Дефекты МПП - результат некорректного проектирования

Цикл статей: Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. Часть 5.

Полный текст статьи в PDF

В предыдущих статьях цикла мы рассмотрели основные методы изготовления МПП, а также свойства базовых материалов: медной фольги, препрегов, RCC и ламинатов.   В этой части речь пойдет о методах прессования МПП и дефектах, возникающих в многослойных платах из-за недоработок конструкторов.

Технология прессования многослойных печатных плат

Технологический процесс прессования присущ всем трем основным методам изготовления МПП [1]. Разница состоит только в количестве циклов прессования и порядке укладки заготовок в пакет. В случае изготовления МПП методом послойного наращивания, количество операций прессования такое же, как и количество наращиваемых слоев. При изготовлении МПП методами попарного прессования или послойного наращивания  достаточно одной операции прессования для изготовления МПП. Для сложных HDI-структур платы изготавливают в две-три операции прессования, в зависимости от сложности структуры.

Процесс прессования МПП можно разделить на два этапа. Первый этап – подготовительный, на котором происходит сборка пакета МПП из ядер с уже выполненным рисунком печатных проводников внутренних слоев и листов препрега. На втором этапе происходит прессование одновременно нескольких пакетов в заготовки МПП, после которого остается изготовить только рисунок внешних слоев с последующими операциями металлизации, нанесения финишного покрытия, защитной маски и шелкографии. Тщательность выполнения норм технологических операций на этих этапах во многом определяет качество самих плат. Для МПП с большим количеством слоев техпроцесс прессования зачастую не менее важен, чем техпроцесс изготовления печатных проводников. В случае же изготовления HDI-структур процесс прессования становится наиболее ответственной частью всего технологического цикла изготовления многослойной платы. По этой причине конструктор должен максимально учесть возможности и недостатки процессов прессования при проектировании дизайна МПП и избежать предпосылок для возникновения дефектов. Для понимания причин возникновения дефектов прессования МПП (по недосмотру конструктора)  коротко остановимся на описании самого техпроцесса.

Собранные на первом (подготовительном) этапе пакеты МПП, переложенные прокладочным материалом, помещаются между плитами пресса. Камера пресса герметична и сам техпроцесс прессования происходит после откачки воздуха из нее. Давление воздуха в камере прессования современных прессов составляет менее 0,1 атмосферного. Такая глубина вакуума дает сразу несколько положительных эффектов. Во-первых, из препрега интенсивно улетучиваются остатки растворителя эпоксидной смолы, которые могут привести к образованию газовых пустот в структуре платы во время прессования. Во-вторых, во время прессования между элементами печатного рисунка будет очень мало воздуха, что приведет к качественному заполнению этих  промежутков эпоксидной смолой. В начале цикла, когда температура в камере только растет, плиты пресса сжимаются с малым усилием. После дегазации камеры и достижения в пакетах заготовок необходимой температуры (называемой температурой гелеобразования) создается полное усилие прессования, необходимое для полной и качественной полимеризации эпоксидной смолы препрега. При этом смола препрега переходит из стадии В в стадию С: из молекул смолы образуются макромолекулы сложной пространственной ориентации [2], образуется монолитная структура МПП.

Рис. 18. Схема формирования пакета в прессах с системой нагрева ADARA

Современные прессы для изготовления МПП можно разделить на две группы. К первой относятся гидравлические прессы с горячими плитами, ко второй – прессы с системой нагрева ADARA. Принципиальная разница между этими группами – способ нагревания пакетов заготовок МПП. В классических прессах нагревание происходит с помощью плит [3]. Плиты пресса пустотелы, внутри них располагаются либо электрические ТЭНы, либо каналы подачи горячего теплоносителя. Такая система прессования имеет один существенный недостаток – неравномерность распределения градиента температуры вдоль структуры пакета заготовок. Таким образом, заготовки, расположенные ближе к горячим плитам, подвергаются большему нагреву, а заготовки расположенные ближе к центру пакета, нагреваются меньше. Такая неравномерность приводит к меньшему выходу годных плат вследствие недостаточной полимеризации смолы в заготовках, расположенных ближе к центру пакета. Для уменьшения брака пакеты заготовок не могут быть большой толщины (как правило, толщина пакета за одну загрузку пресса не может составлять более 30 мм), а процесс предварительного нагрева пакета до приложения полного усилия прессования занимает довольно продолжительное время – до полутора часов. Дальнейший процесс прессования, для обеспечения равномерного прогрева пакета также очень длителен и занимает от 90 до 120 минут. Вследствие малого объема загрузки и длительного процесса прессования прессы с горячими плитами очень неэкономичны и малоэффективны при серийном производстве. Невысокая способность к регулированию температуры в пакетах заготовок МПП (в процессе прессования) ограничивает применение таких систем прессования для изготовления HDI-плат.

Рис. 19. Диаграмма прессования для материалов DURAVER®-E-Cu quality 117 в прессах с системой нагрева ADARA

Проблемы, присущие прессам с горячими плитами, отсутствуют у прессов с системой нагрева ADARA. Суть этой системы заключается в том, что для разогрева пакета используется тепло, выделяемое медной фольгой при пропускании через нее электрического тока (эффект Джоуля) [4]. На рисунке 18 представлена упрощенная схема формирования пакета в прессах ADARA. Благодаря тому, что фольга равномерно расположена по всему прессуемому пакету заготовок печатных плат, нагрев по всей его толщине происходит очень равномерно, а благодаря малой тепловой инертности фольги можно точно изменять температуру в пакете. Из-за равномерности прогрева прессуемого пакета нет необходимости перегревать внешние части пакета для того, чтобы температура внутри оказалась достаточной для полимеризации смолы. Следовательно, в один проем установки можно прессовать достаточно толстые пакеты. В современных серийных прессах толщина пакета может достигать 260 мм. Быстрый и однородный прогрев пакета в комбинации с плавным нарастанием давления плит позволяет значительно сократить время, необходимое на прессование МПП. Это значительно повышает производительность прессов и уменьшает затраты энергии. На рисунке 19 показан типовой график прессования в прессах с системой нагрева ADARA.

Классификация дефектов МПП

После остывания и извлечения пакетов из пресса, заготовки МПП (в составе групповых заготовок) проходят инспекцию и отправляются на дальнейшие технологические операции изготовления. Часть дефектов прессования выявляется только после изготовления внешних слоев платы, а некоторые — после сверловки и металлизации отверстий. Примером такого дефекта является несовмещение слоев МПП, образование заусениц или замасливание торцов при сверловке и фрезеровании пазов платы. Непосредственно после прессования выявляются такие дефекты, как коробление заготовки, вздутие и расслоение заготовки, неравномерная толщина. Очень часто причинами этих дефектов становятся технологические огрехи, ошибки при задании профиля прессования, неправильная сборка пакета заготовки перед прессованием. Качество и кондиционные свойства применяемых материалов также играют большую роль в возникновении дефектов прессования [5], [6], [7], но рассмотрение этих факторов выходит за рамки этой статьи. Речь идет только о просчетах и огрехах при проектировании дизайна и стека платы. Следует отметить, что и дизайн печатных проводников внутренних слоев, и разработанный конструктором стек в одинаковой мере могут быть причинами возникновения дефектов прессования. Проведем классификацию дефектов с описанием причин конструктивного характера.

• Расслоение – как правило, этот дефект обнаруживается уже после изготовления платы и проявляется при монтаже, тестировании или эксплуатации изделия. Только при очень грубых нарушениях расслоение выявляется после изготовления внешних слоев или, непосредственно, после прессования. Главная конструктивная причина расслоения – недостаточная толщина препрега (или количество листов препрега между ядрами МПП), заложенная при проектировании стека платы.
• Туманные зоны, повторяющие рисунок переплетения стеклоткани – обнаруживаются после изготовления рисунка внешних слоев МПП. Главная конструктивная причина возникновения туманных зон – недостаточное количество смолы в препреге (неверно выбранная марка препрега).
• Коробление МПП – как правило, выявляется непосредственно после техпроцесса прессования, но довольно часто коробление проявляется уже на этапе сборки. Единственная конструктивная причина возникновения коробления МПП – несимметричная структура стека МПП. Причиной коробления может быть не только асимметричность расположения диэлектриков относительно продольной оси платы, но и неравномерность толщин меди, неравномерность и несбалансированность рисунка проводников во внутренних слоях.
• Несовмещение слоев после прессования – чаще всего выявляется после полного изготовления платы на этапе выходного контроля по результатам анализа микрошлифов. Главная конструктивная причина несовмещения – ненасыщенный рисунок некоторых внутренних слоев.

На современных производствах всегда ведется статистика изготовления печатных плат, фиксируется количество брака и анализируются причины возникновения дефектов. Исходя из накопленной статистики, анализируя стеки и структуру дефектных плат завод предупреждает возможность возникновения дефектов в новых заказах. Грубые нарушения структуры (несоответствия заложенных типов материалов, возникшие вследствие недосмотра или просчетов конструктора МПП) завод отбраковывает сразу в момент получения заказа. Как правило, заказчику описывают возможные дефекты и предлагают пути для их устранения. Рассмотрим несколько таких примеров.

Вариантов несимметричной структуры платы может быть множество. Часто на практике встречаются комбинации вариантов асимметрии структуры. О них — далее. Асимметрия структуры может быть как количественная, так и качественная. В первом случае материалы, расположенные с разных сторон относительно продольной оси симметрии, как диэлектрики, так и медь, имеют разную толщину, что приводит к перекосам структуры и к короблению на финише. Во втором случае  закладываются разные типы диэлектриков или неправильно чередуются проводящие слои. Таким образом, создаются внутренние неоднородности структуры, которые приводят к возникновению внутренних напряженностей и возникновению дефектов при монтаже МПП.

Примеры некорректного проектирования МПП.

Рис. 20. Пример несимметричного стека печатной платы

Пример 1. Варианты с несимметричным стеком платы достаточно часто возникают у начинающих конструкторов. Рассмотрим одну из таких структур, показанную на рисунке 20. Такие структуры в разных вариациях и для разного количества слоев встречаются довольно часто. Для обеспечения корректной разводки нескольких небольших микросхем в корпусах BGA с малым шагом выводов, конструктор взял за основу своей платы HDI-структуру со слепыми микроотверстиями. Так как все BGA-корпуса расположены исключительно с одной стороны, то микроотверстия  соединяют между собой только пары слоев L1–L2 и L2–L3. Для обеспечения реализации микроотверстий между этими парами слоев использовался диэлектрик малой толщины, в данном случае – RCC. Полагая, что использование RCC  с обеих сторон МПП сделает конструкцию дороже, конструктор формирует несимметричный стек. Такая конструкция будет выполняться в три этапа прессования. На первом этапе формируется и прессуется базовая заготовка, состоящая из слоев L3–L10. На пока еще внешнем слое L3 формируется рисунок печатных проводников, наносится и прессуется тонкий слой RCC [8], который сформирует впоследствии слой L2. Далее производится сверловка микроотверстий со слоя L2 на слой L3, осаждается гальваническая медь для формирования каналов металлизации в микроотверстиях и формируется рисунок печатных проводников слоя L2. Хотя использовался RCC с фольгой 18 мкм, реально в слое L2 толщина меди после металлизации будет составлять не менее 35-40 мкм. Далее процесс повторяется: наносится и прессуется последующий слой RCC, образующий слой L1, сверлятся и металлизируются отверстия, изготавливается рисунок топологии на внешних слоях МПП. Ось симметрии полученной конструкции МПП будет расположена между слоями L6 и L7, ближе к слою L6. В верхней части платы можно наблюдать большее, по отношению к нижней части, скопление проводящих слоев (фактически слою L10 противостоят сразу два слоя – L1 и L2), при меньшем совокупном количестве стеклоэпоксидной композиции и наличии двух слоев неармированной стекловолокном эпоксидной смолы. Как известно, коэффициент линейного расширения меди составляет 17•10^-6 %•°С [9], коэффициент линейного расширения RCC составляет 57•10^-6 %•°С [8], что значительно больше чем у ламинатов и препрегов после ламинации (7•10^-6 %•°С – вдоль основы стеклоткани и 12•10^-6 %•°С – вдоль утка) [8]. Следовательно, при нагревании такой МПП в печи во время монтажа будет происходить значительно большее расширение слоев в верхней части платы по отношению к нижней.

Рис. 21. Пример симметричного стека печатной платы

Это приведет к возникновению внутренних механических напряженностей платы и неизбежной деформации – прогибу и короблению. Особенно большой деформация будет в направлении основы плетения стеклоткани, которая, как правило, ориентирована вдоль большей стороны платы. Изгибы и кручение платы (во время автоматизированного монтажа SMD-компонентов) грозят возникновением дефектов пайки. Особенно это критично для малоразмерных дискретных компонентов в типоразмерах 0402, микросхем в корпусах BGA и LGA с малым шагом и размером шариков, многовыводных микросхем в корпусах BGA, QFN и QFP с большими линейными размерами.

Вывод: не используйте в своих разработках структуры МПП с разными толщинами диэлектриков между симметричными (относительно оси платы) слоями. Образец симметричной структуры для рассмотренной в данном примере платы показан на рисунке 21. Несмотря на то, что на нижней стороне платы нет слепых микроотверстий, слои L9 и L10 также выполнены из RCC. Таким образом, ось симметрии расположена между слоями L5 и L6, строго на уровне центра платы. С обеих сторон платы используются материалы одинакового типа и одинаковой толщины. При нагревании такого рода МПП расширение материалов со всех сторон одинаково. Поэтому возникающие внутренние напряженности компенсируют друг друга и не деформируют плату.

Рис. 22. Пример стека МПП с несимметричным расположением меди

Пример 2. Помимо несимметричного расположения диэлектриков, иногда встречаются структуры с несимметричным расположением меди в слоях. Одна из таких структур показана на рисунке 22. Как видим, слои питания (выполненные в виде сплошных полигонов) расположены в нижней части платы, а сигнальные – в центре и верхней части. Давайте представим, что будет происходить с такой МПП при нагревании. Типы и толщина диэлектриков подобраны и расположены строго симметрично, поэтому никакого влияния на возможные деформации оказывать не будут. Зато медь расположена крайне неоднородно. В зависимости от  количества и размеров сквозных отверстий в питающих слоях может быть до 80 - 95% заполнения медью. В чисто сигнальных слоях этот показатель обычно составляет 15 - 20%, очень редко достигает величины 30%. Кроме того, сигнальные слои состоят из узких отрезков меди, а питающие слои это сплошные поля меди. В результате нагревания МПП с такой структурой линейное расширение нижней части платы будет более сильным, чем верхней. Чем больше полигонов сосредоточено близко к краю платы, чем большая толщина меди применялась для создания этих слоев, тем большим будет расширение, возникновение напряженностей и тем сильнее будет коробление платы. Особенно ситуация усугубится, если ближайший к внешнему слою полигон будет выполнен из меди повышенной толщины (например 70 или 90 мкм). Обычно, такого рода полигоны, не несущие электрических функций, выполняют функцию теплоотвода, при использовании на плате компонентов с большим тепловыделением и отсутствием возможности применения радиаторов. Очень подробно процесс коробления такого рода плат описан в [10]. Последствия неравномерного расширения при нагревании платы уже описаны в предыдущем примере.

Помимо коробления, для плат с таким расположением и назначением слоев очень высок риск возникновения несовмещения слоев во время прессования, поскольку в верхней части платы наблюдается низкое заполнение смежных слоев медью.

Вывод напрашивается сам собой: необходимо располагать слои проводников симметрично относительно оси симметрии платы (причем симметрично не только по толщине, но и по функциональному назначению). Для каждого сигнального слоя должен присутствовать симметричный сигнальный, а для каждого питающего слоя – симметричный слой питания или земли. В этом случае слои питания и сигнальные слои могут иметь разную толщину меди. В случае, если количество питающих и сигнальных слоев нечетно и расположить их симметрично нет возможности, можно для сигнального слоя в качестве симметричного использовать один из питающих слоев. При этом необходимо выполнить два условия: симметричные (относительно оси симметрии МПП) слои должны иметь одинаковую толщину и симметричные слои должны иметь близкий коэффициент заполнения слоя медью. Если коэффициенты заполнения достаточно сильно отличаются (в пределах 10%),  такие слои следует располагать ближе к центру платы. Правилом хорошего тона при проектировании МПП считается балансировка сигнальных слоев. Этот конструктивный прием подразумевает  заполнение больших (свободных от проводников) пространств большим количеством небольших медных “пятачков” или же полигонами, (как сетчатыми, так и сплошным), зачастую подключенными к цепи земли. Балансировка сигнальных слоев с помощью полигонов поднимает коэффициент заполнения слоя медью с 10…15% до 40…45%, что в совокупности с чередованием сигнальных и питающих слоев, благотворно сказывается на процессе прессования платы. Уменьшается неточность совмещения слоев (вследствие большей однородности платы), уменьшается риск расслоения и возникновения туманных зон (вследствие более равномерного распределения смолы из препрега). Особенно благоприятно сказывается балансировка сигнальных слоев в случае проектирования дизайна МПП под установку микросхем в BGA-корпусах. Еще одним правилом хорошего тона при проектировании МПП считается разрядка питающих полигонов, если это допустимо по соображениям целостности сигналов быстродействующих цепей и обеспечения нагрузочной способности элементов. Для этого полигоны питания и земли выполняются не сплошными, а ячеистыми, с большой апертурой отрисовки и достаточно крупным шагом расположения апертур.

Рис. 23. Стек с нечетным количеством слоев

Пример 3. В процессе проектирования печатной платы, для выполнения всех межсоединений, заказчику оказалось достаточным всего пяти слоев. Два из них отводились под питание, а три – сигнальные. Внешние слои были заняты компонентами и большей частью межсоединений, а один внутренний слой отводился под оставшиеся межсоединения, которые не удалось реализовать на внешних слоях. Структура стека, предложенная заказчиком, показана на рисунке 23.

На первый взгляд, такая структура симметрична и вполне реализуема. Ось симметрии платы проходит вдоль слоя L3, с обеих сторон от оси симметрии одинаковое количество проводящих слоев, слои имеют равное наполнение по количеству меди и равноудалены друг от друга. Однако, при изготовлении опытных образцов этой платы, коробление составило 2%, т.е. прогиб платы на 100 погонных миллиметров длины составил 2 мм. Такая величина коробления оказалась неприемлема для заказчика. Причиной коробления в данном случае была значительная разница в  количестве ламината по разные стороны от оси симметрии. Во время прессования (вследствие теплового расширения) ламинат разной толщины создавал по разные стороны от оси симметрии сильно отличающиеся внутренние напряженности материала. При остывании платы после прессования эти напряженности приводили к неустранимой деформации. Устранить причину коробления оказалось довольно легко: был введен дополнительный внутренний слой, не выполняющий никаких электрических функций (такие слои производители называют пустышками, ложными слоями – dummy-layer), но имеющий некоторое количество меди, приблизительно такое же, как и на внутреннем сигнальном слое. Таким образом, получилась легко реализуемая, симметричная и свободная от дефектов коробления стандартная шестислойная структура МПП.

Вывод.  По результатам рассмотренного примера дадим две рекомендации: не используйте нечетное количество слоев в своих разработках и не используйте разнородные диэлектрики между слоями, расположенными по разные стороны от оси симметрии.

Рис. 24. Стек с разнотипными материалами на разных сторонах платы

Пример 4. Этот пример, является частным случаем предыдущего примера. При проектировании сложной печатной платы с применением узлов СВЧ-техники разработчик применил высокостабильный высокочастотный материал фирмы Rogers [11]. Все СВЧ линии связи были выполнены исключительно с одной стороны платы, поэтому структура имела вид, показанный на рисунке 24. Формально, такая структура также симметрична, однако следует учесть, что коэффициент линейного расширения материалов Rogers составляет 50•10^-6 %•°С, что в несколько раз меньше, чем у стеклоэпоксидных композиций [8]. Таким образом, в процессе монтажа МПП, вследствие неравномерности теплового расширения диэлектриков с разных сторон платы, происходило заметное коробление платы, которое привело к дефектам монтажа некоторых компонентов.

Вывод, как и для предыдущего примера, очевиден: не используйте разнородные диэлектрики в конструкциях МПП. Если же такая необходимость возникает, то старайтесь располагать диэлектрики с разными с одинаковыми  свойствами симметрично.

При проектировании стека МПП следует тщательно относиться к выбору количества и типа препрегов между ядрами. Недостаточное количество листов препрега или препреги с недостаточным количеством смолы, заложенные в конструкцию МПП, приводят к образованию туманных зон, увеличению риска расслоения платы во время монтажа или эксплуатации. Излишнее количество листов препрега между смежными слоями ведет к деформациям стеклоткани, армирующей препрег, что может привести как к явным, так и к скрытым дефектам. К явным дефектам относят расслоение и неравномерность толщины платы, к скрытым – значительные смещения внутренних слоев, возникновение внутренних напряженностей в структуре платы, нарушение качества ламинации и, как следствие, изменение величин физических параметров платы в худшую сторону. Следует использовать не менее двух, и не более трех листов препрега между двумя смежными слоями. Типы препрегов могут быть разными, в зависимости от желаемого расстояния между слоями. Зависимость типа и количества препрегов от толщины меди в смежных слоях имеет следующий вид:

Для слоев с толщиной меди 0,5 oz:

1. можно использовать RCC любой толщины;
2. нельзя использовать один слой тонких типов препрегов, таких как 106 и 1080. Несмотря на высокое процентное содержание в них смолы, ее количества будет недостаточно для полного заполнения пустот между элементами печатного рисунка во время прессования. Таким образом, нарушается качество ламинации и растет риск расслоения платы;
3. нельзя использовать более 3 слоев препрега, независимо от типа препрегов и их толщины.

Для слоев с толщиной меди 1 oz или в комбинации толщин меди 0,5 oz и 1 oz на смежных слоях:

1. можно использовать RCC с толщиной смолы 100 мкм, ограниченно (только между питающим и внешним слоем) можно использовать RCC с толщиной смолы 75 мкм;
2. нельзя использовать один слой тонких типов препрегов, таких как 106 и 1080. Причина описана выше и еще более усугубляется большей толщиной фольги.
3. нельзя использовать один слой препрега с малым содержанием смолы, например такого, как 7628. Такие препреги дают мало смолы и ее не хватит для заполнения пустот между элементами печатного рисунка.

Для слоев с толщиной меди 2 oz или в комбинации с меньшей толщиной фольги:

1. нельзя использовать RCC;
2. если используется два слоя препрега, среди них нельзя использовать препреги с малым содержанием смолы (например, такого как 7628);
3. Если используются три слоя препрега, среди них можно использовать только один слой препрега типа 7628. Два других должны иметь высокое содержание смолы.

Литература:
1. 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, #06 (86), август, 2009.
2. 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.
3. А. Медведев. Технология производства печатных плат. –М.: Техносфера. 2005. –360 с.
4. Информационные материалы фирмы Cedal Equipment. – http://www.cequi.it/ColdPress.htm.
5. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. – М.: Техносфера. 2005. 304 с.
6. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. – М.: ФОРУМ. 2005. – 560 с.
7. А.А. Федулова, Ю.А. Устинов, Е.П. Котов и другие. «Технология многослойных печатных плат»: Радио и связь, 1990г.
8. 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, #09 (89), ноябрь, 2009.
9. 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, #07 (87), сентябрь, 2009.
10. С. Новокрещенов. Коробление многослойных печатных плат. «Электронные компоненты» #02,0 2004.
11. Информационные материалы фирмы Rogers Corporation – http://www.rogerscorp.com/acm/index.aspx.