Выпуск #4/2011
А.Медведев, В.Можаров
Размерная стабильность слоев прецизионных многослойных печатных плат
Размерная стабильность слоев прецизионных многослойных печатных плат
Просмотры: 3019
По мере увеличения плотности компоновки и интеграции электронных компонентов растут требования к плотности межсоединений. Чтобы ее увеличить, увеличивают число слоев в многослойных печатных платах (МПП) и плотность трасс проводников за счет уменьшения ширины проводников и размеров контактных площадок и металлизированных отверстий. При этом самая трудно решаемая проблема – уменьшение размеров элементов межсоединений в трехмерных структурах МПП, так как для этого нужно не только обеспечить микронную точность позиционирования технологического оборудования, но и, что особенно важно, обеспечить размерную стабильность материалов слоев так, чтобы контактные площадки слоев не сдвигались на операциях обработки и прессования МПП. Поэтому размерная стабильность материалов МПП является одним из наиболее важных вопросов в системе совмещения пространственных структур межсоединений.
Доля линейной деформации слоев в совмещении элементов печатных плат. На суммарную погрешность совмещения сквозного отверстия с контактной площадкой внутреннего слоя в многослойной печатной плате (МПП) влияют многие факторы (см. таблицу). Значения в таблице представляют собой среднеквадратические отклонения, полученные на отдельных технологических операциях изготовления МПП. Если сделать предположение, что эти погрешности имеют нормальное распределение и что центры этих распределений сходятся в одной точке, то можно воспользоваться аддитивностью их дисперсии для оценки суммарной погрешности совмещения. Иными словами, квадратный корень из суммы среднеквадратических отклонений на каждом отдельном процессе дает среднеквадратическое отклонение для суммарного процесса совмещения. То есть, чтобы добиться точного попадания высверливаемого отверстия в контактную площадку внутреннего слоя, для отверстия диаметром 0,3 мм площадка должна быть, по крайней мере, диаметром 0,70 мм для материала типа А (0,30+0,345+0,025=0,670 мм). Такая же процедура используется и для расчета размера перфорации в сплошном слое питания для сквозного металлизированного отверстия, которое также надо принимать во внимание при проектировании. Следует заметить, что на такие параметры, как стабильность размеров и положение отверстий, будут существенно влиять тип материала, конструкция платы и сам технологический процесс изготовления. В результате система совмещения будет гораздо сложнее. Приведенные данные показывают степень влияния стабильности размеров материала основания на процесс проектирования и изготовления МПП. Как можно видеть из этого примера, улучшение стабильности материала от среднеквадратического отклонения 0,1725 до 0,1342 мм улучшает возможность суммарного совмещения размера высверленных отверстий от 0,345 до приблизительно 0,27 мм, или более чем на 0,075 мм от требуемого диаметра внутреннего элемента. Увеличение плотности схем неизбежно ведет к уменьшению элементов схем, например внутренних контактных площадок. Это, в свою очередь, требует лучшего совмещения и, как результат, увеличения стабильности размеров материала.
Стандартные методы определения стабильности размеров. Стабильность определяется несколькими методами.
Первый метод. Берется образец фольгированного диэлектрика с реперными знаками или отверстиями в четырех углах. Измерения расстояний между этими реперами в исходном состоянии проводятся после кондиционирования образца. Одна из процедур после кондиционирования включает в себя вытравливание медной фольги, измерение и определение изменения размеров по сравнению с исходными данными.
Второй метод. Образец подвергается воздействию повышенной температуры, обычно его помещают в печь при температуре 150°C на 2 ч. После этого снова проводятся измерения и сравнение с исходными данными.
Третий метод – вытравливание медной фольги, измерение, нагрев в печи и повторные измерения. Каждый из этих методов может быть использован в качестве средства управления технологическим процессом при изготовлении диэлектрика.
Однако эти методы испытаний имеют ограниченное применение в производстве печатных плат, где вытравленные слои перемежаются листами пропитанной стеклоткани и спрессовываются вместе при определенной температуре и давлении для формирования многослойной платы. Поэтому для производителей печатных плат и для проектировщиков, желающих увеличить плотность компоновки элементов на печатных платах, более важными являются предсказуемость и повторяемость деформаций материала в процессе производства печатных плат при всем разнообразии топологий и структур слоев многослойных конструкций. Прессование многослойных конструкций выполняется при температурах 185°C и выше, т.е. обычно превышающих температуру стеклования (Тg) базового материала. Выше температуры Tg смола размягчается, что позволяет не только высвободить напряжения в материал, но и подвергнуть его нагрузкам потока смолы и давления, используемого при изготовлении МПП (рис.1). В основном деформации материала слоев в процессе изготовления печатных плат происходят именно во время цикла прессования многослойной конструкции.
Факторы, влияющие на размерную стабильность базового материала, и методы ее улучшения. Методы улучшения стабильности можно разделить на две группы: применяемые при изготовлении материала и при изготовлении МПП.
При производстве базового материала конечная стабильность размеров зависит от множества факторов, которые закладывает производитель:
типа армирующего наполнителя;
типа связующего наполнителя;
комбинации связующего и армирующего наполнителей;
количества слоев в композитном материале;
режимов прессования материала.
В производстве МПП возможны следующие способы управления размерной стабильностью:
термостабилизация заготовок;
немеханические способы развития поверхности фольги;
заполнение пустот на слоях медью;
подбор режимов прессования;
армирование наполнителями из композиционных материалов.
Армирование. Существует множество армирующих наполнителей. Основные из них – это целлюлозная бумага, стеклоткань, кварцевая ткань, стеклянный шпон, арамидные волокна и огромное множество простых наполнителей.
Бумага из целлюлозы, получаемая в отечественном производстве из лиственных и хвойных пород деревьев, а за рубежом – из рисовой соломки, обладает очень низкой размерной стабильностью и имеет склонность к сильному поглощению влаги, что делает материалы из нее непригодными для использования при производстве ПП с высокой плотностью межсоединений.
Из стеклянных нитей получают стеклянную пряжу, скрученную из отдельных волокон. Из пряжи ткут стеклянные ткани с различным видом плетения: полотняное, сатиновое, саржевое (рис.2) и др. Наиболее распространена стеклоткань с полотняным плетением. Преимуществами стеклоткани является высокая теплостойкость, значительная механическая прочность, относительно низкая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Можно также утверждать, что чем рыхлее переплетение, тем меньше остаточных напряжений в диэлектрическом основании. Из-за змеевидной геометрии пряжи в стекловолокне она может вести себя как пружина при использовании ее в качестве армирования базового материала. Во время процесса обработки смолы и при выполнении операции прессования материала стеклоткань подвергается воздействию напряжений, которые могут накапливаться в материале по мере отверждения смолы. Эти напряжения могут высвободиться в процессе изготовления платы на этапах травления слоев или прессования пакета МПП, вызывая изменения размеров слоев.
Нетканые материалы (стеклянный шпон или стеклянная бумага) могут избежать этих напряжений. В нетканых материалах короткие, случайным образом ориентированные волокна, обрабатываются вместе с полимерной системой. Прямые нити стекловолокна укладываются равномерно по диагонали друг относительно друга, что может противостоять последующим напряжениям.
Арамид – ароматический полиамид – аморфный полимер линейного строения, обладающий высокой прочностью в нитях, лентах и пленках. Для арамида характерны высокие температуры размягчения, достаточно высокая (до 220°С) температура длительной эксплуатации, повышенная радиационная и химическая стойкость, низкая плотность и отрицательный коэффициент линейного расширения вдоль волокон. В смеси со смолами композиция может иметь нулевой коэффициент линейного расширения.
Простые наполнители – это тонко измельченные материалы, которые добавляются в связующее для изменения его свойств. В ряду таких наполнителей в основном неорганические материалы – от каолина до стеклянных сфер. Известно также, что ряд наполнителей уменьшают коэффициент линейного расширения, и тем самым улучшают надежность плат.
Связующие. Существует множество различных типов связующих, используемых при изготовлении композитных материалов. Большинство из них – это полимеры – органические вещества с большими молекулами, содержащими иногда многие тысячи атомов. По химической природе многие из искусственных высокомолекулярных структур представляют собой вещества, молекулы которых получаются при соединении друг с другом большого числа молекул более простых по составу веществ, так называемых мономеров. Реакция образования полимеров из мономеров носит общее название полимеризации.
Высокомолекулярные соединения – линейные или пространственные полимеры – при всем разнообразии происхождения и свойств характеризуются сходным строением и некоторыми общими физическими свойствами и получили название синтетических смол.
С точки зрения стабильности размеров, эпоксидные смолы имеют уникально малую усадку – 0,2–0,5% и, как следствие, минимальные внутренние напряжения. Для сравнения: усадка полиэфирмалеинатов достигает 15%, полиэфирных смол – от 7 до 15%, для фенолоформальдегидной композиции – от 1% и выше, а для полиимида – 17%. Уникально малая усадка и хорошие физико-механические свойства эпоксидных смол предопределили их массовое применение в производстве фольгированных диэлектриков для печатных плат, композиционных материалов, масок и клеев.
