Препреги

 Цикл статей: Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. Часть 3.

Полный текст статьи в PDF

Препрег — это изоляционный прокладочный материал, который служит для склеивания заготовок внутренних слоев (ядер) многослойной печатной платы, а также для создания ламинатов (фольгированных с одной или двух сторон диэлектрических оснований), из которых впоследствии изготавливаются ядра МПП.

Препрег является двухкомпонентным  материалом, состоящим из основы и связующего вещества. Существует очень большое количество различных материалов, используемых для изготовления основ препрегов и применяющихся в качестве связующего. Остановимся только на тех материалах, которые наиболее часто используются при изготовлении многослойных печатных плат. Материалы, используемые для изготовления ОПП, ДПП, а также плат специального применения рассматривать не будем.

Основы препрегов. Стеклоткань.

Наиболее распространенным материалом, составляющим основу препрегов различных марок, является стеклоткань, производимая из стеклянных волокон. Стекло в толстом слое представляет собой хрупкий материал, но тонкие стеклянные изделия обладают повышенной гибкостью. Причина – аморфное строение стекла. Тонкие, диаметром 5-10 мкм, стеклянные волокна имеют настолько высокую гибкость, что могут обрабатываться по технологии текстильной промышленности. Такая высокая гибкость объясняется одинаковой взаимной ориентацией молекул стекла вдоль линии стекловолокна. Основным материалом, используемым для изготовления стекол, является оксид кремния SiO₂.

Рис. 12. Схема изготовления стекловокна: 1 – тигель; 2 – стекломасса; 3 – токопроводы; 4 – фильеры; 5 – стеклянные нити; 6 – замасливатель; 7 – раскладчик; 8 – приемный барабан.

Помимо него в качестве оксидов-стеклообразователей могут выступать также B₂O₃, P₂O₅, GeO₂. Кроме того, обязательным компонентом стекол являются оксиды-модификаторы, придающие стеклам особые свойства (CaO, BaO, Na₂O, K₂O), и промежуточные оксиды, улучшающие качество и технологичность стекол (Al₂O₃, TiO_2, ZrO₂, MgO, ZnO). Как правило, в процессе изготовления электротехнических стекол не применяются оксиды щелочных металлов, так как они ухудшают изоляционные качества стекол.

Стекловолокно производится множеством способов. Упрощенная схема самого простого из них показана на рис. 12. Стекломасса плавится в тигле, на дне которого имеются множество отверстий – фильер (на схеме условно показаны только два), диаметром около 1 мм. Расплавленная стекломасса медленно вытекает через фильеры и наматывается на быстро вращающийся барабан. Барабан с очень большой скоростью (порядка 30…40 м/сек) вовлекает не успевшие охладиться нити и вытягивает их в тонкое волокно. Регулируя скорость вращения барабана и температуру стекломассы на выходе из фильер, можно варьировать размер полученного стекловолокна. Для создания стекловолокна применяются обычно алюмосиликатные (S-glass), боросиликатные (D-glass) и алюмоборосиликатные стекла (E-glass). Чистый кварц применяется редко, так как он более тугоплавок и менее технологичен в обработке. Стеклоткани на кварцевой основе применяются в наиболее сложных и ответственных МПП. Такие стеклоткани имеют наилучшие электротехнические свойства – высокую механическую и электрическую прочность, малые потери и хорошую теплостойкость. Состав разных типов стекол показан в таблице 1.
 

Стеклянную пряжу, полученную из скрученных волокон, используют при изготовлении стеклоткани. Для этого применяется обычное ткацкое оборудование. Стеклоткани могут иметь различные виды переплетения. В большинстве случаев используется обычное (полотняное) переплетение нитей. Внешний вид такого переплетения показан на рис. 13. При таком переплетении нити основы стеклоткани и нити утка переплетаются равномерно, крест-накрест, через одну. Для основы стеклоткани применяется пряжа более высокого качества: эти нити сильнее скручены, так как в процессе создания полотна стеклоткани они подвергаются большим механическим нагрузкам и износу. Для утка применяется слабо скрученная пряжа, как правило, чуть меньшей толщины. Это облегчает ткацкие процессы, но, как следствие, стеклоткань становится не однородной по своим свойствам в ортогональных направлениях. В направлении основы стеклоткань более прочная. Отверженные препреги и ламинаты на их основе в этом направлении имеют меньший коэффициент линейного расширения, чем в направлении утка.

Рис. 13а. Внешний вид стеклоткани типа 1080

Рис. 13б.Внешний вид стеклоткани типа 2116

Рис. 13в. Внешний вид стеклоткани типа 7628

Помимо полотняного переплетения, имеющего наилучшие механические свойства, при создании стеклотканей применяются также саржевые и атласные типы переплетения стекловолокна. В отличие от полотняного типа, саржевое переплетение образовано переплетением уточной пряжи через 2-3 нити основы, а атласное – через пять нитей [11]. При таких способах переплетения нитей улучшаются поверхностные свойства материала, волокна стеклоткани образуют меньше пучностей, а нити утка более однородно расположены в плоскости ткани. Стеклоткани с таким способом переплетения волокна находят применение в создании тонких препрегов и ламинатов на их основе, используемых в производстве сложных МПП, в первую очередь, имеющих особые требования по контролю импедансов линий передачи. Еще одна область применения сатинового и атласного переплетения волокон – создание специальных стеклотканей, пригодных для формирования слепых переходных микроотверстий с помощью лазера в HDI структурах. Для примера на рис. 14 показаны два типа стеклоткани. Слева – стандартное волокно, выполненное традиционным переплетением, а справа – выполненное атласным переплетением. Как видно, структура стеклоткани более однородна, практически отсутствуют пропуски между нитями утка, что очень благотворно сказывается на качестве выполнения микроотверстий.

Рис. 14а. Стеклоткани типа 1080, с полотняным переплетением нитей.

Рис. 14б. Стеклоткани типа 1078 с атласным переплетением нитей.

Некоторые базовые параметры наиболее часто используемых в производстве стеклотканей сведены в таблицу 2 [12].

Следует иметь в виду, что разные производители материалов могут декларировать несколько отличные (от указанных в таблице) значения параметров ткани. Это происходит из-за использования различного оборудования и исходных материалов, а также применения собственных патентованных ноу-хау в техпроцессе изготовления стеклотканей. По этой причине при проектировании стека сложной МПП всегда необходимо уточнять параметры стекловолокна по информационным листам (даташитам) производителей.

Связующие вещества препрегов и ламинатов.Эпоксидная смола

В качестве связующего вещества препрегов применяются полимеры различных типов. Для высокотемпературных диэлектриков применяются полиимиды – высокомолекулярные полимеры на основе производных тетракарбоновых кислот. Нагревостойкость изделий, выполненных из полиимидов, очень высока, они способны работать при температурах 500°С, а деструкция таких материалов происходит при температурах более 800°С. Кроме высокой нагревостойкости, полиимиды обладают также исключительной морозостойкостью. Механические и электрические свойства изделий из полиимидов практически не изменяются даже при криогенных температурах. Для изготовления базовых материалов плат высокочастотных и быстродействующих устройств нередко применяются разного рода полиэфирные смолы. Хорошие термические свойства (рабочая температура цианатных полиэфиров достигает 250°С) сочетаются с великолепной стабильностью электрических свойств материалов: низкими потерями в диэлектрике, высокой механической и электрической прочностью. Единственный недостаток полиимидов и полиэфиров – очень высокая стоимость таких материалов. По этой же причине диэлектрики на их основе находят применение лишь в военной и космической технике, редко — в медицине и оборудовании специальной связи.

Широкое применение для создания препрегов нашли эпоксидные смолы разного состава и композиции на их основе. Это наиболее массово применяемый материал при производстве препрегов и ламинатов для многослойных плат. Такое широкое распространение эпоксидные смолы получили благодаря относительно невысокой стоимости и очень малой усадке в процессе полимеризации. Малая усадка связана с тем обстоятельством, что эпоксидные смолы в процессе полимеризации не выделяют побочных продуктов. Для сравнения: усадка эпоксидных смол находится в пределах 0,2…0,5%, а полиэфирных смол – 7…15% (в зависимости от композиции), полиимидов – 17%.
Эпоксидная смола при отверждении проходит три стадии [1]:

• Стадия А – исходные продукты полимеризации смешаны и готовы вступить в реакцию при нагреве. Без нагрева реакция тоже идет, но очень медленно. Как правило, смесь растворена в растворителях, замедляющих взаимодействие исходных продуктов. Именно в таком состоянии смолы хранятся. На этой стадии происходит пропитка смолой основы препрега.
• Стадия В – из исходной смеси удалены растворители, продукты вступили в реакцию полимеризации, но она находится только в начальной стадии. В этой стадии ингредиенты смолы способны растворяться, плавиться, формироваться. Без растворителя они представляют собой сухие продукты, не слипаются и могут достаточно долгое время храниться и транспортироваться при надлежащих условиях. Именно в этой стадии препреги используются как составляющая часть при производстве МПП. Для полного завершения полимеризации смол их необходимо нагреть до определенной температуры, называемой температурой гелеобразования.
• Стадия С – реакции полимеризации завершены, и смола более не способна плавиться и растворяться в растворителях, при нормальных температурах это твердое, монолитное стеклообразное вещество, не способное изменять форму. На этой стадии смола находится в составе уже готовой платы.

При нагреве выше определенной температуры, называемой температурой стеклования (обозначается как Tg), полимеризованная смола переходит в вязкотекучее состояние. В этом состоянии у макромолекул смолы (за счет увеличения межмолекулярного расстояния и повышения их подвижности) появляется возможность ограниченного перемещения одной относительно другой. При этом коэффициент линейного расширения эпоксидных смол возрастает. По этой же причине при нагреве МПП (например, при монтаже или нештатных эксплуатационных тепловых режимах, выше температуры стеклования смолы) возможно возникновение дефектов в структуре платы. В первую очередь, это относится к металлизации отверстий: значительное расширение смолы, куда большее, чем расширение меди при нагреве, может привести к разрыву каналов металлизации. При еще большем нагреве (до температуры текучести смолы), вследствие еще большего увеличения межмолекулярных расстояний, происходит потеря связи макромолекул друг с другом. В этом случае текучесть смолы еще больше увеличивается, коэффициент линейного расширения смолы возрастает практически скачкообразно. Плата, при перегреве ее выше температуры текучести смолы, получает значительные деформации. В случае применения сверхплотного дизайна печатного рисунка (с минимальными проектными нормами) возможны смещения проводников в структуре внутренних слоев с уменьшением зазоров между ними, вплоть до смыкания и образования закороток. Поэтому очень важным является правильный выбор смол для изготовления МПП, особенно если их монтаж будет вестись по бессвинцовой технологии с применением тугоплавких припоев.

15. Пространственная формула молекулы тетрафункциональной эпоксидной смолы.

В современных конструкциях многослойных печатных плат наибольшее применение нашли тетрафункциональные и многофункциональные эпоксидные смолы. Пространственная химическая формула тетрафункциональной эпоксидной смолы показана на рис. 15. Эта смола имеет четыре функциональных группы на краях, способных участвовать в создании макромолекул полимера. В отличие от диановых (дифункциональных) эпоксидных смол, имеющих только две функциональные группы (позволяющие создать линейную макромолекулу полимера), макромолекулы тетрафункциональных эпоксидных смол имеют сложную пространственную структуру с высокой молекулярной массой. Это в значительной степени улучшает качество полимера, увеличивает температуру стеклования смолы и температуру текучести, которая резко возрастает при повышении молекулярной массы полимера. Еще более сложная структура многофункциональных смол приводит к еще более сложной пространственной конфигурации и массе макромолекул полимера. Температура текучести  многофункциональных смол практически недостижима при монтаже плат и их нормальной эксплуатации. Как правило, температура стеклования тетрафункциональных эпоксидных смол лежит в пределах 150…165°С, а многофункциональных смол – 170…185°С, в то время как для обычных диановых эпоксидных смол температура стеклования не превышает 140°С. Еще лучшие результаты достигаются при смешивании продуктов полимеризации эпоксидной смолы с полиэфирами и полиимидами, например, с бисмалеидом (BT – Bismaleimide Triazine). Такие композиции обладают хорошими электрическими и термическими свойствами (способны длительное время работать при температурах 150°С), хорошей устойчивостью к химическим средам, высокой температурой стеклования (порядка 180°С). Препреги и ламинаты на основе этих смол способны длительное время выдерживать тепловой стресс – нагрев до температуры 288°С. Такие композиции обычно используются в подложках под BGA-компоненты и для изготовления сверхплотных HDI-плат с очень высокими проектными нормами.

После пропитки стеклоткани эпоксидными смолами образуются годные к применению препреги. Обозначения типов  препрегов ведутся так же, как и обозначения типов стеклотканей, из которых они образованы. Препреги поставляются как в виде листов типовых размеров: 1020х1220 мм (40”х48”), 1070х1220 мм (42”х48”), 1020х1020 мм (40”х40”), 915х1220 мм (36”х48”), 970х1220 мм (38”х48”), так и в виде рулонов шириной 1220 мм (48”) и длиной 114,3 м (125 ярдов). Образующий размер 1220 мм (48”) – является базовым (это базовая ширина полотна стеклоткани вдоль нитей утка полотна).

Свойства некоторых препрегов сведены в таблицу 3 [4].

Под текучестью смолы подразумевается то количество смолы, которое может вытечь в облой во время прессования без ущерба для качества создания межслойного соединения. Время желатенизации (гелеобразования) необходимо смоле для того, чтобы полностью завершились процессы полимеризации. За это время смола полностью переходит из стадии B в стадию С. Как правило, эти параметры достаточно сильно отличаются для разных производителей материалов и даже для разных групп материалов. Например, материалы марки DURAVER®-E-Cu quality 117 имеют время гелеобразования 115 секунд [12], материалы марки S1170/S0701 – 150…160 секунд [13], материалы марки DS-7409 – 100 секунд [14].

Литература:
1. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера. 2005. 304 с.
2. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. – М.: ФОРУМ. 2005. – 560 с.
3. И. Барановский. Современный дизайн и технологии печатных плат: вопрос-ответ. Финишные покрытия плат. Особенности применения. CHIP NEWS Украина, #04 (84), май, 2009.
4. А. Медведев. Технология производства печатных плат. –М.: Техносфера. 2005. –360 с.
5. А.А. Федулова, Ю.А. Устинов, Е.П. Котов и другие. «Технология многослойных печатных плат»: Радио и связь, 1990г.
6. Под научным руководством и редакцией Ф.П. Галецкого. «Конструкция и технология изготовления многослойных печатных плат быстродействующих ЭВМ»: Москва. 1991г.
7. Happy Holden, The HDI Handbook. First Edition, 2009, 631p.
8. Информационные материалы фирмы TACONIC – www.taconic-add.com.
9. Информационные материалы фирмы GOULD Electronics Inc. – www.gould.com
10. РД 50-708-91. Платы печатные. Требования к конструированию.
11. Юденич Г. В., Строение и проектирование тканей, М., 1968.
12. Информационные материалы фирмы Isola Asia Pacific Ltd. – www.isolaAG.com
13. Информационные материалы фирмы Shengyi Sci. Tech Co., Ltd. – www.syst.com.cn
14. Информационные материалы фирмы Doosan Electro-Materials Co., Ltd. – www.dse.co.kr
15. Стандарты Ассоциации электронной промышленности IPC-4101 – IPC-4124.