Ламинаты. Медная фольга, покрытая смолой

 Цикл статей: Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. Часть 4.

Полный текст статьи в PDF

Конструкции ламинатов

Ламинатами называются фольгированные с одной или двух сторон армированные стекловолокном диэлектрики.
Изготавливаются они из одного (для тонкомерных ламинатов) или нескольких слоев препрега, облицованного с двух (реже – с одной) сторон медной фольгой. При прессовании такого пакета материалов, смола препрега полимеризуется и ламинат приобретает законченный вид.
Ламинаты – композитные материалы, они обладают как диэлетрическими, так и проводящими свойствами. Свойства диэлектрического основания ламината во многом определяются свойствами полимеризованной смолы, а проводящие свойства – свойствами медной фольги. Рассмотрим основные параметры конструкций ламинатов, применяемых для производства МПП, и их свойства на примере материалов марки DURAVER®-E-Cu quality 117 фирмы Isola (таблица 4) [12].

Как видно из таблицы, толщины тонкомерных ламинатов полностью определяются толщиной стеклоткани препрегов, лежащих в их основе. Для ламинатов большей толщины, состоящих из нескольких слоев препрега, толщина может варьироваться в зависимости от степени сжатия заготовки при прессовании ламината. Таким образом, при большем сжатии, в облой уходит больше смолы и ламинат будет тоньше. Об этом же свидетельствует и разное содержание смолы в ламинатах разной толщины, но одинаковой конструкции.

Ламинаты поставляются в виде листов стандартных размеров. Размеры эти соответствуют размерам листов препрега, из которого состоит ламинат. Основные размеры листов ламинатов: 1020х1220 мм (40”х48”), 1070х1220 мм (42”х48”), 1020х1020 мм (40”х40”), 915х1220 мм (36”х48”), 970х1220 мм (38”х48”).

Все типы ламинатов, которые используются для изготовления МПП, облицованы фольгой с двух сторон. Фольга имеет стандартную толщину — 18 мкм (1/2 oz) или 35 мкм (1 oz). По запросу можно получить ламинаты и с другой толщиной фольги: 12 мкм (1/3 oz), 50 мкм, 70 мкм (2 oz), или с комбинациями разных толщин. Например, с одной стороны ламинат облицован фольгой 12 мкм для изготовления проводящего рисунка с высокой плотностью, а с другой стороны облицован фольгой 35 мкм для изготовления питающих слоев в виде полигонов.  Обычно количество меди отображается в маркировке листа ламината в массовом эквиваленте. Например, обозначение FR-4 High TG Н/1OZ 0,36±0,038 48X36  S1170 указывает, что это ламинат категории FR-4 (не горюч), марки S1170 фирмы Shengyi, высокотемпературный, с температурой стеклования 170°С, толщиной листа 0,36±0,038 мм, размером листа 36х48 дюймов (915х1220 мм), толщиной меди с одной стороны 18 мкм (на что указывает буква Н, от слова half – половина), а с другой 35 мкм (1 oz) [13]. В обозначении толщины меди могут употребляться также буквы Т (от third – треть унции меди, т.е. 12 мкм толщины) и D (от double – две унции меди, т.е. 70 мкм толщины).

Основные параметры ламинатов

Ламинаты имеют ряд параметров, соблюдение которых жестко регламентируется рядом стандартов, в первую очередь, стандартами IPC-4101…4124 [15].  Эти параметры можно разделить на механические, температурные и электрические. К механическим параметрам относятся: механическая прочность, податливость (способность сохранять постоянную силу сжатия, не обнаруживая текучести или разрушения, сохраняя прочность сборки), плотность, влагостойкость, прочность сцепления фольги с диэлектрическим основанием ламината. К электрическим параметрам относятся: объемная и поверхностная проводимость диэлектрика, электрическая прочность ламината, проницаемость материала, потери в нем. К температурным параметрам относятся: температура стеклования, температура декомпозиции (разрушения структуры макромолекул полимеризованной смолы), коэффициент теплового расширения. Все эти параметры для материалов марки DURAVER®-E-Cu quality 117 фирмы Isola сведены в таблицу 5 [12].

Следует обратить внимание на тот факт, что некоторые параметры ламинатов зависят от ориентации волокон стеклоткани. Прочность на изгиб ламината по основе плетения стеклоткани всегда выше, чем по утку. Это объясняется более высокой плотностью и степенью скрученности волокна нитей основы, применяемых при изготовлении стеклотканей. Особо следует обратить внимание на температурный коэффициент линейного расширения ламинатов. Как и в случае с прочностью, расширение ламината при нагревании больше именно в сторону утка, так как нити утка более податливые и тонкие, чем нити основы. По этой причине при изготовлении печатных плат ламинат и препреги во время закладки в пресс всегда ориентируются нитями основы вдоль длинной стороны платы. Расширение диэлектрика в оси перпендикулярной плоскости полотна стеклоткани всегда более значительно, чем в плоскости. Это происходит потому, что в этой оси стеклоткань является только наполнителем и практически не армирует материал (не сдерживает его расширение). Особенно ярко это явление выражено после достижения диэлектриком температуры стеклования. Подвижность макромолекул смолы увеличивается и происходит интенсивный сдвиг в сторону наименьшего сопротивления – вдоль вертикальной оси. Коэффициент теплового расширения вдоль утка и основы стеклоткани при этом уменьшается. Как видно из таблицы 5, при температурах выше Tg коэффициент теплового расширения ламината вдоль оси Z становится значительно больше, чем для меди – αCu=17•10^-6 мм/мм•°С. Такая большая разница иногда приводит к образованию обрывов каналов металлизированных отверстий. Особенно часто такая ситуация возникает в том случае, если переходные отверстия имеют очень малый диаметр, например 0,20 мм. Это делает невозможным осаждение на их стенках достаточного количества меди, необходимого для обеспечения прочности канала металлизации на разрыв при тепловом расширении платы. Для плат, которые предполагается эксплуатировать при повышенных тепловых нагрузках, а также для HDI-плат, на которые будет вестись монтаж бессвинцовых компонентов, рекомендуется использовать термостабильные материалы. Например, ламинаты и препреги  марки IS420 от фирмы Isola [12] или S1000-2 от фирмы Shengyi [13]. Для подобных материалов применяется сложный состав дифункциональных и многофункциональных эпоксидных смол с неорганическим наполнителем, который несколько ограничивает текучесть смолы. Температурный коэффициент расширения (при температурах выше Tg) таких материалов не превышает 200•10^-6 мм/мм•°С.

Рис. 16. Зависимость диэлектрической проницаемости материалов марки DURAVER®-E-Cu quality 117 от частоты и содержания смолы

Рис. 17. Зависимость диэлектрической проницаемости материалов марки FR408 от частоты и содержания смолы

Еще один важный параметр, который обязательно необходимо учитывать при проектировании сложных стеков печатных плат с контролем импеданса, – диэлектрическая проницаемость ламинатов и препрегов в плате. Следует помнить, что данные, которые указываются производителями в даташитах на материалы, — это, как правило, проницаемость стандартного ламината толщиной 1,60 мм на частоте 1,00 МГц. Диэлектрическая проницаемость на частоте 1,00 МГц чистой смолы составляет 3,40…3,60, а проницаемость стекол – 8,00...10,00, в зависимости от состава стекла. Поэтому результирующая проницаемость композитных стеклоэпоксидных материалов зависит от соотношения массовых долей стеклоткани и эпоксидной смолы, как это показано на рис. 16. Таким образом, проницаемость ламината толщиной 0,075 мм на частоте 1 МГц будет составлять около 4,30, ламината толщиной 0,250 мм – 4,65, а ламината толщиной 0,90 мм – 4,75. Аналогичная ситуация будет и с препрегами в составе МПП. Чем меньше содержание смолы в препреге после прессования платы, тем больше проницаемость такого препрега.

Помимо зависимости диэлектрической проницаемости ламинатов и препрегов от содержания смолы, существует еще и зависимость проницаемости от рабочей частоты сигналов на плате. Из рис. 16 видно, что ламинат толщиной 0,10 мм, содержание смолы в котором составляет 45%, на частоте в 1 МГц будет иметь проницаемость 4,65, при частоте 100 МГц проницаемость составит уже 4,40, а при частоте 500 МГц – 4,30. Такое поведение диэлектриков объясняется сложным составом эпоксидных смол, компоненты которых по-разному ведут себя при повышении частоты. Для сложных плат, требующих контроля импедансов цепей и имеющих цепи которые работают с разными скоростями передачи (тем более аналоговые высокочастотные цепи), применение стандартных материалов типа FR-4 не рекомендуется. Как правило, для изготовления таких плат (а это в основном платы к мобильным телефонам, системам GPS и навигации, обработки цифрового видео и т.п. высокотехнологичным устройствам), применяются материалы с высокой стабильностью проницаемости. Один из таких материалов – FR408, производства Isola [12]. На рис. 17 показана зависимость проницаемости этого материала от количества смолы и от рабочей частоты. Высокая частотная стабильность этого материала объясняется применением только многофункциональной эпоксидной смолы строго определенного состава и определенной степени полимеризации макромолекул. В составе смол не применяются никакие наполнители, кроме стекловолокна, к которому также предъявляются определенные требования по чистоте и качеству пряжи.

Медная фольга, покрытая смолой

Еще один базовый материал, широко используемый при конструировании плат HDI, который называется RCC (Resin Coated Copper Foil), — медная фольга, покрытая смолой. Основное отличие RCC от ламинатов –  отсутствие стеклоткани. RCC изготавливается из тонкомерной фольги, покрытой двумя слоями эпоксидной смолы. Первый слой, расположенный непосредственно возле фольги, представляет собой полностью полимеризованную смолу, находящуюся в стадии С [16]. Этот слой смолы предотвращает возможность случайного контакта фольги с более глубокими проводящими слоями в процессе прессования платы. Следующий слой – смола, находящаяся в стадии В. Именно этот слой участвует в процессе прессования и служит для соединения слоев. В стандартной конфигурации могут использоваться  три типа фольги: толщиной 18 мкм (1/2 oz), толщиной 12 мкм (3/8 oz) и толщиной 9 мкм (1/4 oz). Толщина слоев смолы всегда одинакова – по 35 мкм каждого слоя. По запросу могут быть изготовлены RCC с нестандартной конфигурацией. Например, с толщиной фольги 5 мкм или с толщиной смолы по 50 мкм каждого слоя.

Основные параметры RCC фирмы Isola сведены в таблицу 6 [12].

Вследствие отсутствия в структуре RCC стеклоткани этот материал идеально подходит для изготовления глухих микроотверстий малого диаметра, формируемых путем таких высокопроизводительных методов, как прожигание лазером, плазмохимическое сверление и групповое травление отверстий в диэлектрике с помощью горячих щелочей [2], [4]. Это обстоятельство, а также малая толщина меди (позволяющая реализовать топологию с очень высоким разрешением) и малая толщина диэлектрика (недостижимая при применении обычных препрегов)  позволяют реализовать с помощью RCC  очень сложные многослойные печатные платы, выполненные по HDI технологии.

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.
16. И. Барановский. Современный дизайн и технологии печатных плат: вопрос-ответ Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. CHIP NEWS Украина, #08 (88), октябрь, 2009.