложилось однозначное понимание: чем больше значение Tg, тем меньше и расширение по оси Z.

График расширения материала компании ITEQ

Рис. 7. График расширения материала компании ITEQ

Обратим внимание на поведение участка [AB] для всех трех материалов: получается, чем меньше скорость изменения ТКР при переходе через точку с температурой стеклования, тем меньше вероятность образования дефектов ПП, связанных с тепловыми нагрузками. Говоря языком аналогий, чем быстрее скорость нарастания усилия разрыва, тем вероятнее образование трещин в металлизации и разрывов проводников. А с увеличением температуры стеклования у материала происходит временная отсрочка в таком разрушающем усилии. Поскольку металлизированные отверстия сопротивляются этому явлению (ТКР меди равен 17 ppm), а у стеклотекстолита в этот момент ТКР находится в диапазоне 50-350 ppm (типичное значение), становится понятно: чем плавней переход и меньше значение ТКР(α2), тем надежнее конструкция.

Вспомните тест на пластичность медного осадка, когда разрывную машину настраивают на определенную величину нарастания усилия. При большой скорости разрывного усилия разрушение образца наступит раньше, и наоборот. Наверняка химики-технологи не раз слышали заявления других производителей, что у них на предприятии пластичность медного осадка достигает 18-24%. Не здесь ли кроется ошибка?

Хорошо, когда конструктор имеет информацию в виде таблиц и графиков, а если известны только численные физические показатели, как этим воспользоваться?

Для пояснения процесса рассмотрим рис. 8, где схематично изображено влияние температуры на металлизированный пистон. Зададимся целью и определим толщину МПП при температуре пайки. Исходные данные для расчета: толщина печатной платы (МПП) по диэлектрику — 2,1 мм, температура пайки — +245 °C, физические показатели материала α1 — 55 ppm/°C, α2 — 320 ppm/°C, температура стеклования — +150 °C. Поскольку мы определяем изменение толщины материала по отношению к комнатной температуре, зададим и этот параметр: Тком = +21 °C. Диапазон изменения температуры для платы составит +21…245 °C, следовательно, и суммарный прирост толщины МПП будет определяться до Tg и после температуры стеклования.

Первый этап — определение величины расширения материала до точки Tg с использованием ТКР(α1):

Теперь рассчитаем изменение толщины в процентах:

Второй этап: аналогично определяем изменение толщины ПП от температуры стеклования до температуры пайки:

Итого, суммарное значение расширения печатной платы составит сумму полученных значений:

Вывод: изготовленная многослойная печатная плата из такого стеклотекстолита увеличится в толщине на 3,7%, а прирост толщины составит:

Поскольку сдерживающим фактором расширения ПП в области монтажных и переходных отверстий является металлизированный пистон (рис. 8), определим образовавшийся натяг для меди:

Влияние температуры на металлизированный пистон

Рис. 8. Влияние температуры на металлизированный пистон

Абсолютная величина удлинения составит:

Тогда температурный натяг для меди будет равен:

Именно эта разница в термическом расширении является основной причиной, порождающей дефект, изображенный на рис. 9.

Разрыв металлизации

Рис. 9. Разрыв металлизации

Если бы осажденная медь в отверстии не обладала пластической деформацией, наверное, разрывов в момент пайки или горячего лужения избежать было бы трудно. Поэтому в гальванических покрытиях ПП минимальное значение пластичности медного осадка составляет 4,5%.

Наверняка производители электронных модулей сталкивались с такой проблемой, как пайка кросс-плат, которые, как правило, являются МПП толщиной более 2 мм, и чем толще такая плата, тем сложнее получить на выходе годное изделие. К сожалению, не все в производстве однозначно, существуют и другие факторы, скрытно влияющие на качество продукции (разрыв металлизации, расслоение диэлектрика), вот и в нашем случае этой «невидимкой» является влагопоглощение.