Стеклоткань и ее пропитка связующим. Одна и та же толщина диэлектрика может быть получена многочисленными комбинациями стеклоткани и содержания смолы. Конструкции с относительно низким содержанием смолы часто более предпочтительны, поскольку они дают меньшее расширение по оси Z и поэтому могут улучшить надежность трансверсальных межсоединений. Кроме того, низкое содержание смолы может также улучшить размерную стабильность, стойкость к короблению, а также дает возможность управлять толщиной диэлектрика. Вместе с тем конструкции с высоким содержанием смолы приводят к низким значениям диэлектрической проницаемости, что иногда очень важно. Кроме того, ограничение минимального содержания смолы необходимо для обеспечения адекватной пропитки смолой стеклоткани, чтобы предотвратить образование пустот внутри МПП. Способность стеклянных нитей к полной пропитке смолой очень важна для сопротивляемости электромиграции (CAF – Conductive Anodic Filament по IPC 4101B). Для каждого типа стекловолокна существует оптимальное содержание смолы, при котором достигается баланс различных требований к рабочим характеристикам.
Сравнение однослойных и многослойных диэлектрических структур. При толщине диэлектрика меньше 0,1 мм обычно нет выбора, кроме как использовать однослойную стеклоткань для обеспечения требуемой толщины. В том случае, когда толщина диэлектрика составляет 0,1–0,2 мм, существуют варианты использования однослойной и многослойной структур. Если толщина диэлектрика должна быть больше 0,2 мм, то для получения требуемой толщины используется многослойная стеклоткань. В пределах каждого диапазона толщин существуют комбинации использования многослойной ткани и удельного содержания смолы, которые могут обеспечить требуемую толщину диэлектрика. Выбор той или иной многослойной конструкции может существенно повлиять как на стоимость, так и на рабочие характеристики. Выбор однослойной структуры вопреки многослойной при доступности этого варианта не является исключением.
Как и следовало ожидать, однослойная структура обычно дает возможность снизить затраты по сравнению с многослойной. Величина этой экономии будет зависеть от конкретного типа используемого стекла и стоимости других материалов. Рабочие характеристики также необходимо принимать во внимание при определении используемой конструкции. Прежде всего однослойные конструкции обычно имеют меньшее содержание смолы. Другим основным преимуществом однослойных конструкций (после удельного содержания смолы) является контроль толщины диэлектрика. При прочих равных условиях, как и в случае содержания смолы, за счет использования однослойной конструкции могут быть обеспечены меньшие допуски по толщине, поскольку вариаций толщины одного слоя предварительно пропитанного стекловолокна будет статистически меньше, чем в случае нескольких слоев. Тем не менее, если речь идет о размерной стабильности, однослойные конструкции менее устойчивы, чем многослойные.
Влияние процессов изготовления диэлектриков. В процессе изготовления композиционных материалов производители не имеют возможности доводить связующее до полной полимеризации – для этого требуется гораздо больше времени нагрева, чем это позволяют условия массового производства. Вместо этого многие производители слоистых материалов уменьшают давление при его прессовании в определенной точке цикла прессования, что уменьшает нагрузки, деформирующие тонкие слои материалов.
Новые технологические методы изготовления материалов тонких слоев могут также улучшить стабильность размеров. Равномерный температурный профиль по всему прессуемому пакету материала позволяет применять низкое давление при прессовании. Оптимизация этих параметров может привести к улучшению однородности в стабильности размеров.
Контроль других процессов, используемых при изготовлении материалов, также очень важен для стабильности размеров. Контроль сырья, особенно стеклоткани, натяжения в ткани в процессе ее пропитки, повышения температуры и давления при прессовании материала, а также методика сложения слоев при изготовлении слоистого материала также могут оказывать существенное влияние на стабильность размеров. Согласованность этих параметров обычно улучшает эффективность процесса изготовления печатных схем.
Термостабилизация. При изготовлении фольгированных диэлектриков процесс полимеризации связующего основания никогда не доводят до конца, так как этот процесс длительный, существенно сказывающийся на объеме выхода продукции. Изготовители рассчитывают на то, что при изготовлении печатных плат диэлектрическое основание подвергается дополнительному нагреву и поэтому процесс полимеризации продолжится. Однако этот процесс не будет целенаправленным и однородным. Поэтому для получения однозначно стабильных результатов его необходимо выполнять в однородных условиях, поскольку при полимеризации происходит усадка (изменение линейных размеров).
Смысл термостабилизации состоит в окончательной полимеризации (отверждение) связующего вещества и частичного удаления летучих (влаги и растворителя) из базового материала. Это делается для улучшения электрических и механических свойств стеклотекстолита.
Степень полимеризации – это число мономерных единиц в молекуле полимера, безразмерная величина, измеряемая в процентах. Количественно ее можно определить, измеряя массу образца до и после удаления мономерных структур. Их удаление производится при помощи аппарата Сокслета (рис.3), в котором пары ацетона, проходя через материал, растворяют имеющиеся в нем мономеры.