Влагопоглощение влияет не только на качественные показатели диэлектрика, но и на технологию обработки материала, например на сушку ПП. У многих производителей ПП возникает вопрос: как следует проводить сушку заготовок ПП перед очередной технологической операцией? Было установлено, что влага активно взаимодействует с материалом, поэтому для классификации такой связи было принято три формы связи [5]:

  • химическая;
  • физико-химическая;
  • физико-механическая.

Рассматривать химическую связь влаги с материалом, наверное, нужно на операции горячего прессования МПП. Это та влага, которая, взаимодействуя со связующим, запечатывается внутри диэлектрика. При последующем нагреве материала влага, находящаяся внутри, будет стремиться к внешним слоям. Поскольку способность воды проникать сквозь материалы ограничена, влага станет искать пути наименьшего сопротивления. Там, где она не может проникнуть через медь и стеклоткань, она пройдет через смолу и пустоты внутри диэлектрика. При высоких температурах (горячее лужение, пайка) такая миграция влаги будет проходить в виде пара. Если давление, создаваемое паром, превзойдет прочность границ микропустот материала, то полость увеличится с образованием расслоения.

Количество влаги, поглощенной стеклотекстолитом, определяется гравиметрическим методом (IPCTM 650, метод 2.6.2.1) и установлено на уровне 0,8% — это типовое значение для всех FR-4. Как показала практика, это значение уже не соответствует современным требованиям, что при технологических оплошностях часто приводит к отрицательному результату. Сегодня можно отметить, что многие производители фольгированных материалов учли этот факт и значительно снизили данный показатель (табл. 3), но опасность разрушения диэлектрика все же существует. Так, при увеличении температуры пайки с применением бессвинцовых припоев парциальное давление пара внутри диэлектрика увеличивается в три раза по сравнению с традиционным монтажом.

Таблица 3. Количество влаги, поглощаемой стеклотекстолитом различных марок


Наименование материала и производитель

MCL-BE-67G, Hitachi Chemica
l

DE-104ML, ISOLA

NP-140TL, NanYa Plastic

KB-6150, KB

MLFR-4, «Технотех»
Влагопоглощение, % (IPCTM 650, метод 2.6.2.1) 0,02-0,04 0,12-0,16 0,2-0,3 0,21 0,25

К физико-химической связи влаги с материалом можно отнести адсорбционную связь и осмотическую. С практической точки зрения остановимся на осмотической связи, так как в базовых фольгированных диэлектриках изначально существует небольшая часть (1-5%) недополимеризованной смолы с низкомолекулярными фракциями, и в момент механообработки (сверление отверстий или фрезерование) происходит вскрытие этих областей. Такие полимеры с разной молекулярной массой поглощают значительное количество влаги и набухают. Дальнейшая химическая металлизация диэлектрика без специальной подготовки (перманганатная обработка, плазмохимическое травление и др.) приведет к ослаблению адгезии меди к стенкам отверстий.

Физико-механическая связь влаги нас заинтересует с точки зрения проникновения в поры диэлектрика (рис. 10) и межмолекулярные полости. Этот процесс происходит вначале медленно, но в дальнейшем ускоряется за счет гидролиза связующего. Это как раз тот случай, когда ПП длительно хранятся в ожидании монтажа ЭРЭ. Если быстро нагреть диэлектрик, напитавшийся влагой из атмосферы, произойдет ее вскипание и разрушение структуры слоистого материала с обнажением стекловолокна (побеление поверхности ПП и др.). Такие ситуации возникают каждый раз, когда перед монтажом после длительного хранения не была проведена сушка ПП. Для предотвращения попадания в производство такого материала предусмотрен тест с обработкой в кипящей воде и последующим термоударом — ГОСТ 26246.0 (мизлинг). Бывает и такая ситуация, когда на стадии получения финишного покрытия, например иммерсионного золота, образуется сплошной слой из никеля с последующим осаждением на него золота. Эти ситуации возникают на стадии травления меди и удаления металлорезиста (обычно олова-свинца). Травильный шлам и соли металлов оседают в поры диэлектрика и закупоривают их, как показано на рис. 10. В дальнейшем эти загрязнения становятся центрами активации для химического никеля.