Прежде чем поместить образец в аппарат Сокслета, с него стравливают всю медь, сушат в течение 2 ч при температуре 105°С, а затем взвешивают. Потом помещают образец в аппарат Сокслета на полчаса, а затем снова взвешивают. Вычисляют степень полимеризации (Р) следующим образом:
; ,
где m1 – масса образца до прогонки в аппарате Сокслета; m2 – масса образца после прогонки в аппарате Сокслета; mCB – доля массы связующего в образце.
Для каждой марки материала существует своя оптимальная степень полимеризации, так как низкое содержание летучих и слишком сильное отверждение могут приводить к расслоению, понижению теплостойкости и уменьшению прочности базового материала.
По изменению температуры стеклования (Tg) базового материала можно определить достаточность полимеризации. Имеется ряд методов измерения Tg, такие как спектральный анализ, измерение электрических характеристик и методы термодинамического анализа. Наиболее широко используются последние, так как применение первых двух ограничено и дорого. К методам термодинамического анализа относятся:
дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC);
термомеханический анализ (TMA);
динамометрический анализ (DMA).
Более подробное описание этих методов можно найти в IPC-TM-650. Следует проводить как минимум два измерения Tg базового материала. Если значение Tg в первом измерении существенно меньше, чем во втором (Tg1 << Tg2; ΔTg>3°С), это означает, что степень полимеризации недостаточна и требуется термостабилизация. Если же, наоборот, первое измерение Tg значительно превышает второе (Tg1 >> Tg2; ΔTg>5°С), то это может указывать на то, что материал образца приближается к состоянию, характерному для температуры разложения (Td).
Процесс термостабилизации имеет следующие параметры: температура; длительность; давление на заготовку по оси Z; давление воздуха. Обычно температуру устанавливают на 5°С выше указанной в паспорте температуры стеклования Tg. Длительность нахождения материала в печи (или прессе) при температуре (Tg+5)°С составляет 3 ч, с последующим постепенным охлаждением до температуры окружающего воздуха в течение 5–8 ч. Вакуум при процессе термостабилизации желателен, но не является необходимым. Давление по оси Z можно обеспечить в процессе прессования, выставив значение, равное 2 кг/см2, но также можно обеспечить достаточное давление (обусловленное расширение самого материала), собрав конструкцию, представленную на рис.4.
Обработка фольги. Фольга с заранее обработанной поверхностью обычно дает возможность исключить процедуру создания шероховатостей при формировании рисунка схем на внутренних слоях. Создание шероховатостей поверхности обычно достигается путем механической зачистки (крацевание), которое может вытянуть или искривить тонкие материалы. Бóльшая часть деформаций, вносимых этим процессом, относится к упругим, так что слоистые материалы обычно возвращаются к своим первоначальным размерам. Но этому процессу возвращения требуется некоторое время для релаксации. Если рисунок наносится до момента, когда материал полностью восстановит свой размер после механической зачистки, то может произойти некоторое смещение рисунка после его нанесения. Кроме того, изменение самой процедуры механической зачистки со временем может привести к изменениям деформаций от партии к партии, что неблагоприятно повлияет на возможности совмещения. Фольга RTF, которая дает возможность отказаться от этих механических процедур создания микрошероховатостей благодаря усиленной адгезии фоторезиста к матовой стороне фольги, может способствовать улучшению точности совмещения.
Заполнение пустот на слоях медными полигонами. При проектировании сигнальных слоев зачастую разработчики не заполняют пустоты, остающиеся между проводниками, медью (рис.5). При производстве двусторонних или низкопрецизионных МПП это оправдывает себя, так как снижает конечную массу печатной платы. Но при проектировании МПП, начиная с 5 класса точности, незаполненное медью пространство может вносить серьезную погрешность при совмещении межслойных соединений, особенно на тонких основаниях. Медь, по сути, армирует тонкое основание, снижая коробление слоя и не давая высвободиться всем внутренним напряжениям материала на этапе травления.
Прессование композиционных материалов. Основная часть изменений размеров материала происходит во время цикла прессования, когда температура превышает Tg смолы материала. Выше температуры Тg смола в материале размягчается и поток смолы создает напряжения, накапливаемые в армирующем материале, которые впоследствии высвобождаются в виде деформаций.
Понимание реологии (наука, изучающая деформации и текучесть вещества) смолы в препреге имеет большое значение при проектировании процесса изготовления материала. Температура, при которой смола начинает плавиться, и температура, при которой она начинает твердеть, а также связь между нагревом и вязкостью смолы очень важны. Что касается вязкости, то значение имеет не только достигаемая минимальная вязкость, но и время, в течение которого у смолы вязкость будет ниже определенного уровня, что позволяет смоле течь и заполнять внутренние элементы профиля печатных проводников. Понимание этих факторов дает возможность проектировать циклы "сжатия" или циклы "размягчения", т.е. устанавливать соответствующим образом профили давления и температуры, чтобы улучшить получаемые характеристики, включая стабильность размеров.
Кроме того, можно использовать смолу, которая твердеет при температуре ниже Tg, в материале препрега, однако на практике это используется редко. Хотя иногда это помогает избежать плавления смолы в материале и тем самым предотвратить большую часть смещения. Противодействие использованию этой методики обычно возникает из-за желания иметь одинаковую систему полимера в пределах всей многослойной печатной платы.
* * *
В заключение можно сказать, что зачастую производители ПП доверяются производителю базового материала, исключая из процесса производства операции по улучшению геометрической стабильности, так как они затратны и не дают ощутимого прироста выхода годной продукции при производстве ПП низкого класса точности. Однако применительно к требованиям межсоединений современной элементной базы и производитель базового материала, и производитель ПП обязаны использовать весь набор методов по улучшению размерной стабильности, чтобы обеспечить возможность совмещения элементов межсоединений в платах высокого класса точности.
Литература
Медведев А. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера, 2005.
Печатные платы: Справочник. В 2-х книгах. / Под ред. К.Ф.Кумбза. – М.: Техносфера, 2011.
Материаловедение: швейное производство: Учеб. пособие для нач. проф. образования / Жихарев А.П., Румянцева Г.П., Кирсанова Е.А. – М.: Издательский центр "Академия", 2005.
Новокрещенов С. Коробление многослойных печатных плат. – Электронные компоненты, 2004, № 2.
Шалун Г.Б., Сурженко Е.М. Слоистые пластики. – Л.: Химия, 1978.
Первый метод. Берется образец фольгированного диэлектрика с реперными знаками или отверстиями в четырех углах. Измерения расстояний между этими реперами в исходном состоянии проводятся после кондиционирования образца. Одна из процедур после кондиционирования включает в себя вытравливание медной фольги, измерение и определение изменения размеров по сравнению с исходными данными.
Второй метод. Образец подвергается воздействию повышенной температуры, обычно его помещают в печь при температуре 150°C на 2 ч. После этого снова проводятся измерения и сравнение с исходными данными.
Третий метод – вытравливание медной фольги, измерение, нагрев в печи и повторные измерения. Каждый из этих методов может быть использован в качестве средства управления технологическим процессом при изготовлении диэлектрика.
Однако эти методы испытаний имеют ограниченное применение в производстве печатных плат, где вытравленные слои перемежаются листами пропитанной стеклоткани и спрессовываются вместе при определенной температуре и давлении для формирования многослойной платы. Поэтому для производителей печатных плат и для проектировщиков, желающих увеличить плотность компоновки элементов на печатных платах, более важными являются предсказуемость и повторяемость деформаций материала в процессе производства печатных плат при всем разнообразии топологий и структур слоев многослойных конструкций. Прессование многослойных конструкций выполняется при температурах 185°C и выше, т.е. обычно превышающих температуру стеклования (Тg) базового материала. Выше температуры Tg смола размягчается, что позволяет не только высвободить напряжения в материал, но и подвергнуть его нагрузкам потока смолы и давления, используемого при изготовлении МПП (рис.1). В основном деформации материала слоев в процессе изготовления печатных плат происходят именно во время цикла прессования многослойной конструкции.
Факторы, влияющие на размерную стабильность базового материала, и методы ее улучшения. Методы улучшения стабильности можно разделить на две группы: применяемые при изготовлении материала и при изготовлении МПП.
При производстве базового материала конечная стабильность размеров зависит от множества факторов, которые закладывает производитель:
типа армирующего наполнителя;
типа связующего наполнителя;
комбинации связующего и армирующего наполнителей;
количества слоев в композитном материале;
режимов прессования материала.
В производстве МПП возможны следующие способы управления размерной стабильностью:
термостабилизация заготовок;
немеханические способы развития поверхности фольги;
заполнение пустот на слоях медью;
подбор режимов прессования;
армирование наполнителями из композиционных материалов.
Армирование. Существует множество армирующих наполнителей. Основные из них – это целлюлозная бумага, стеклоткань, кварцевая ткань, стеклянный шпон, арамидные волокна и огромное множество простых наполнителей.
Бумага из целлюлозы, получаемая в отечественном производстве из лиственных и хвойных пород деревьев, а за рубежом – из рисовой соломки, обладает очень низкой размерной стабильностью и имеет склонность к сильному поглощению влаги, что делает материалы из нее непригодными для использования при производстве ПП с высокой плотностью межсоединений.
Из стеклянных нитей получают стеклянную пряжу, скрученную из отдельных волокон. Из пряжи ткут стеклянные ткани с различным видом плетения: полотняное, сатиновое, саржевое (рис.2) и др. Наиболее распространена стеклоткань с полотняным плетением. Преимуществами стеклоткани является высокая теплостойкость, значительная механическая прочность, относительно низкая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Можно также утверждать, что чем рыхлее переплетение, тем меньше остаточных напряжений в диэлектрическом основании. Из-за змеевидной геометрии пряжи в стекловолокне она может вести себя как пружина при использовании ее в качестве армирования базового материала. Во время процесса обработки смолы и при выполнении операции прессования материала стеклоткань подвергается воздействию напряжений, которые могут накапливаться в материале по мере отверждения смолы. Эти напряжения могут высвободиться в процессе изготовления платы на этапах травления слоев или прессования пакета МПП, вызывая изменения размеров слоев.
Нетканые материалы (стеклянный шпон или стеклянная бумага) могут избежать этих напряжений. В нетканых материалах короткие, случайным образом ориентированные волокна, обрабатываются вместе с полимерной системой. Прямые нити стекловолокна укладываются равномерно по диагонали друг относительно друга, что может противостоять последующим напряжениям.
Арамид – ароматический полиамид – аморфный полимер линейного строения, обладающий высокой прочностью в нитях, лентах и пленках. Для арамида характерны высокие температуры размягчения, достаточно высокая (до 220°С) температура длительной эксплуатации, повышенная радиационная и химическая стойкость, низкая плотность и отрицательный коэффициент линейного расширения вдоль волокон. В смеси со смолами композиция может иметь нулевой коэффициент линейного расширения.
Простые наполнители – это тонко измельченные материалы, которые добавляются в связующее для изменения его свойств. В ряду таких наполнителей в основном неорганические материалы – от каолина до стеклянных сфер. Известно также, что ряд наполнителей уменьшают коэффициент линейного расширения, и тем самым улучшают надежность плат.
Связующие. Существует множество различных типов связующих, используемых при изготовлении композитных материалов. Большинство из них – это полимеры – органические вещества с большими молекулами, содержащими иногда многие тысячи атомов. По химической природе многие из искусственных высокомолекулярных структур представляют собой вещества, молекулы которых получаются при соединении друг с другом большого числа молекул более простых по составу веществ, так называемых мономеров. Реакция образования полимеров из мономеров носит общее название полимеризации.
Высокомолекулярные соединения – линейные или пространственные полимеры – при всем разнообразии происхождения и свойств характеризуются сходным строением и некоторыми общими физическими свойствами и получили название синтетических смол.
С точки зрения стабильности размеров, эпоксидные смолы имеют уникально малую усадку – 0,2–0,5% и, как следствие, минимальные внутренние напряжения. Для сравнения: усадка полиэфирмалеинатов достигает 15%, полиэфирных смол – от 7 до 15%, для фенолоформальдегидной композиции – от 1% и выше, а для полиимида – 17%. Уникально малая усадка и хорошие физико-механические свойства эпоксидных смол предопределили их массовое применение в производстве фольгированных диэлектриков для печатных плат, композиционных материалов, масок и клеев.
Стеклоткань и ее пропитка связующим. Одна и та же толщина диэлектрика может быть получена многочисленными комбинациями стеклоткани и содержания смолы. Конструкции с относительно низким содержанием смолы часто более предпочтительны, поскольку они дают меньшее расширение по оси Z и поэтому могут улучшить надежность трансверсальных межсоединений. Кроме того, низкое содержание смолы может также улучшить размерную стабильность, стойкость к короблению, а также дает возможность управлять толщиной диэлектрика. Вместе с тем конструкции с высоким содержанием смолы приводят к низким значениям диэлектрической проницаемости, что иногда очень важно. Кроме того, ограничение минимального содержания смолы необходимо для обеспечения адекватной пропитки смолой стеклоткани, чтобы предотвратить образование пустот внутри МПП. Способность стеклянных нитей к полной пропитке смолой очень важна для сопротивляемости электромиграции (CAF – Conductive Anodic Filament по IPC 4101B). Для каждого типа стекловолокна существует оптимальное содержание смолы, при котором достигается баланс различных требований к рабочим характеристикам.
Сравнение однослойных и многослойных диэлектрических структур. При толщине диэлектрика меньше 0,1 мм обычно нет выбора, кроме как использовать однослойную стеклоткань для обеспечения требуемой толщины. В том случае, когда толщина диэлектрика составляет 0,1–0,2 мм, существуют варианты использования однослойной и многослойной структур. Если толщина диэлектрика должна быть больше 0,2 мм, то для получения требуемой толщины используется многослойная стеклоткань. В пределах каждого диапазона толщин существуют комбинации использования многослойной ткани и удельного содержания смолы, которые могут обеспечить требуемую толщину диэлектрика. Выбор той или иной многослойной конструкции может существенно повлиять как на стоимость, так и на рабочие характеристики. Выбор однослойной структуры вопреки многослойной при доступности этого варианта не является исключением.
Как и следовало ожидать, однослойная структура обычно дает возможность снизить затраты по сравнению с многослойной. Величина этой экономии будет зависеть от конкретного типа используемого стекла и стоимости других материалов. Рабочие характеристики также необходимо принимать во внимание при определении используемой конструкции. Прежде всего однослойные конструкции обычно имеют меньшее содержание смолы. Другим основным преимуществом однослойных конструкций (после удельного содержания смолы) является контроль толщины диэлектрика. При прочих равных условиях, как и в случае содержания смолы, за счет использования однослойной конструкции могут быть обеспечены меньшие допуски по толщине, поскольку вариаций толщины одного слоя предварительно пропитанного стекловолокна будет статистически меньше, чем в случае нескольких слоев. Тем не менее, если речь идет о размерной стабильности, однослойные конструкции менее устойчивы, чем многослойные.
Влияние процессов изготовления диэлектриков. В процессе изготовления композиционных материалов производители не имеют возможности доводить связующее до полной полимеризации – для этого требуется гораздо больше времени нагрева, чем это позволяют условия массового производства. Вместо этого многие производители слоистых материалов уменьшают давление при его прессовании в определенной точке цикла прессования, что уменьшает нагрузки, деформирующие тонкие слои материалов.
Новые технологические методы изготовления материалов тонких слоев могут также улучшить стабильность размеров. Равномерный температурный профиль по всему прессуемому пакету материала позволяет применять низкое давление при прессовании. Оптимизация этих параметров может привести к улучшению однородности в стабильности размеров.
Контроль других процессов, используемых при изготовлении материалов, также очень важен для стабильности размеров. Контроль сырья, особенно стеклоткани, натяжения в ткани в процессе ее пропитки, повышения температуры и давления при прессовании материала, а также методика сложения слоев при изготовлении слоистого материала также могут оказывать существенное влияние на стабильность размеров. Согласованность этих параметров обычно улучшает эффективность процесса изготовления печатных схем.
Термостабилизация. При изготовлении фольгированных диэлектриков процесс полимеризации связующего основания никогда не доводят до конца, так как этот процесс длительный, существенно сказывающийся на объеме выхода продукции. Изготовители рассчитывают на то, что при изготовлении печатных плат диэлектрическое основание подвергается дополнительному нагреву и поэтому процесс полимеризации продолжится. Однако этот процесс не будет целенаправленным и однородным. Поэтому для получения однозначно стабильных результатов его необходимо выполнять в однородных условиях, поскольку при полимеризации происходит усадка (изменение линейных размеров).
Смысл термостабилизации состоит в окончательной полимеризации (отверждение) связующего вещества и частичного удаления летучих (влаги и растворителя) из базового материала. Это делается для улучшения электрических и механических свойств стеклотекстолита.
Степень полимеризации – это число мономерных единиц в молекуле полимера, безразмерная величина, измеряемая в процентах. Количественно ее можно определить, измеряя массу образца до и после удаления мономерных структур. Их удаление производится при помощи аппарата Сокслета (рис.3), в котором пары ацетона, проходя через материал, растворяют имеющиеся в нем мономеры.
Прежде чем поместить образец в аппарат Сокслета, с него стравливают всю медь, сушат в течение 2 ч при температуре 105°С, а затем взвешивают. Потом помещают образец в аппарат Сокслета на полчаса, а затем снова взвешивают. Вычисляют степень полимеризации (Р) следующим образом:
; ,
где m1 – масса образца до прогонки в аппарате Сокслета; m2 – масса образца после прогонки в аппарате Сокслета; mCB – доля массы связующего в образце.
Для каждой марки материала существует своя оптимальная степень полимеризации, так как низкое содержание летучих и слишком сильное отверждение могут приводить к расслоению, понижению теплостойкости и уменьшению прочности базового материала.
По изменению температуры стеклования (Tg) базового материала можно определить достаточность полимеризации. Имеется ряд методов измерения Tg, такие как спектральный анализ, измерение электрических характеристик и методы термодинамического анализа. Наиболее широко используются последние, так как применение первых двух ограничено и дорого. К методам термодинамического анализа относятся:
дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC);
термомеханический анализ (TMA);
динамометрический анализ (DMA).
Более подробное описание этих методов можно найти в IPC-TM-650. Следует проводить как минимум два измерения Tg базового материала. Если значение Tg в первом измерении существенно меньше, чем во втором (Tg1 << Tg2; ΔTg>3°С), это означает, что степень полимеризации недостаточна и требуется термостабилизация. Если же, наоборот, первое измерение Tg значительно превышает второе (Tg1 >> Tg2; ΔTg>5°С), то это может указывать на то, что материал образца приближается к состоянию, характерному для температуры разложения (Td).
Процесс термостабилизации имеет следующие параметры: температура; длительность; давление на заготовку по оси Z; давление воздуха. Обычно температуру устанавливают на 5°С выше указанной в паспорте температуры стеклования Tg. Длительность нахождения материала в печи (или прессе) при температуре (Tg+5)°С составляет 3 ч, с последующим постепенным охлаждением до температуры окружающего воздуха в течение 5–8 ч. Вакуум при процессе термостабилизации желателен, но не является необходимым. Давление по оси Z можно обеспечить в процессе прессования, выставив значение, равное 2 кг/см2, но также можно обеспечить достаточное давление (обусловленное расширение самого материала), собрав конструкцию, представленную на рис.4.
Обработка фольги. Фольга с заранее обработанной поверхностью обычно дает возможность исключить процедуру создания шероховатостей при формировании рисунка схем на внутренних слоях. Создание шероховатостей поверхности обычно достигается путем механической зачистки (крацевание), которое может вытянуть или искривить тонкие материалы. Бóльшая часть деформаций, вносимых этим процессом, относится к упругим, так что слоистые материалы обычно возвращаются к своим первоначальным размерам. Но этому процессу возвращения требуется некоторое время для релаксации. Если рисунок наносится до момента, когда материал полностью восстановит свой размер после механической зачистки, то может произойти некоторое смещение рисунка после его нанесения. Кроме того, изменение самой процедуры механической зачистки со временем может привести к изменениям деформаций от партии к партии, что неблагоприятно повлияет на возможности совмещения. Фольга RTF, которая дает возможность отказаться от этих механических процедур создания микрошероховатостей благодаря усиленной адгезии фоторезиста к матовой стороне фольги, может способствовать улучшению точности совмещения.
Заполнение пустот на слоях медными полигонами. При проектировании сигнальных слоев зачастую разработчики не заполняют пустоты, остающиеся между проводниками, медью (рис.5). При производстве двусторонних или низкопрецизионных МПП это оправдывает себя, так как снижает конечную массу печатной платы. Но при проектировании МПП, начиная с 5 класса точности, незаполненное медью пространство может вносить серьезную погрешность при совмещении межслойных соединений, особенно на тонких основаниях. Медь, по сути, армирует тонкое основание, снижая коробление слоя и не давая высвободиться всем внутренним напряжениям материала на этапе травления.
Прессование композиционных материалов. Основная часть изменений размеров материала происходит во время цикла прессования, когда температура превышает Tg смолы материала. Выше температуры Тg смола в материале размягчается и поток смолы создает напряжения, накапливаемые в армирующем материале, которые впоследствии высвобождаются в виде деформаций.
Понимание реологии (наука, изучающая деформации и текучесть вещества) смолы в препреге имеет большое значение при проектировании процесса изготовления материала. Температура, при которой смола начинает плавиться, и температура, при которой она начинает твердеть, а также связь между нагревом и вязкостью смолы очень важны. Что касается вязкости, то значение имеет не только достигаемая минимальная вязкость, но и время, в течение которого у смолы вязкость будет ниже определенного уровня, что позволяет смоле течь и заполнять внутренние элементы профиля печатных проводников. Понимание этих факторов дает возможность проектировать циклы "сжатия" или циклы "размягчения", т.е. устанавливать соответствующим образом профили давления и температуры, чтобы улучшить получаемые характеристики, включая стабильность размеров.
Кроме того, можно использовать смолу, которая твердеет при температуре ниже Tg, в материале препрега, однако на практике это используется редко. Хотя иногда это помогает избежать плавления смолы в материале и тем самым предотвратить большую часть смещения. Противодействие использованию этой методики обычно возникает из-за желания иметь одинаковую систему полимера в пределах всей многослойной печатной платы.
* * *
В заключение можно сказать, что зачастую производители ПП доверяются производителю базового материала, исключая из процесса производства операции по улучшению геометрической стабильности, так как они затратны и не дают ощутимого прироста выхода годной продукции при производстве ПП низкого класса точности. Однако применительно к требованиям межсоединений современной элементной базы и производитель базового материала, и производитель ПП обязаны использовать весь набор методов по улучшению размерной стабильности, чтобы обеспечить возможность совмещения элементов межсоединений в платах высокого класса точности.
Литература
Медведев А. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера, 2005.
Печатные платы: Справочник. В 2-х книгах. / Под ред. К.Ф.Кумбза. – М.: Техносфера, 2011.
Материаловедение: швейное производство: Учеб. пособие для нач. проф. образования / Жихарев А.П., Румянцева Г.П., Кирсанова Е.А. – М.: Издательский центр "Академия", 2005.
Новокрещенов С. Коробление многослойных печатных плат. – Электронные компоненты, 2004, № 2.
Шалун Г.Б., Сурженко Е.М. Слоистые пластики. – Л.: Химия, 1978.
Отзывы читателей