Пористая поверхность диэлектрика

Рис. 10. Пористая поверхность диэлектрика

В заключение нельзя не упомянуть об отвердителях смолы (смесей смол), которые существенно влияют на свойства диэлектрика. Для примера возьмем всем хорошо известный стеклотекстолит DURAVER-E-Cu компании ISOLA: quality 104, quality 104 KF и quality 104 TS. В первых двух модификациях в качестве отвердителя используется дициандиамид, а в модификации 104 TS — фенольный отвердитель. В результате в пределах одной марки по стандарту IPC 4101C/21 производитель получил материалы с разными свойствами. Так, с применением фенольного отвердителя стеклотекстолит приобрел стойкость к воздействию повышенных температур. Такое же свойство приобретают материалы, именуемые «зелеными», то есть не содержащие галогенов.

Подводя итог изложенному материалу, кратко сформулируем, на что нужно обращать особенное внимание при выборе фольгированного диэлектрика и работе с ним:

  1. Чем выше температура деламинации, тем меньше вероятность влияния механообработки на металлизацию отверстий. При высоком значении деламинации появляется запас прочности материала при всех термических операциях.
  2. Для новых разработок аппаратуры выбирайте стеклотекстолит с высоким значением Tg, это существенно отодвинет момент резкого расширения ПП при производстве.
  3. Строго следуйте рекомендациям изготовителя фольгированного диэлектрика по сушке материала, особенно перед технологическими операциями, связанными с действием высоких температур. Не «имитируйте» сушку слоев или заготовок при температуре ниже +100 °C.
  4. При выборе материалов для изготовления ПП нужно отдавать предпочтение материалам, в составе которых используется отвердитель novolac (фенольный), но обязательно уточняйте адгезию медной фольги к диэлектрику.
  5. Следите за термопрофилем при монтаже компонентов, особенно для печей с ИК-нагревом, поскольку поглощение лучистой энергии осуществляется самим диэлектриком, а медные полигоны значительную часть энергии отражают. В таких ситуациях важную роль играет предварительный нагрев, который значительно уменьшает градиенты температур.
  6. Наличие фенольного отвердителя — верный признак малого коэффициента термического расширения.
  7. При использовании базового материала с фенольным отвердителем нужно помнить, что перманганатная обработка действует слабее на диэлектрик, и поэтому, возможно, потребуется коррекция этой операции.
  8. Фольгированные диэлектрики, не содержащие галогенов (green) даже в пределах одного значения температуры стеклования, имеют преимущества в физических свойствах по отношению к материалам с аминовыми отвердителями (стойкость к термоудару, более низкое значение ТКР, меньшее значение влагопоглощения). Но такие «зеленые» диэлектрики дороже.
  9. Использование препрегов, не содержащих аминовые отвердители, несколько упрощает технологический процесс прессования за счет отсутствия кристаллизации отвердителя вследствие неправильного хранения и образования микропустот в момент гелеобразования.
  10. Диэлектрики с одинаковыми значениями температуры стеклования, имеющие в составе смолы наполнитель, превосходят своих «конкурентов» по ТКР, но немного быстрее притупляют режущий инструмент.

Литература

  1. Печатные платы. Справочник в двух кн. Кн. 1. Под ред. К. Ф. Кумбза, перевод с англ. под ред. А. М. Медведева. М.: Техносфера, 2011.
  2. Новокрещенов С. Выбор режущего инструмента // Технологии в электронной промышленности. 2005. № 1.
  3. Ротшильд У., Кужински Д. Ламинаты и бессвинцовая пайка // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. 2008. № 2.
  4. www.iteq.com.tw
  5. Медведев А., Сержантов А. Сушка печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 1.
  6. www.hitachi-chem.co.jp/english
  7. www.npc.com.tw
  8. www.kblaminates.com
  9. www.tehnoten.ru
  10. www.isola-group.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *