Изготовление многослойных печатных плат высокой сложности

Контрактная разработка и производство электроники

Изготовление СВЧ-фильтров

 г. Киев, ул. Дегтяревская, 53 А, оф. 222,  тел. +38 (044) 331-03-75, +38 (044) 451-58-80,

 mail: kiev@ictech.com.ua ;    info@ictech.com.ua

ENG

Публикации компании Институт компьютерных технологий

Рекомендации по подключению выводов компонентов к областям металлизации. Как избежать проблем при монтаже?

Остатки паяльной пасты на контактных площадках. Ложные дефекты.

Автор - Алексей Бычко,

Инженер по качеству, ИКТ

Вводные данные

Многослойная печатная плата. Финишное покрытие контактных площадок - ENIG

Цель проведения исследования

От заказчика было получено письмо с претензией к качеству печатной платы. Дефект был описан заказчиком как Black Pad. Это характерный дефект финишного покрытия ENIG начала 2000-х годов, когда технология этого финишного покрытия только отрабатывалась, и ни техпроцесс, ни химические составы ванн ещё не имели современных устоявшихся параметров. Письмо было подтверждено фотографией проблемных мест (см. изображение 1).

Изображение 1.

Места предположительных дефектов на плате.

Исследование

С нашей стороны возникло предположение, что это не BlackPad дефект, а банальное оплавление остатков паяльной пасты, которая осталась в зазорах между краем контактной площадки и краем паяльной маски. Данный эффект мог проявиться в  результате не тщательной отмывки платы после неудачно нанесённой паяльной пасты или случайного попадания пасты на плату. Наши предположения были сообщены заказчику, и он провёл эксперимент, результаты которого полностью подтвердили нашу гипотезу. В итоге претензии к качеству финишного покрытия были сняты.

Мы провели свой эксперимент, показывающий этапы возникновения подобных пятен на контактных площадках.

Допустим, что паяльная паста была нанесена на контактные площадки со смещением или только частичным перекрытием контактной площадки. Для дальнейшей установки компонентов плата стала не пригодна и была снята с конвейера для очистки и последующего повторного нанесения паяльной пасты. Обычно паста смывается с помощью безворсовых салфеток, смоченных в специальных отмывочных жидкостях, и после этой процедуры продувается потоком сжатого воздуха. Но эта процедура не позволяет полностью избавиться от паяльной пасты, т.к. гранулы припоя из пасты могут застревать в щелях, показанных стрелками на изображениях 2 и 3.

На изображении 4 показан пример плохо смытой паяльной пасты без продувки сжатым воздухом. Видны гранулы припоя, связанные остатками флюса из пасты в местах, куда простым протиранием поверхности платы не добраться. После продувки гранул припоя осталась бы лишь малая часть показанного количества, но текущий вариант позволяет оценить вероятные масштабы эффекта.

Изображение 2.

Щель между краем контактной площадки и краем паяльной маски. Съёмка под углом к плате.

Изображение 3.

Узкие места между краем контактной площадки и краем паяльной маски.

Изображение 4.

Остатки паяльной пасты на плате.

Далее оплавим паяльную пасту. Это процедуру можно произвести  в конвекционной печи либо воспользовавшись феном паяльной станции. Результаты приведены на изображениях 5, 6, 7. Мы видим неполное оплавление гранул припоя пасты. Это вызвано вымыванием флюса в процессе нашей попытки смыть пасту. В местах, где некоторое количество флюса всё же осталось, и гранулы припоя касались контактной площадки, мы видим эффект частично залуженной контактной площадки, что наблюдали на фотографиях заказчика. Если теперь плату промыть в ультразвуковой ванне с применением моющего раствора, то все частички припоя, которые держатся только за счёт спёкшихся остатков флюса, отслоятся с платы, и мы сможем увидеть только пятна частично залуженных контактных площадок.

Изображение 5

Пятна припоя на контактной площадке.

Изображение 6

Пятна припоя на контактной площадке.

Изображение 7

Пятна припоя на контактной площадке.

Заключение

Огрех монтажного производства был ложно воспринят заказчиком как дефект изготовления платы. Истинная причина исследуемого эффекта подтверждена экспериментом и дефектом не является.

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Особенности проектирования печатных плат для установки разъемов в торцевой паз

Вводные данные

Многослойная структура, III класс надежности.

При монтаже высокочастотных торцевых разъемов типа MMCX наблюдаются трудности с установкой в паз печатной платы на полную глубину.

Цель проведения исследования

Определение причин возникновения трудностей при установке разъема в  посадочное место на плате и методов их устранения на этапе проектирования дизайна печатной платы.

Изображение1

 Схематическое изображение торцевого разъема

Исследование

Согласно предоставленной конструкторской документации (КД) размер паза в ширину должен составлять 3,42 мм.  По результатам измерений действительный размер паза в ширину занижен и лежит в пределах 3,39..3,41 мм.  Согласно внутренним правилам заказчика на составление  КД,  отклонения размеров даются только в большую сторону,  (т.е. на готовой печатной плате ширина паза должна быть больше либо равной заданному значению 3,42 мм).

Согласно КД заказчика на печатной плате необходимо выполнить пазы с прямыми внутренними углами (90о). На предоставленной для исследования печатной плате в углах пазов выполнены закругления радиусом порядка 0,5 мм.

Наименьшее нормированное отклонение, обеспечиваемое при обработке контура печатных плат методом фрезеровки, составляет ±0,10мм. Более высокая точность соблюдения размеров, недостижима  в виду технологических ограничений, накладываемых фрезеровочным оборудованием.

Необходимо учитывать, что указанное значение отклонения  ±0,10мм  является максимальным нормированным и реальное значение отклонения обычно меньше этого значения. Результаты измерений подтверждают это утверждение,  отклонения находятся в пределах 0,01…0,03мм.

При  обработке контура печатной платы методом фрезеровки обеспечить  отклонение размеров только в большую или только в меньшую сторону невозможно. Причина та же - технологические ограничения используемого оборудования.

Если возникает необходимость получить на печатной плате высечку определенного размера с отклонением только в большую сторону, необходимо откорректировать дизайн с учетом технологических возможностей производства.

Пример. Нормированное отклонение на производстве составляет ±0,10мм.  На печатной плате необходимо высечь паз шириной 3,42мм с предельными отклонениями +0,10/-0,00мм. Для этого в дизайне печатной платы необходимо выполнить контур паза с размером по ширине равным 3,52мм. При этом необходимо указать, что отклонение размера для этого паза должно быть минимальным. Таким образом, на готовой плате этот паз будет иметь размеры, лежащие в диапазон 3,42…3,62мм. Как правило, на изготовленной печатной плате отклонения  минимальны и реальный размер  близок к заданному в дизайне.

Изображение2

Фреза

При использовании способа обработки контура фрезеровкой невозможно обеспечить любые внутренние углы, так как торцевая фреза имеет конечный диаметр. По этой причине любой внутренний угол будет иметь закругление, радиус которого равен радиусу фрезы. Минимальное значение диаметра фрезы, используемой для выборки прямых и острых углов, составляет 0,80мм. Фрезы меньшего диаметра на платах толщиной более 1,00мм не используются в виду их недостаточной механической  прочности.

Строго прямой угол в контуре платы можно получить только методом штамповки. Однако изготовление матрицы и пуансона требует значительных капиталовложений. Метод штамповки целесообразно применять только при изготовлении крупных партий печатных плат, и весьма ограничено для многослойных печатных плат ввиду недостаточно ровного края плат.

Для обеспечения возможности установки деталей с прямыми (90о) углами между плоскостями, в пазы печатной платы  без зазоров между деталью и  контуром платы, применяют технологию углубления. Один из вариантов реализации такой технологии показан на изображении 3.

Зеленый цвет на рисунке – требуемый контур платы, серый – не металлизированные отверстия, розовый   – металлизированные отверстия. Диаметр отверстий и их расположение выбираются так, чтобы гарантированно обеспечить прилегание плоскостей детали к торцу платы. После сверловки таких отверстий в углах пазов исчезают закругления от фрезы, но создаются дополнительные неровности.

Изображение3

Выполнения паза для установки детали с прямыми углами между плоскостями вплотную к контуру платы с использованием отверстий в углах

Изображение4

Выполнение паза для установки детали с прямыми углами между плоскостями вплотную к контуру платы путем создания дополнительных областей фрезеровки

Еще один вариант реализации задачи установки детали с прямыми углами между плоскостями в паз – создание дополнительных областей фрезеровки, исключающих возможность неполного прилегания детали  к контуру печатной платы. Пример такой реализации показан на изображении 4.

Рекомендации

Если возникает необходимость  выполнить операции, связанные с обходом технологических ограничений реализации контура печатной платы, достаточно передать чертеж с указанием необходимых технических требований в компанию «НИИ Компьютерных технологий» и указать на особенности контура  печатной платы, которые необходимо реализовать.

 Специалисты нашей компании подберут наиболее технологичный и удобный способ решения задачи и откорректируют дизайн с учетом технологических возможностей производства.

Тем не менее, эту операцию  можно проделать самостоятельно. Необходимо только предварительно получить рекомендации у специалистов НИИ Компьютерных технологий, так как нормы отклонения у разных производителей печатных плат отличаются.

Заключение

В конструкторской документации на предоставленные для исследования многослойные печатные платы  требования к точности по выполнению контура печатной платы явно не указаны. Фрезеровка контура выполнена с нормированным для фрезеровочного оборудования отклонением  ±0,15мм.

Максимальное значение действительного отклонения размера паза в ширину составляет 0,03мм.

Разъемы MMCX также имеют допуск на точность посадочных размеров с отклонением в пределах ±0,05мм.  Наибольший предельный посадочный размер разъема составляет 3,45мм. Наименьший действительный размер паза в ширину составляет 3,39мм. Разница этих значений - наибольший натяг - составляет 0,06мм. По этой причине разъемы туго (с натягом)  устанавливаются в посадочное место.

Требования КД по формированию внутренних прямых углов в пазах печатной платы не учитывают технологических особенностей изготовления подобных конструктивных элементов. По этой причине разъем не может быть установлен на полную глубину.

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Смещение защитной паяльной маски. Когда не стоит волноваться?

Вводные данные

многослойная структура, III класс надежности, 4-й класс точности.

Цель проведения исследования

На платах выявлено смещение защитной паяльной маски на контактных площадках микросхем. Смещение составляет 50 - 100мкм в сторону.

Целью стал анализ соответствия параметров печатной платы и в частности величину смещения защитной паяльной маски на соответствие допускам для III класса надежности в соответствии с  п. 2.9.  стандарта  IPC-А-600G.

Изображение1

Смещение окон защитной паяльной маски по отношению к площадкам компонентов

Исследование

Мы проанализировали платы, которые были предоставлены нам для изучения. На изображении 1 представлен фрагмент одной из плат. Как видно, смещение окон защитной паяльной маски по отношению к соответствующим площадкам планарных компонентов действительно имеет место. Однако следует учесть, что смещение слоя паяльной маски по отношению к другим слоям есть всегда. Это связано с технологическими ограничениями при нанесении жидкой маски, совмещении фотошаблонов, экспонировании и проявлении.

Чаще всего смещение окон защитной паяльной маски по отношению к площадкам планарных компонентов незначительно и визуально практически незаметно. Однако, на практике встречаются случаи, когда смещение видно невооруженным глазом. Величина смещения, точнее, точность совмещения слоев и изготовления элементов дизайна, как в сигнальных слоях, так и в слое паяльной маски, зависит в первую очередь от класса точности печатной платы. Чем выше класс точности – тем меньше смещение. В нашем случае печатные платы изготовлены по 4-му классу точности. При этом зазор от края площадки до края окна в маске заложен равным 100мкм.  Фактически на предоставленных платах минимальное расстояние от края площадки до края окна в маске составляет не менее 10мкм. Нет "наползания" паяльной маски на площадки компонентов, нет вскрытия изоляционного промежутка между двумя электрически не связанными площадками (кроме мест, которые были изначально заложены в проект), нет вскрытия из-под маски проводников, которые находятся близко от площадок и не связаны с ними.

Стандарт IPC-А-600G регламентирует допустимую величину смещения. На изображении 2 приведена выдержка из пункта 2.9.3. стандарта.

Комментарии к изображениям гласят следующее:

Идеальный случай – маска не имеет смещений.

 Допускается, для всех классов точности:

  • не полное совмещение, при котором окно защитной паяльной маски не вскрывает соседнюю площадку или проводник, гальванически несвязанные с целевой площадкой;
  • нет нарушений совмещения на площадках или тестовых точках, расположенных на краях платы;
  • для площадок, предназначенных для поверхностного монтажа и имеющих шаг 1,25мм и более, допустимо "наползание" защитной паяльной маски на площадку на величину не более 0,050мм и только с одной стороны;
  • для площадок, предназначенных для поверхностного монтажа и имеющих шаг менее 1,25мм, допустимо "наползание" защитной паяльной маски на площадку на величину не более 0,025мм и только с одной стороны.

Недопустимым, для всех классов точности, является:

  • защитная паяльная маска нарушает сочленение контактов с площадками или тестовыми точками, расположенными на краях платы;
  • для площадок, предназначенных для поверхностного монтажа и имеющих шаг 1,25мм и более, "наползание" защитной паяльной маски на площадку превышает величину 0,05мм или происходит с двух сторон;
  • для площадок, предназначенных для поверхностного монтажа и имеющих шаг менее 1,25мм, "наползание" защитной паяльной маски на площадку составляет величину более 0,025мм или происходит с двух сторон

Изображение2

 Выдержка из пункта 2.9.3. стандарта IPC-A-600G

Заключение

В результате сравнения требований стандарта IPC-А-600G, в частности пункта 2.9.3., с реальной величиной смещения защитной паяльной маски, приходим к заключению: платы полностью отвечают требованиям указанного стандарта.

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Когда гильотина нежнее рук?

Групповая зaготовка. Рекомендации по конфигурации скрайберных линий.

Вводные данные

На этапах регулирования и ПСИ(приемо-сдаточных испытаний) зафиксированы многочисленные отказы антенны и усилителей из состава антенны по причине отказа чип-компонентов. Основной причиной отказа является выход из строя SMD-компонентов — конденсатора С4 0402 ЗС102.1АТ2А, реже — других компонентов.

Цель проведения исследования

Анализ причин разрушения электронных компонентов.

В процесcе демонтажа отказавших конденсаторов происходит их механическое разрушение, что свидетельствует о наличии трещин или микротрещин в керамическом корпусе компонентов. Визуально трещины не просматриваются. Замена компонентов восстанавливает работоспособность изделия. Для определения этапа возникновения дефекта проверялась целостность конденсаторов при помощи ручной пайки в исходном состоянии поставки, а также на одной групповой заготовке после основных операций ТП: монтажа печатных плат, УЗ-отмывки, разделения групповой заготовки на платы.

Исследование

Появление трещин корпуса зафиксировано после операции разделения групповой заготовки на отдельные платы.

Разделение групповой заготовки на отдельные платы осуществляется вручную, выламыванием по выполненным при изготовлении платы линиям надреза — скрайберным линиям.

Для определения причины появления дефекта рассмотрены конфигурации скрайберных линий в платах, изготовленных в разных партиях, а также рекомендации по разработке и изготовлению групповых заготовок плат.

Скрайберные линии имеют овальную конфигурацию и не соответствуют рекомендуемым как по форме, так и по глубине реза.Конфигурация линий скрайбирования выполнена заводом-производителем с отклонением от рекомендуемой, а именно: глубина реза меньше рекомендуемой; форма паза отличается от рекомендуемой.

При выламывании плат возникают значительные механические деформации платы, которые и приводят к трещинам керамических корпусов конденсаторов.

Причиной отказа является возникновение трещин корпусов чип-конденсаторов при ломке плат из-за несоответствия формы и размеров скрайберных линий рекомендуемым, что приводит к значительным деформациям групповой заготовки плат и необходимости выбора направления прикладывания усилия при ручном разделении групповой заготовки на платы (ломке).

Изображение1

Рекомендуемая конфигурация скрайберных линий

Изображение2

Фактическая конфигурация скрайберных линий

Скрайберные линии имеют овальную конфигурацию и не соответствуют рекомендуемым как по форме, так и по глубине реза. Конфигурация линий скрайбирования выполнена заводом-производителем с отклонением от рекомендуемой, а именно: глубина реза меньше рекомендуемой; форма паза отличается от рекомендуемой.

При выламывании плат возникают значительные механические деформации платы, которые и приводят к трещинам керамических корпусов конденсаторов.

Причиной отказа является возникновение трещин корпусов чип-конденсаторов при ломке плат из-за несоответствия формы и размеров скрайберных линий рекомендуемым, что приводит к значительным деформациям групповой заготовки плат и необходимости выбора направления прикладывания усилия при ручном разделении групповой заготовки на платы (ломке).

При разделении технологической панели после монтажа на отдельные платы важным фактором, влияющим на целостность как самих плат, так и установленных на них компонентов, является применение качественной оснастки.

Разламывание вручную, без использования гильотинных или дисковых ножей – наихудший вариант разделения групповых заготовок на отдельные платы.

В этом случае происходит значительная деформация кручения всей панели, а особенно области на краю плат в месте разлома. Подробно проблемы, связанные с разделением групповых панелей, описаны в прилагаемых документах компании-производителя электронных компонентов – AVX Corporation .

При этом следует помнить, что жесткость плат (величина, обратная прогибу заготовки от нормированного усилия) прямо пропорциональна моменту инерции сопротивления сечения платы (чем больше брус, тем меньше прогиб), а момент инерции сопротивления пластины прямо пропорционален кубу толщины пластины.

Например, увеличение толщины платы в 2 раза повышает жесткость платы и, соответственно, уменьшает величину деформаций в 8 раз. Справедливо и обратное утверждение: при толщине платы в 1,00 мм жесткость платы будет в 3,375 раза меньше, чем для платы толщиной 1,50 мм, примеры для которой приведены в прилагаемых документах.

При этом должны быть решены две задачи: обеспечено простое разделение панели по линиям скрайбирования; групповая панель не должна самопроизвольно разделяться на этапах транспортировки, при подготовительно-заготовительных операциях, монтаже и т.д.

Единственный способ решить эти задачи – обеспечить необходимую глубину скрайбирования, а точнее — минимальное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками. Исходя из прочностных качеств стеклотекстолита, на сегодняшний день эта величина равна минимум 0,30 мм для технологических панелей, состоящих из небольшого количества плат. Для панелей с большим количеством канавок (высокий коэффициент мультиплицирования – более 10 плат на панели без дополнительных технологических полей, увеличивающих монтажную жесткость панели во время нанесения пасты и монтажа) минимальное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками может быть и большим. В особенности для плат, которые подвергаются двухстороннему монтажу без поддерживающих штифтов, или для плат, толщина которых составляет более 2,00 мм.

Современные технологические процессы скрайбирования заключаются в нанесении разделительных канавок по поверхности платы с помощью нескольких пар дисковых пил, которые одновременно формируют канавки с обеих сторон платы. При этом создаются наиболее щадящие условия механической обработки для материала диэлектрика, в структуре стеклотекстолита невысокий уровень остаточных внутренних напряженностей. При такой обработке легко создать любую форму канавки (зависит от формы режущей кромки дисковой пилы), обеспечить высокую точность позиционирования канавок относительно печатного рисунка платы (отклонение достигает не более ±25 мкм), практически полную соосность канавок на противоположных сторонах платы, высокую точность глубины реза канавок (составляет не более ±100 мкм).

Для печатных плат, которые имеют типовые значения толщины (как правило, это платы с диапазоном толщин 1,50..1,60 мм), давно отработана технология реза на треть глубины с V-образным (треугольным в сечении) профилем канавок. При этом, в зависимости от толщины плат, материала и наличия на краю плат элементов топологии, угол канавки может составлять от 20° до 90°.

Для плат типовой толщины при применении технологии реза на треть толщины платы обеспечивается номинальное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками, равное 0,50 мм. Если учесть предельные отклонения глубины реза от номинального значения, то минимальное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками будет равным 0,30 мм. Такая остаточная толщина диэлектрика обеспечивает целостность панели на этапах транспортировки и при подготовительно-заготовительных операциях. При условии применения качественного монтажного оборудования эта толщина удовлетворительна на этапах трафаретного нанесения пасты, установки компонентов и монтажа. При большом коэффициенте мультиплицирования технология реза на треть толщины с V-образным профилем канавок является нецелесообразной. В этом случае чаще применяются пилы, создающие не V-образный, а U-образный профиль канавок. Характерная особенность канавок такого профиля – меньший уровень остаточных внутренних напряженностей материала, что повышает стойкость панели к вибрациям и ударным нагрузкам во время операций трафаретного нанесения пасты, установки компонентов и монтажа, предотвращая тем самым самопроизвольное разрушение панели на любом из указанных технологических процессов.

Еще одна причина, по которой применяются пилы с U-образным профилем канавок, – наличие в зоне скрайбирования элементов топологического рисунка. Для пил, которые создают V-образный профиль канавок, характерным недостатком является достаточно большая ширина канавки на поверхности платы, которая тем больше, чем толще плата и глубже рез. Кроме того, в случае соприкосновения вращающейся пилы с краем проводников или полигонов, вследствие сравнительно большой плоскости касания (чем больше угол канавки, тем больше площадь касания), нередки случаи срыва проводников и образования заусенцев меди. При этом вся групповая панель бракуется, что влечет дополнительные расходы и удорожает стоимость изготовления.

Для дисковых пил с U-образным профилем канавок выход брака скрайбирования значительно ниже. Это объясняется тем обстоятельством, что площадь касания торца пилы с медью минимальна и равна толщине меди. Кроме того, усилие на отрыв, прилагаемое к меди, направлено строго перпендикулярно, что значительно снижает риск срыва меди и образования заусенцев. Именно высокая доля брака при скрайбировании в предыдущем заказе вынудила завод дооснастить производство и изменить профиль дисковых пил с V-образного на U-образный.

При малой толщине плат технология реза на треть толщины является нецелесообразной. В этом случае применение технологии реза на треть толщины мало приемлемо по причине малой остаточной толщины материала диэлектрика между канавками. К примеру, при толщине плат, равной 1,00 мм, номинальное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками составит 0,33 мм. Однако если учесть максимальные отклонения глубины реза, то получим минимальное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками равное 0,13 мм. Такая остаточная толщина соизмерима с размерами пучков пряжи волокон стеклоткани, что создаст недопустимо малую жесткость панели. Если хотя бы одна из линий скрайбирования будет иметь остаточное значение толщины диэлектрика между разделительными канавками равное 0,20 мм или менее, это гарантировано повлечет за собой разрушение панели при монтаже и вероятное разрушение панели при транспортировке или подготовительно-заготовительных операциях.

То обстоятельство, что в предыдущем заказе финальная толщина диэлектрика между разделительными канавками составила треть от толщины платы, объясняется только совпадением: суммарная погрешность глубины реза была таковой, что при заданной толщине в 0,50 мм фактическая толщина составила около 0,35 мм. Исходя из этих соображений, завод в каждой конкретной ситуации, руководствуясь накопленным опытом и существующими в отрасли рекомендациями, принимает самостоятельное решение о выборе необходимого профиля дисковых пил и глубине реза при выполнении операций скрайбирования. В случае, если заказчик настаивает на каком-то определенном типе скрайбирования (форме канавок и/или глубине реза), завод не берет на себя ответственность за разрушение групповой панели на любом из технологических процессов.

Заключение

Ошибочными считаются суждения  о том, что применение специального оборудования для разрезания групповой заготовки на платы представляется нецелесообразным по причинам:

  • высокой стоимости оборудования;
  • отсутствия номенклатуры плат для обработки на оборудовании;
  • отсутствия отказов в практике выполнения операции ручного разделения плат ранее.

Настоятельно рекомендуем  отказаться от практики разделения групповых панелей вручную, поскольку применение специального оборудования значительно снижает риск выхода из строя корпусов ЭРЭ, расположенных в непосредственной близости от линий скрайбирования.

 

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Ничто не идеально: понятие погрешности (допуска)

Дизайнеры печатных плат делают все возможное, чтобы придерживаться высокой точности.

Но реальное производство всегда несовершенно. Всегда существуют некоторые отклонения от модели проектирования, такие как: погрешность совмещения слоёв платы, погрешность позиционирования сверловки, флуктуации концентраций химических растворов, вследствие которых края проводников не получаются идеально ровными, и многое другое.

  • Наши системы проектирования предполагают, что отверстия находятся идеально в центре площадок. Так никогда не бывает.
  • Мы декларируем определенную ширину дорожек и величину зазоров, но, когда мы их замеряем на изготовленной плате, они всегда слегка отличаются.
  • Слои печатной платы в системе проектирования всегда идеально совмещены на мониторе, но производителю никогда не удается добиться полного совмещения. Всегда происходит некоторое рассовмещение слоев.
  • Дизайн платы предполагает, что она будет идеально плоской. В конечном же продукте плата всегда имеет деформации в виде прогиба или кручения. Чаще всего эти деформации настолько малы, что выявить их можно только посредством специального оборудования.
  • При проектировании печатной платы возникает необходимость обеспечения определенного импеданса некоторых цепей. На реальной плате измеренный импеданс всегда будет отличаться от расчетных значений.

Этот перечень можно продолжать. Каждый дизайнер при проектировании рассчитывает наиболее точные значения параметров ПП. Наши системы проектирования показывают нам идеальные платы. Однако в реальности изготовленные платы в той или иной степени отличаются от идеала, который создал конструктор.  Как правило, эти различия допустимы и не приносят вреда для функционирования устройства.

Что допустимо?

Измерение определенных параметров в партии изготовленных плат покажет некоторые отклонения от значений, заложенных в дизайн. Поэтому для конструктора нужно определить, какой диапазон значений для каждого вида измерений является приемлемым и при каком значении того или иного параметра нужно отбраковать плату как несоответствующую. Эти диапазоны называются допусками.

Предположим, что у нас есть схемное решение для проектирования печатной платы, которую необходимо смонтировать в металлический корпус. Предопределенный размер корпуса больше, чем площадь, которая нам нужна для реализации схемы устройства на печатной плате. При такой постановке задачи у нас есть все условия для комфортной работы.  Мы можем размещать компоненты наиболее комфортно для создания дизайна по всей площади печатной платы. Наша цель — убедиться, что спроектированная плата соответствует размеру корпуса. Мы можем располагать компоненты далеко от края платы и позволить изготовить плату с достаточно большим отклонением значений размеров.

А сейчас предположим, что подобная плата должна быть размещена в стандартном слоте расширения ПК и будет иметь металлизированный краевой разъем. В этом случае на проектируемой плате будут присутствовать элементы сопряжения, обеспечение точности и изготовления которых чрезвычайно важно. К точности изготовления контура платы будут предъявлены повышенные требования. Допуски должны быть минимальными для того, чтобы обеспечить надлежащее сопряжение с разъемом ПК и фиксацию в корпусе. Меньший допуск может быть реализован при использовании стандартного технологического процесса изготовления ПП, но это повышает сложность механической обработки контура и реализации элементов дизайна ПП, повышает стоимость изготовления и приводит к усложнению обеспечения требуемого допуска.

Теперь давайте предположим, что существует требование реализовать схему на печатной плате, размер которой ограничен размером корпуса сотового телефона, приводя к возникновению определенных ограничений на расположение компонентов и топологию, что вызывает более жесткие требования к точности изготовления элементов дизайна печатных плат. Конструктор должен понимать возможности производства при проектировании. Реализация проекта может сузить круг производств, которые смогут реализовать конструкцию, обеспечив малые допуски.

Этот пример наглядно демонстрирует, что к одному и тому же дизайну могут предъявляться разные требования, основанные на его конечном применении, и в зависимости от применения — на реализацию размеров изготовления элементов дизайна. Необходимо понимать, что допуск на размеры — это всего лишь один из множества критериев. Может быть важной толщина платы или же толщина покрытия, диаметр отверстия сверловки, совмещение слоев, гарантийный поясок, свойства диэлектрика, параметры панелизации и т.д. Существует много параметров, которые способствуют успешной реализации проекта. Необходимо уделять немного времени каждому из них в рамках процесса разработки ПП.

Допустим, что мы изучили все факторы, при которых могут варьироваться параметры печатной платы, определили допуск на каждый параметр и собрали все в спецификацию. Когда мы работаем над следующим дизайном, мы можем использовать часть предыдущей спецификации, изменяя только те параметры, которые отличаются в значительной мере. Таким образом компания разрабатывает общую систему спецификаций, которая удовлетворяет требования к разработке всех или большей части изделий.

В начале развития электронной индустрии крупные компании приложили много усилий для создания таких спецификаций. Естественно, хранили эту документацию в секрете для поддержания конкурентного преимущества. Поэтому многие из них были защищены авторскими правами. Обмен опытом между предприятиями был незначителен, а открытые обсуждения и семинары не проводились.

Если посмотрим на эту ситуацию с точки зрения производителя печатных плат, то получим следующую картину:

  • Разные клиенты предоставляют КД для производства с разными значениями параметров плат, разными требованиями и допусками. Это усложняет обработку заказов, подготовку производства, вносит ограничения в технологический процесс изготовления печатных плат, добавляя накладные расходы на испытания и контроль.
  • Не все дизайнеры печатных плат имеют полное представление о технологическом процессе производства печатных плат. Они иногда завышают технологические нормы, не имея на то реальных оснований, тем самым увеличивают стоимость плат, добавляя к ней  ненужные расходы.

В сложившейся ситуации насущной необходимостью является наличие набора базовых документов, применяемых в качестве стандартов для определения допустимых погрешностей, которые могут быть использованы дизайнерами при проектировании печатных плат.

Стандарты отрасли

IPC предоставляет серию технических документов почти по каждому аспекту электронной промышленности, добавляя все новые, чтобы не отставать от развития современных технологических процессов изготовления печатных плат. Они разработаны группами добровольцев из каждого сектора промышленности. Некоторые из документов — совместные публикации с ANSI и JEDEC, двух всемирных организаций по разработке и внедрению стандартов.

 

Ниже представлен краткий перечень основных стандартов, их связи между собой в процессе развития современной электроники.

Большинство старых американских военных спецификаций были объявлены устаревшими и заменены стандартами IPC. Все больше компаний используют в качестве основы в своих разработках IPC стандарты. Стандарты постоянно совершенствуются и позволяют более продуктивно обмениваться КД, улучшают коммуникативность при разработке и изготовлении печатных плат.

Независимо от того, сколько усилий приложат для создания дизайна печатных плат, сами платы будут иметь ряд погрешностей изготовления, которые возникают в результате технологических допусков.

Необходимо четко разграничивать:

  • Какие параметры изготовления являются предпочтительными?
  • Какие допуски являются приемлемыми?
  • Какие отклонения можно принять, а какие забраковать?

Ряд критериев, которые определяют качество плат, может варьироваться в зависимости от типа устройств, для которых они разрабатываются. То, что будет приемлемо для недорогих игрушек, далеко не всегда допустимо для медицинского оборудования. Три основных класса электронных устройств были введены для того, чтобы отразить разницу в работоспособности, сложности, функциональных требованиях к эффективности, тестированию.

  • Класс 1 — Электронные изделия общего назначения: изделия с ограниченным сроком службы, для которых основным требованием к готовому изделию является его функционирование.
  • Класс 2 — Специализированные электронные изделия: изделия, от которых требуется продолжительное функционирование и повышенный срок службы, и для которых бесперебойная работа желательна, но не является особенно важной.
  • Класс 3 — Электронные изделия для ответственных применений: изделия, для которых непрерывное функционирование с особыми эксплуатационными характеристиками либо работа по необходимости являются особо важными, не допускаются периоды неисправного состояния оборудования, и оборудование должно функционировать всегда, когда это требуется.

Разработчик электронного изделия ответственен за определение класса продукта. Производитель не может принимать решение о принадлежности устройства к тому или иному классу. Отправляя дизайн печатной платы в производство, разработчик должен указать класс, по которому будет изготовлена плата, параметры, которые того требуют.

Есть несколько IPC стандартов, которые можно принять за основу дизайна печатных плат:

  • IPC-2221 — общий стандарт на проектирование печатных плат;
  • IPC-2222 — стандарт по конструированию жестких печатных плат на органической основе;
  • IPC-7351 — требования по конструированию контактных площадок и печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа;
  • IPC-6011 — общие требования к печатным платам;
  • IPC-6012 — общие требования к жестким печатным платам.

Если возникает необходимость в решении вопросов, связанных с производственными дефектами, инженерам будут полезны еще два стандарта:

  • IPC-A-600 — критерии приемки печатных плат;
  • IPC-A-610 — критерии приемки электронных сборок.

Для ваших дизайнов, которые используют специальные технологии, такие как BGAs, HDI, BTCs и т.д., полезными будут публикации по этим темам. Стандарты IPC были созданы по многим специализированным тематикам. Среди них: хранение печатных плат, свойства базовых материалов, требования к обработке заготовок и прессованию, технологии встраиваемых компонентов, технологии металлизации и нанесения финишных покрытий, защитных масок и шелкографии, технологии изготовления сквозных и несквозных отверстий, выполнение отмывки платы/узла, изготовления трафаретов, ремонта плат и изделий, оптического и электронного контроля качества изготовления плат, панелизации, контроля размеров, испытаний на паяемость и нагревостойкость, а также многое другое.

Стандарты дают конструктору базис на каждом этапе проектирования изделия применительно к печатным платам, начиная с дизайна, заканчивая функциональными испытаниями.

Опубликованные стандарты и руководства включают в себя ценный опыт многих инженеров, их общий вклад дал нам основу, на которой строится наша работа. Стандарты предоставляют нам общий инструмент для оценки результатов решений, принятых при разработке дизайна и в производственном процессе. Эффективное использование этих стандартов позволяет нам сберечь ресурсы, время и деньги.

По мере развития технологий, с усовершенствованием материалов и процессов стандарты и руководства продолжают дополняться и развиваться.

Автор Jack Olson. Перевод ИКТ. Источник www.magazines007.com

Отправьте запрос для получения консультации по вопросам приобретения стандартов IPC:

Запрос отправляется...

The server encountered an error.

Запрос успешно отправлен

Влияние применения двойной защитной маски на качество нанесения пасты через трафарет и, как следствие, на качество пайки микросхем в корпусах BGA

Вводные данные

Многослойная структура, III класс надежности.

Цель проведения исследования

 В процессе производства печатных плат на них  была  нанесена двойная защитная паяльная  маска. В сопроводительной записке к комплекту гербер-файлов на печатную плату указана возможность использования как жидких, так и сухих масок. Финишная толщина маски в сопроводительной документации не указана. Теоретически толщина маски увеличится. Каковы предпосылки нанесения двойной защитной маски? Скажется ли применение двойной защитной маски на качестве монтажа?

Исследование

Технология двойной защитной маски применяется  при производстве сложных печатных плат, которые предполагается использовать в особо ответственной аппаратуре, в тех случаях, когда обычные маски не способны удовлетворить требования стандарта IPC-A-600E, согласно III классу надежности. Эта технология позволяет добиться наилучших результатов качества защитного покрытия и его надежности. Благодаря комбинации двух типов маски достигаются такие параметры, как высокая точность нанесения маски и формирования окон в ней, свойственная тонким маскам типа LPI (liquid photo imageable). В то же время достигается высокая надежность, прочность, стойкость и плоскостность, свойственная толстым маскам типа DFM (dry film solder mask). Помимо этого, технология двойной маски позволяет более качественно заполнять переходные отверстия, сохраняя при этом высокую степень плоскостности поверхности платы.

Изображение 1

Двойная защитная маска

Суть технологии нанесения  двойной защитной маски состоит в следующем. На первом этапе на плату обычным способом наносится маска типа LPI с небольшим отклонением от типового технологического процесса нанесения. Это отклонение состоит в пониженной вязкости неотверженной акриловой смолы.  Пониженная вязкость достигается добавлением большего количества растворителя, при неизменном количестве смолы и отвердителя. Вследствие низкой вязкости смолы происходит качественное заполнение мелких переходных отверстий. Заполнение такого качества недостижимо при использовании смолы нормальной вязкости, так как вследствие капиллярных эффектов не происходит полного протекания смолы в полость мелких переходных отверстий. Однако понижение вязкости смолы создает ряд трудностей.

  • Во-первых, вследствие повышенной текучести маска из смолы пониженной вязкости имеет небольшую толщину на поверхности элементов печатного рисунка. Особенно это заметно на площадках переходных отверстий в области сверловок. В этих местах толщина маски после отверждения не соответствует требованиям III класса надежности стандарта IPC-A-600E.
  • Во-вторых, поверхность платы довольно неровная: в местах, где расположены проводники, маска бугрится. Неровности покрытия особенно заметны при использовании базовой фольги достаточно большой толщины и толстого слоя гальванической меди (в рассматриваемом проекте толщина гальванической меди равна 30 мкм).
  • В-третьих, в области переходных отверстий, на месте сверловки, образуются углубления. Чем ниже вязкость неотвержденной смолы, тем больше глубина углублений после отверждения смолы. Для печатных плат, на которых монтируются микросхемы в корпусах типа BGA, LGA, QFN и т.п., наличие ямок либо не допускается (корпуса с малым шагом выводов/шариков), либо строго регламентируется их глубина.

Второй этап технологии нанесения двойной защитной маски состоит в нанесении поверх отвержденного слоя маски пониженной вязкости второго слоя маски, с уже нормальными параметрами. При этом для обычных плат в качестве второго слоя применяется маска типа LPI, а для сложных плат с корпусами типа BGA, LGA, QFN, как правило, маска типа DFM малой толщины. Второй слой маски упрочняет покрытие, скрывает неровности, заполняет ямки в сверловках переходных отверстий, заполненных  смолой на первом этапе. Совокупная толщина двойной маски в местах расположения элементов печатного дизайна не превышает 100 мкм, что не превышает типовых значений толщины большинства масок типа DFM.

Изображение 2

Контактные площадки платы

На плате смонтирована микросхема серии OMAP5910 в корпусе типа BGA с шагом 1,00 мм и диаметром шарика 0,40..0,60 мм (согласно описанию производителя). Размер контактной площадки под шарик на плате составляет 0,40 мм. Предположим, что паста наносится с помощью трафарета толщиной 0,15 мм и имеет размер апертуры 0,40 мм. Номинальный диаметр шарика вывода составляет 0,50 мм.

При диаметре апертуры в 0,40 мм диаметр окна под нанесение пасты составит:

Sпасты = ? • R2 = 3,1415 • 0,202 = 0,1256 мм2

При толщине трафарета, равной 0,15 мм, объем наносимой пасты составит:

Vпасты= Sпасты • hтраф = 0,1256 • 0,15 = 0,0188 мм3

Содержание припоя в пасте составляет по весу около 92%, а по объему – 51%. После расплавления пасты и испарения флюса, содержащегося в ней, объем припоя составит:

Vприп= Vпасты • ?V = 0,0188 • 0,51 = 0,0096 мм3

Объем шарика припоя диаметром 0,50 мм составляет:

Vном.шар.= 4/3 • ? • R3 = 4/3 • ? • 0,253 = 0,0654 мм3

Объем паяного соединения после отверждения составляет:

Vпаян. соед.= Vприп + Vном.шар. = 0,0096 + 0,0654 = 0,0750 мм3

Диаметр такого паяного соединения при условии, что оно примет шарообразную форму, составит:

Dпаян. соед.= 2 • (Vпаян. соед. • 3 / 4 / ?)1/3 = 2 • (0,0750 • 3 / 4 • ?)1/3 = 0,523 мм3

Допустим, что вследствие большой толщины маски будет нанесено удвоенное количество пасты. Т.е. к толщине трафарета добавим толщину маски в 0,15 мм (самые толстые маски типа DFM). Тогда количество нанесенной пасты составит:

V`пасты= Sпасты • (hтраф + hмаски) =0,1256 • (0,15 + 0,15) = 0,0376 мм3

V`прип= V`пасты • ?V= 0,0376 • 0,51 = 0,0192 мм3

Объем паяного соединения в этом случае составит:

V`паян. соед.= V`прип + Vном.шар. = 0,0192 + 0,0654 = 0,0846 мм3

Диаметр паяного соединения составит:

D`паян. соед.= 2 • (V`паян. соед. • 3 / 4 / ?)1/3 = 2 • (0,0846 • 3 / 4 / ?))1/3 = 0,545 мм3

Как видно из расчетов, значительное увеличение толщины маски мало влияет на увеличение объема паяного соединения (разница составляет 12,8%) и очень мало увеличивает диаметр паяного соединения (разница составляет 4,2%). Увеличение диаметра паяного соединения на 0,045 мм значительно меньше, чем отклонение диаметра шарика от номинального, декларируемое производителем (±0,10 мм). Более того, для корпусов BGA, которые выполнены на подложке из FR-4, (и) имеют большие линейные размеры и большое количество выводов при шаге 1,00 мм и менее, существует практика избыточного нанесения пасты на места пайки. Это способствует снижению брака пайки вследствие неравномерного линейного расширения и деформации изгиба подложки BGA-компонента при нагревании в печи.

Заключение

Применение двойной защитной паяльной маски не сможет кардинально сказаться на увеличении ее толщины  и, как следствие, на качестве паяных соединений корпусов типа BGA..

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Трудности установки разъемов в монтажные отверстия

Вводные данные

Покрытие типа HASL (Sn/Pb), класс точности платы  –  четвертый.

Цель проведения исследования

 На платах, которые были изготовлены согласно гербер-файлам заказчика,  в процессе сборки обнаружилась следующая проблема – разъемы типа PLS с трудом устанавливаются в монтажные отверстия. На некоторых платах для того, чтобы установить разъемы необходимо приложить усилия.

Исследование

Платы были изготовлены согласно техническим требованиям, указанным в сопроводительной записке к гербер-файлам. В частности, применялось покрытие типа HASL (Sn/Pb), класс точности платы  –  четвертый.

Согласно BOM-файлу (Bill of Material) разъемы типа PLS – это разъемы с позиционным обозначением Х5 (PLS-2R штыревая планка 2pin, угловая 2,54mm) и Х7 (PLS-2 штыревая планка 2pin, прямая 2,54mm). На скриншоте ниже показана информация о монтажных отверстиях для установки разъема Х5. Отверстия, о которых отображается информация, подсвечены белым цветом.

Изображение 1

Отверстия для установки разъема

Изучение гербер-файлов и файлов сверловки показало, что указанный разъем будет установлен в отверстия диаметром 0,035 дюйма (отверстие диаметром 0,035" соответствует метрическому размеру 0,90 мм). Согласно ГОСТ 23751-86 (смотрите выдержку из ГОСТа ниже) для отверстий диаметром до 1,00 мм на таких платах, изготовленных по 4-му классу точности и имеющих оловянно-свинцовое покрытие, выполненное методом оплавления с выравниванием воздушными ножами, предельное отклонение диаметра отверстия может составлять от +0,00 мм до –0,13 мм.

Таким образом, диапазон размеров допустимых диаметров указанных отверстий составляет от 0,77 мм до 0,90 мм. Для таких отверстий, исходя из условий надежной и качественной пайки, максимальный диаметр вывода круглого сечения должен составлять не более 0,67 мм, либо же диагональ вывода квадратного или прямоугольного сечения не должна превышать 0,77 мм.

Диаметр отверстия,

d  мм

Наличие металлизации

До 1,0

1

2

3

4

5

Предельное отклонение диаметра для класса точности мм

Свыше 1,0

Без металлизации

С металлизацией без оплавления

С металлизацией и оплавлением

± 0,10

+0,05;-0,15

 

+0,05;-0,18

± 0,15

+0,10;-0,20

 

+0,10;-0,23

± 0,15

+0,10;-0,20

 

+0,10;-0,23

± 0,10

+0,05;-0,15

 

+0,05;-0,18

± 0,10

+0,05;-0,15

 

+0,05;-0,18

± 0,10

+0,05;-0,15

 

+0,05;-0,18

± 0,10

+0,05;-0,15

 

+0,05;-0,18

± 0,05

+0;-0,10

 

+0;-0,13

± 0,05

+0;-0,10

 

+0;-0,13

± 0,05 (±0,025)

+0;-0,10 (+0;-0,75)

 

+0;-0,13

Без металлизации

С металлизацией без оплавления

С металлизацией и оплавлением

Штыревые разъемы типа PLS имеют выводы квадратного сечения размером 0,64 мм, выполненные с точностью ±0,02 мм (смотрите рисунки ниже).  Максимальное значение диагонали такого вывода, с учетом максимального положительного отклонения размера, составляет ?2х(0,64+0,02)2 = 0,93 мм.

Рекомендуем использовать для разъемов типа PLS, а также подобным им BH, PBD, WF(WH), имеющим такой же шаг и размер вывода, отверстия диаметром 1,20мм для печатных плат с металлизацией отверстия и покрытием типа HASL, или не менее 1,02 мм для однослойных плат, или плат без металлизации отверстий. Для плат с металлизацией отверстий, но с иммерсионными финишными покрытиями диаметр отверстия под монтаж указанных разъемов не должен быть менее 1,10 мм.

Заключение

Очевидно, что выводы размером 0,93 мм не могут быть нормально установлены в заложенные в проект отверстия диаметром 0,90 мм, имеющие отклонения +0,00/–0,13 мм. Исключение может составлять только тот случай, когда погрешность на размер вывода составляет –0,02 мм, а погрешность на размер отверстия +0,00 мм. В этом случае диаметр отверстия составит 0,90мм, а диагональ вывода 0,88 мм. При такой комбинации отклонений от номинальных размеров отверстия и вывода установки разъема последующий монтаж может быть произведен без затруднений.

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Разрыв электрических соединений переходных отверстий малого диаметра в процессе двустороннего поверхностного монтажа в четырёхзонной конвекционной печи.

Автор: Игорь Барановский

Руководитель отдела проектирования печатных плат

Вводные данные

 Восьмислойная структура толщиной 1,6 мм выполненная на базовом материале FR4. Термопрофиль конвекционной пайки: 180-160-170-270°С при скорости конвейера 410мм/мин. Время хранения платы до начала монтажа: более 20 месяцев. Предварительная сушка плат перед монтажом не проводилась, либо проводилась при температуре 65°С в течение 2-х часов.

Причина исследования:  разрыв электрических соединений переходных отверстий малого диаметра непосредственно в процессе двустороннего поверхностного монтажа в четырёхзонной конвекционной печи, либо после влагозащиты полиуретановым лаком с последующей сушкой при температуре 65°С в течение 2-х часов.

Цель проведения исследования

 Проверка соответствия геометрических характеристик исследуемых переходных отверстий на соответствие требованиям стандарта IPC-A-600G class3.

Исследование

Перед исследованием был проведён выборочный контроль электрической целостности переходных отверстий малого диаметра и выявлены отверстия с разрывом. После этого был изготовлен поперечный микрошлиф области платы, содержащий несколько переходных отверстий разного диаметра, включая разорванные отверстия. Микрошлиф был изготовлен с учётом рекомендаций IPC-ТМ-650. Визуальная инспекция и измерения микрошлифа проводились при помощи стереоскопического микроскопа МБС-9.

Измерения толщины металлизации производились при 56-кратном увеличении. Результаты измерений: толщина металлизации переходных отверстий  диаметром 0,2 мм и 0,5 мм приблизительно одинакова и колеблется в пределах 26…30 мкм. При визуальной инспекции не было выявлено следов деламинации базового материала. Для более чёткой визуализации разрывов, микрошлиф был обработан раствором хлорного железа. В результате были выявлены множественные разрывы металлизации переходных отверстий диаметром 0,2 мм.

Изображение 1

Поперечный микрошлиф печатной платы

Изображение 2

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 1

Изображение 3

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 2

Изображение 4

Разрыв металлизации переходного отверстия. Фрагмент 3

Причиной большинства дефектов многослойных печатных плат, изготовленных из обычного материала FR-4, является невысокая температура стеклования эпоксидной смолы, входящей в состав диэлектрика и высокий коэффициент линейного расширения вдоль оси Z. Для примера сравним два материала – стандартный диэлектрик FR-4 марки DURAVER–104 фирмы ISOLA и материал FR-4 High Tg марки DURAVER–117 того же производителя.

Параметр

DURAVER–104

DURAVER–117

Температура стеклования смолы (Tg) °С

135

170

Коэффициент линейного расширения (a) смолы по оси X

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

13

12

при температуре выше Tg (x10-6/К)

7

7

Коэффициент линейного расширения(a) смолы по оси Y

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

16

17

при температуре выше Tg (x10-6/К)

14

12

Коэффициент линейного расширения (a) смолы по оси Z

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

80

60

при температуре выше Tg (x10-6/К)

280

260

Разница в свойствах объясняется строением полимерных молекул эпоксидных смол, которыми пропитана стеклоткань. Для материалов группы FR-4 используются дифункциональные (диановые) смолы.

Строение мономера такой смолы изображено на изображении 5.

Название этих смол происходит от наличия двух функциональных групп в составе мономера, с помощью которых могут быть образованы линейные полимерные цепочки. В зависимости от длины цепочки полимера (количества повторяющихся групп мономера) изменяется молекулярный вес полимерной молекулы. Чем больше молекулярный вес молекулы, тем выше температура стеклования смолы, тем меньше коэффициент линейного расширения диэлектрика.

На изображении 6 изображено строение тетрафункциональной эпоксидной смолы.

В отличие от диановых смол, тетрафункциональные смолы имеют четыре функциональные группы, с помощью которых возможно образование уже не линейной полимерной молекулы, а пространственной структуры сложной конфигурации с большим молекулярным весом.

 Диэлектрики на основе только тетрафункциональных эпоксидных смол имеют более высокие значения параметров, в отличие от диэлектриков на основе диановых смол (обычные материалы группы FR-4) и диэлектриков со смолами смешанного состава (материалы группы FR-4 High-Tg невысокой стоимости, например DURAVER–117) – для удешевления материалов стеклоткань пропитывается смесью диановой и тетрафункциональных смол.

Изображение 5

Формула мономера дифункциональной смолы

Изображение 6

Формула молекулы тетрафункциональной эпоксидной смолы

Свойства материалов на основе тетрафункциональных смол:

Параметр

ITEC IT180A

ISOLA IS420

Температура стеклования смолы (Tg) °С

180

180

Коэффициент линейного расширения (a) смолы по оси X

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

12

12

при температуре выше Tg (x10-6/К)

6

5

Коэффициент линейного расширения(a) смолы по оси Y

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

16

15

при температуре выше Tg (x10-6/К)

12

12

Коэффициент линейного расширения (a) смолы по оси Z

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

50

40

при температуре выше Tg (x10-6/К)

220

200

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что все эпоксидные смолы гигроскопичны.

Накопление влаги смолой приводит к ухудшению свойств: уменьшается температура стеклования смолы, увеличивается коэффициент линейного расширения. Это связано с разрушающим воздействием воды на макромолекулу полимера эпоксидной смолы. Стойкость к воздействию влаги у разных смол различна. Для простых диановых смол с относительно короткими цепочками полимера влияние влаги наиболее критично. Разрушение макромолекул полимера приводит к значительному снижению молекулярной массы – короткие макромолекулы имеют малое “сцепление” друг с другом, увеличивается их относительная подвижность. Все это приводит к критическому росту коэффициента линейного расширения смолы вдоль оси Z (по толщине платы).

Изображение 7

Мономер разлагается на исходные компоненты под действием молекулы воды

Для тетрафункциональных смол картина в общем остается такой же. Но ввиду значительно большей молекулярной массы полимерных макромолекул, а также пространственной, а не линейной, структуры макромолекулы разрушительное воздействие влаги на свойства тетрафункциональных смол менее выражено.

Следует помнить, что после определенного значения увлажнения диэлектрика процессы разложения полимерных макромолекул эпоксидной смолы становятся необратимыми. В этом случае сушка стеклотекстолита не приводит к восстановлению свойств. Для разных диэлектриков критичная степень увлажнения различна. Стеклотекстолит на основе диановых эпоксидных смол восстанавливает свои свойства после сушки только в том случае, если степень увлажнения была не более 2% от массового содержания эпоксидной смолы в составе диэлектрика (по данным Isola).

Изменение параметров различных типов диэлектриков после гидрации:

Параметр

DURAVER–104

ITEC IT180A

DURAVER–117

ISOLA IS420

Температура стеклования смолы (Tg) °С

100

170

150

170

Коэффициент линейного расширения (a) смолы по оси X

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

13

12

12

12

при температуре выше Tg (x10-6/К)

7

6

7

5

Коэффициент линейного расширения(a) смолы по оси Y

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

16

16

17

15

при температуре выше Tg (x10-6/К)

14

12

12

12

Коэффициент линейного расширения (a) смолы по оси Z

при температуре ниже Tg (x10-6/К)

120

70

90

65

при температуре выше Tg (x10-6/К)

300

250

280

230

При расчете значения линейного расширения платы по толщине для этих материалов получим такие результаты для профиля с верхней температурой пайки 230°С:

DURAVER–104:  (135-20)x80x10-6+(230-135)x280x10-6= 0,0358, то есть около 3,6%.

DURAVER–117:  (170-20)x60x10-6+(230-170)x260x10-6= 0,0246, то есть около 2,5%.

ITEC IT180A: (180-20)x50x10-6+(230-180)x220x10-6= 0,019, то есть около 1,9%.

ISOLA IS420: (180-20)x40x10-6+(230-180)x200x10-6= 0,0164, то есть около 1,6%.

В случае длительного воздействия влаги на диэлектрик с последующей потерей свойств результаты расчета параметров примут следующий вид:

DURAVER–104: (100-20)x120x10-6+(230-100)x300x10-6= 0,0486, то есть около 4,9%.

DURAVER–117: (150-20)x90x10-6+(230-150)x280x10-6= 0,0341, то есть около 3,4%.

ITEC IT180A: (170-20)x70x10-6+(230-170)x250x10-6= 0,0255, то есть около 2,6%.

ISOLA IS420: (170-20)x65x10-6+(230-170)x230x10-6= 0,0236, то есть около 2,4%.

Из расчетов очевидно, что любой диэлектрик из группы FR-4 High-Tg, даже после старения вследствие длительного воздействия влаги, имеет значение коэффициента линейного расширения по толщине меньше, чем у “свежего” стеклотекстолита из группы FR-4. Именно по этой причине при проектировании сложных многослойных печатных плат следует отдавать предпочтение материалам из группы FR-4 High-Tg. Особенно, если к платам предъявляются жесткие требования по надежности и срокам хранения.

Само по себе увеличение толщины печатных плат при нагревании во время монтажа недостаточно информативно. Для того, чтобы понять причины возникновения обрывов металлизации переходных отверстий, необходимо сравнить коэффициенты линейного расширения диэлектриков и меди, а также помнить, что гальваническая медь в переходном отверстии имеет граничное значение удлинения, после которого пластичность меди недостаточна для противодействия деформирующему воздействию расширяющегося диэлектрика.

Температурный коэффициент линейного расширения гальванической меди практически не зависит от технологии осаждения и составляет около 17x10-6/К. Предел прочности при линейном расширении составляет 3,5..4,0% для гальванической меди, используемой для печатных плат из диэлектриков группы FR-4.

Для использования в печатных платах, отвечающих нормам RoHS, совместно с диэлектриками группы FR-4 High Tg применяется более дорогостоящий техпроцесс осаждения меди. Предел прочности меди для таких плат составляет не более 6,0%. Путем добавления специальных примесей, увеличивающих пластичность гальванической меди, можно достичь значения предела прочности до 8,0%.

Сравнивая коэффициент линейного расширения стеклотекстолита группы FR-4 до и после старения под воздействием влаги для профиля пайки с максимальной температурой 220°С (именно такой профиль использовался при монтаже исследуемых плат) с пределом прочности обычной гальванической меди, можно сделать заключение:

Вероятность обрыва переходных отверстий при монтаже плат, которые подверглись длительному воздействию влаги, очень высока, поскольку линейное расширение деградировавшего диэлектрика в поперечном сечении при нагревании до температуры пайки выше предела прочности гальванической меди на разрыв.

Результаты расчета ниже:

FR-4 “свежий”  –  (135-20)x80x10-6+(220-135)x280x10-6= 0,033 около 3,3%.

FR-4 после гидрации  –  (100-20)x120x10-6+(220-100)x300x10-6= 0,0456 около 4,6%.

Предел прочности для гальванической меди при линейном расширении не более 4,0%.

Следует помнить, что гальваническая медь, вследствие своей пористой структуры, также подвержена старению и деградации своих свойств под воздействием влаги. Медь коррозирует, образуются центры внутренних напряженностей. Это снижает пластичность меди и уменьшает предельное значение удлинения. Кроме того, присутствие  влаги на границе контакта меди с диэлектриком снижает адгезию меди, что еще более способствует ослаблению межслойных переходов. Это обстоятельство особенно критично для очень мелких переходных отверстий, у которых, вследствие малого диаметра, мала площадь поверхности контакта меди с диэлектриком.

Рекомендации

Для исключения описанных выше дефектов рекомендуем:

1) Изготавливать печатные платы на базовом материале FR-4 High Tg.

2) Для предотвращения процессов гидрации эпоксидной смолы при длительных сроках хранения многослойных печатных плат необходимо предпринимать меры, предотвращающие проникновение влаги в структуру многослойной платы, обращаться с ними как с компонентами, чувствительными к влаге (согласно рекомендаций IPC/JDEC JSTD–020 и JST –020 для компонентов с уровнем чувствительности к влаге не ниже 2а).Особенно тщательно необходимо соблюдать условия хранения печатных плат, применять рекомендованные производителями печатных плат упаковочные материалы.

Все производители печатных плат поставляют свою продукцию в групповой транспортной защитной упаковке. Эта упаковка защищает платы от атмосферных осадков, водяных брызг, пыли, песка и аэрозолей во время транспортировки. Согласно ГОСТ 23216-78 эта упаковка может быть отнесена к категории КУ-1 или к категории КУ-2, в зависимости от производителя, типа поставляемых плат, условий доставки. Условия и время хранения печатных плат в упаковках такого типа регламентируются изготовителем на тех же условиях, что и хранение без упаковки. А именно: хранение печатных плат при температуре +5..8°С  допускается до 6 месяцев (снижение  температуры хранения ниже +5°С не увеличивает срок хранения плат); хранение печатных плат при температуре +15..20°С и относительной влажности воздуха до 50%  допускается на срок до  3-х месяцев; хранение печатных плат при температурах +25..30°С и относительной влажности воздуха более 50% допускается не более чем в течение 168 часов.

По истечении срока хранения платы должны пройти процедуру сушки, кондиционирования и переупаковки. Следует избегать ситуаций, когда платы в процессе хранения подвергаются сушке более чем два раза.

Наиболее оптимальный вариант сушки – щадящая сушка при пониженном давлении. Режим сушки: 15..30 минут при температуре 80..100°С в вертикальных подвесах при пониженном давлении. Определяющим фактором применительно к качеству сушки является степень вакуумирования – чем ниже давление, тем выше качество осушения. Наилучшие результаты сушки оказываются при давлении в камере около 900 мбар.

Основные преимущества щадящей сушки:

  • не приводит к старению и деградации финишного покрытия контактных площадок на печатной плате;
  • величина термоудара на печатную плату минимальна;
  • степень осушения эпоксидной смолы  наивысшая.

В ситуации, когда нет возможности произвести щадящую сушку при пониженном давлении, следует производить сушку печатных плат при нормальном давлении по следующему режиму:  время сушки не менее 30 минут, температура сушки не менее 100°С (но не выше температуры стеклования эпоксидной смолы).

Приложение и снятие температуры к платам должно происходить плавно с градиентом не более 3°С/сек. Сушка должна производиться на вертикальных подвесах. Сушка плат в горизонтальном положении, а тем более стопкой, неэффективна.

Изображение 8

Пакет антистатический с низкой паропроницаемостью

Изображение 9

Индикатор влажности

В случае, если необходимо длительное хранение и нет возможности хранить печатные платы при низких температурах, следует применять специальную упаковку с низким коэффициентом паропроницаемости. Согласно рекомендациям стандарта EIA 583 коэффициент паропроницаемости (WVTR) должен быть не более 0,13 грамма влаги на 1 м2 поверхности упаковки за сутки. На изображении 8 показан внешний вид таких упаковочных материалов. На все время хранения упаковка должна быть герметично закрытой.

Помимо влагонепроницаемой упаковки платы должны храниться с применением абсорбентов, например, силикагеля. В каждую упаковку необходимо вкладывать индикатор влажности (изображение 9). При достижении  влажности внутри упаковки более  40% платы должны пройти процедуру  кондиционирования, а в случае превышения влажности более 50% – пройти сушку. После этого платы можно перепаковать, заменить абсорбент и хранить далее.Согласно ГОСТ 23216-78 такой вид упаковки может классифицироваться как  КУ-3Б или КУ-4.

Платы, в качестве финишного покрытия которых используется иммерсионное олово или бессвинцовый HASL, должны храниться в подобного рода упаковках не зависимо от периода хранения. Это связано с активным старением финишного покрытия при нормальных температурах и влажности.

3) При конвекционной пайке используйте “мягкие” профили с плавным и равномерным нарастанием температуры (градиент нарастания не более 3°С/сек и остывания не более 6°С/сек). Максимальная температура МПП при этом не должна превышать 240-245°С при использовании плат на основе  материалов из группы FR-4 High-Tg (бессвинцовый техпроцесс монтажа). Время нагрева от комнатной до максимальной температуры – не более 5-ти минут.

Заключение

Геометрические характеристики исследуемых отверстий отвечают требованиям стандарта IPC-A-600G class3. Видимых следов деламинации базового материала не обнаружено. Результаты исследования показали, что причины разрывов металлизации переходных отверстий вызваны наличием влаги в платах и жестким режимом конвекционной пайки.

Вернуться в начало статьи

Вернуться в начало страницы

Методы производства печатных плат.

 Цикл статей: Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. Часть 1.

Автор: Павел Гревцов

До недавнего времени мы обходились достаточно простыми 4-х и 6-ти слойными платами. Виду сравнительной несложности плат, структура платы не проектировалась. В настоящщий момент вследствие применения более сложных комплектующих, а также необходимости использования ПЛИС в корпусах BGA с большим количеством выводов, встала задача проектирования плат с количеством слоев 12 и более. Какие современные технологии используются для изготовления таких плат? Какие проблемы могут возникнуть при проектировании плат такой сложности? Что необходимо учесть для обеспечения высокой надежности плат, для предотвращения их деформации при пайке? Как оптимальнее расположить слои в случае необходимости обеспечения волнового сопротивления проводников?

Правильный выбор материалов, технологических процессов и элементной базы при разработке современных печатных плат во многом определяет уровень работоспособности и надежности электронного устройства в целом. При этом необходимо учитывать следующие аспекты:

  • Назначение электронной системы: технические условия на изделие, ожидаемый рабочий ресурс, элементная база с характеристиками по быстродействию, выходному сопротивлению, уровню рабочих сигналов, напряжению питания и т.п.
  • Эксплуатационные требования: возможность профилактики и ремонта.
  • Условия окружающей среды в процессе хранения и эксплуатации.
  • Технология изготовления: совместимость с действующим производством, степень и характер механизации и автоматизации при заданном объеме производства.
  • Базовые и вспомогательные материалы: объем возможных поставок, необходимость отбора материалов по специальным требованиям.

Чтобы избежать проблем, возникающих при изготовлении многослойных печатных плат, а также определить причины, порождающие эти проблемы, необходимо четкое понимание сущности технологического процесса изготовления печатной платы еще на этапе  проектирования. Кроме этого, следует учитывать свойства материалов, из которых изготавливается плата, так как от них напрямую зависит ее качество.

В рамках данной статьи мы предлагаем начать знакомство с основами технологий изготовления печатных плат и особенностями поведения материалов для их производства.

Все методы производства печатных плат можно расположить в следующей последовательности (по возрастанию плотности печатного монтажа) :

  • односторонние печатные платы (ОПП);
  • двусторонние печатные платы (ДПП) комбинированным позитивным методом;
  • ДПП полуаддитивным методом;
  • ДПП полуаддитивным методом с дифференциальным травлением;
  • многослойные печатные платы (МПП) методом попарного прессования;
  • МПП методом металлизации сквозных отверстий;
  • МПП методом послойного наращивания;
  • МПП комбинацией методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания.

Основным отличием, характеризующим возможности того или иного метода, можно считать реализуемую им плотность межсоединений. При этом необходимо иметь в виду возможное и допустимое число монтажных точек на единицу площади поверхности платы. Чаще всего на практике ограничение плотности монтажа обусловлено размерами элементов и специальными требованиями к электрическим параметрам печатных связей.

Химический субтрактивный метод

- применяется при производстве однослойных печатных плат, а также при изготовлении внутренних слоев МПП (выполненных методами металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания).  Собственно с этого метода и начиналась индустрия печатных плат. В качестве исходного материала используются фольгированные медью изоляционные материалы. После переноса рисунка печатных проводников (в виде пленки, стойкой к растворам травления) на фольгированную основу не защищенные от нее места химически удаляются – стравливаются. Отсюда и  название метода. Защитную пленку  наносят полиграфическими методами: фотолитография (защитная пленка формируется из фоторезиста – материала, очувствляемого через фотокопию печатного рисунка – фотошаблон), трафаретная печать (используется специальная, химически стойкая краска) и др.

Этапы стандартного субтрактивного метода:

  • вырубка заготовки;
  • сверление отверстий (применяется только при изготовлении ОПП, при изготовлении заготовок внутренних слоев МПП эта технологическая операция отсутствует);
  • подготовка поверхности фольги (дезоксидация), устранение заусенцев (только для ОПП);
  • трафаретное нанесение краски (для ОПП) или нанесение и проявление фоторезиста (при изготовлении внутренних слоев МПП), закрывающих участки фольги, не подлежащих вытравливанию;
  • травление платы;
  • отмывка и сушка платы;
  • нанесение паяльной маски (только для ОПП);
  • горячее облуживание или нанесения альтернативного типа финишного покрытия [3] (только для ОПП);
  • нанесение маркировки (только для ОПП);
  • контроль.

Главные фрагменты субтрактивной технологии:

Последовательность операций при субтрактивной технологии изготовления плат: a) экспонирование фоторезиста (3) через фотошаблон-негатив (1) и защитную пленку (2); b) рисунок из фоторезиста проявлен и способен защитить фольгу (4) от травления; c) рисунок из фольги вытравлен; d) фоторезист удален – на основании ПП (5) остался рисунок проводников

Преимущества субтрактивного метода:

  • возможность полной автоматизации процесса;
  • высокая производительность;
  • низкая себестоимость.

Недостатки субтрактивного метода:

вследствие необходимости стравливания фольги сравнительно большой толщины образуются большие подтравы, что делает невозможным изготовление плат по высокому классу точности (с малыми значениями зазоров между элементами печатного проводника и малой шириной проводников). Поэтому для изготовления внутренних слоев МПП применяется более тонкая фольга – от 18 мкм и меньше. При ее стравливании образуются подтравы меньшей величины, что повышает класс точности;

необходимость использования фольгированных материалов, которые дороже, чем нефольгированные;

необходимость удаления дорогостоящей меди;

из-за образования больших объемов отработанных травильных растворов возникают дополнительные проблемы с их регенерацией, утилизацией и т.д.

Комбинированный позитивный метод (полуаддитивный метод)

- применятся при производстве ДПП, а также при изготовлении внутренних слоев МПП, выполненных методом попарного прессования. По своей сути комбинированные способы изготовления плат относятся к полуаддитивным. Как и при субтрактивном методе, для изготовления плат по полуаддитивной технологии используются фольгированные диэлектрики. Однако есть существенная разница: при производстве полуаддитивным методом толщина применяемой фольги значительно меньше. В современных технологических процессах изготовления МПП с применением полуаддитивных методов используется фольга толщиной 18 мкм, 12 мкм, 9 мкм и 5 мкм. Дальнейшее формирование рисунка проводников происходит, как и при аддитивных методах, путем гальванического осаждения меди с применением фотошаблонов.

Этапы комбинированного позитивного метода:

  • нарезка технологических заготовок;
  • очистка поверхности фольги (дезоксидация);
  • сверление отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ (эта технологическая операция применяется только при изготовлении ДПП и заготовок внутренних слоев МПП, выполненных по методу попарного прессования со скрытыми переходными отверстиями);
  • активация поверхности под химическую металлизацию;
  • тонкая химическая металлизация (до 1 мкм) или палладирование при использовании технологического процесса прямой металлизации отверстий (только для ДПП и заготовок внутренних слоев МПП со скрытыми переходными отверстиями);
  • предварительная тонкая гальваническая металлизация (до 6 мкм) – “гальваническая затяжка”;
  • нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон-позитив;
  • основная гальваническая металлизация (до 25 мкм толщины меди внутри отверстий);
  • нанесение металлорезиста;
  • удаление экспонированного фоторезиста;
  • травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка;
  • удаление металлорезиста;
  • нанесение контактных покрытий на концевые печатные ламели (только при изготовлении ДПП);
  • отмывка платы (заготовки МПП), сушка;
  • нанесение паяльной маски (только для ДПП);
  • нанесение финишного покрытия на контактные площадки [3] (только для ДПП);
  • нанесение маркировки (только для ДПП);
  • обрезка платы по контуру (только для ДПП);
  • электрическое тестирование, контроль.

Главные фрагменты комбинированного позитивного способа

Последовательность операций при комбинированном позитивном способе изготовления плат: a) экспонирование фоторезиста (3) через фотошаблон-позитив (1) и защитную пленку (2); b) рисунок из фоторезиста проявлен, на пробельные участки осаждена гальваническая медь (7); c) поверх гальванической меди нанесен металлорезист (6); d) фоторезист удален, остался металлорезист, который защитит рисунок топологии от травления; e) рисунок вытравлен; f) металлорезист удален – на основании ПП (5) остался рисунок проводников

Преимущества комбинированного позитивного метода:

  • возможность создания элементов печатного рисунка с высокой точностью. При использовании фольги толщиной 9 мкм достижимая степень разрешения проводников и зазоров между ними – 75 мкм;
  • практически на всех этапах техпроцесса фольга защищает диэлектрическое основание от воздействия технологических растворов. Этим достигается высокое качество поверхности диэлектрика и, как следствие, высокая надежность изоляции;
  • хорошая адгезия (прочность сцепления) элементов печатного рисунка и диэлектрического основания платы.

Недостатки комбинированного позитивного метода:

  • наличие операций травления приводит к возникновению бокового подтрава проводников. Это ограничивает разрешающую способность процесса. При использовании фольг толщиной 18 мкм и более обеспечение зазоров и ширин проводников на уровне 100 мкм уже может быть проблематичным, так как затрудняет изготовление ультрасложных плат (платы HDI – сверхвысокой плотности размещения элементов печатного рисунка);
  • травление рисунка по металлорезисту ограничивает свободу выбора травящих растворов, что влечет за собой рост стоимости изготовления по сравнению с применением типовых субтрактивных методов;
  • после завершения травления заготовок МПП необходимо удалять металлорезист, что ведет к увеличению расходов на изготовление.

Для МПП в основном используются методы металлизации сквозных отверстий. Метод попарного прессования уступил в свое время первенство ввиду более низкой гибкости и невозможности использования при создании плат с очень высоким классом точности. Часто метод попарного прессования применяется для изготовления внутренних слоев сложных МПП со скрытыми переходными отверстиями, расположенными внутри структуры плат. Метод послойного наращивания часто применяется в комбинации с методом металлизации сквозных отверстий (для создания сложных МПП со слепыми переходными отверстиями (платы HDI).

Метод попарного прессования печатных плат

- основан на выполнении межслойных соединений посредством металлизации отверстий, как и для обычных двухслойных плат. Для этого применяется полуаддитивный метод изготовления заготовок (или, как чаще называют, – ядер), из которых в дальнейшем и собирается пакет многослойки.

Простейшая структура МПП, реализованная таким методом

Простейший вариант структуры МПП попарного прессования: 1 — переходное металлизированное отверстие между наружным и внутренним слоем; 2 — сквозное металлизированное отверстие; 3 — проводник наружного слоя; 4 — проводник внутреннего слоя

Этапы метода попарного прессования:

  • с помощью комбинированного позитивного способа формируются будущие ядра МПП. Методика изготовления описана выше. Отличие состоит лишь в том, что для будущих наружных слоев рисунок топологии не изготавливается – фольга остается целой. Эти слои будут изготовлены на завершающих стадиях, после этапа прессования заготовки платы;
  • заготовки (ядра) с готовыми внутренними слоями спрессовываются. При прессовании между ядрами размещаются слои прокладочной стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой (такая ткань называется препрегом). Выдавленная при прессовании смола заполняет переходные отверстия, защищая их медное гальванопокрытие от химического воздействия при последующих технологических операциях;
  • сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
  • активация, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка – как и для ДПП при комбинированном позитивном способе, но уже применительно для заготовки МПП;
  • нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
  • основная гальваническая металлизация;
  • нанесение металлорезиста;
  • удаление экспонированного фоторезиста;
  • травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
  • удаление металлорезиста;
  • отмывка платы, сушка;
  • нанесение паяльной маски;
  • нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
  • нанесение маркировки;
  • обрезка платы по контуру;
  • электрическое тестирование, контроль.

Недостатки метода попарного прессования:

  • одним из главных недостатков такого метода является необходимость дважды осаждать на внешних слоях МПП гальваническую медь: сначала при металлизации переходных отверстий ядер, затем при металлизации сквозных металлизированных отверстий. Поэтому толщина меди наружных слоев может достигать в отдельных случаях значений 130–160 мкм (типовое значение – 70–100 мкм). Это резко снижает разрешающую способность рисунка на внешних слоях МПП (вследствие значительных боковых подтравов проводников). Кроме того, неравномерность толщины гальванической меди по плоскости платы не обеспечивает достаточного качества и плотности печатного рисунка;
  • при нанесении паяльной маски и защитных лаковых покрытий создаются затруднения в обеспечении качества такого покрытия – лаки стекают с высоких проводников, обнажая их острые кромки. Это приводит к необходимости использования (в качестве паяльных масок) специальных материалов, которые не дают высокой точности при формировании рисунка маски;
  • для обеспечения качества металлизации межслойных переходов и их высокой надежности необходимо обеспечить достаточную жесткость заготовок (ядер). Это обстоятельство не позволяет использовать (при таком методе изготовления МПП) тонкие ядра, что влечет резкое увеличение толщины МПП при большом количестве слоев, либо ограничивает количество слоев до 4-6 при необходимости обеспечения толщины платы 1,5-2,0 мм. Такое количество слоев не всегда позволяет получить необходимую плотность топологии;
  • для заполнения пробельных мест в рельефе печатного рисунка (между соседними слоями МПП) при высокой толщине меди проводников потребуется  значительное количество смолы. Это обстоятельство приводит к необходимости использования нескольких достаточно толстых слоев прокладочной стеклоткани (препрегов), что также приведет к увеличению суммарной толщины МПП;
  • при комбинировании используется два различных технологических метода: гальваническое осаждение меди и травление остатков медной фольги между проводниками. При этом  увеличивается стоимость техпроцесса, а также появляются дополнительные расходы на поддержание растворов, принимающих участие в техпроцессах;
  • для наращивания гальванической меди требуется большое время – несколько часов. Это удлиняет весь техпроцесс в целом и плохо стыкуется со временем, необходимым на стравливание меди (несколько минут — при использовании вертикального оборудования со струйным травлением).

Преимущества метода попарного прессования:

  • относительная простота реализации, поскольку он основан на обычной технологии металлизации отверстий двухсторонних плат, хорошо освоенной в промышленности;
  • высокая скорость изготовления плат, поскольку все заготовки (ядра) могут изготавливаться одновременно в одном технологическом цикле;
  • низкая чувствительность к браку и огрехам изготовления отдельных ядер. Это значительно увеличивает выход годной продукции и, как следствие, удешевляет стоимость МПП.

Метод попарного прессования широко распространен на предприятиях, специализирующихся на двухслойных и несложных многослойных платах. Именно этот метод применяется на подавляющем большинстве отечественных предприятий.

Метод послойного наращивания

- заключается в последовательном чередовании слоев изоляционного материала (препрега) и проводникового слоя. Соединения между проводящими элементами соседних печатных слоев производится гальваническим наращиванием меди в отверстиях изоляционного слоя.

Пример структуры МПП, реализованной этим методом

Вариант структуры МПП послойного наращивания: 1 — сквозное переходное металлизированное отверстие между наружными слоями; 2 — монтажная контактная площадка; 3 — компонент с планарными выводами; 4 — основа (ядро МПП); 5 — проводники внутренних слоев; 6 — межслойные переходы (металлизированные столбики); 7 — проводники внешних слоев

Этапы метода послойного наращивания:

  • с помощью субтрактивного метода формируются будущее ядро – основа МПП, (формируются слои двух первых внутренних слоев МПП с рисунком печатных проводников и площадок);
  • поверх ядра с обеих сторон наносится необходимое количество слоев препрега;
  • поверх препрега наносится фольга;
  • заготовка подвергается технологической операции прессования;
  • с помощью механического сверления (с контролем глубины сверловки), лазерного или плазменного прожига формируются отверстия – основа микропереходов между внешними и ближайшими внутренними слоями заготовки;
  • активация, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка, как и для ДПП при комбинированном позитивном способе;
  • нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
  • основная гальваническая металлизация (отличие от классического полуаддитивного метода – большая толщина меди для полного заполнения полостей отверстий микропереходов);
  • нанесение металлорезиста;
  • удаление экспонированного фоторезиста;
  • травление обнаженных участков тонкой фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
  • удаление металлорезиста;
  • механическая и химическая очистка, выравнивание и планаризация  поверхности осажденной меди (особенное внимание уделяется областям межслойных переходов – в этих местах не должно быть наплывов меди);
  • отмывка заготовки, сушка;
  • электрическое тестирование, контроль полученной заготовки;
  • далее снова наносится необходимое количество слоев препрега, медной фольги, и все технологические операции повторяются;
  • при формировании внешних слоев МПП после прессования заготовки производится сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
  • далее опять повторяется ряд технологических операций по гальванической металлизации и травлению остатков меди между элементами русунка;
  • нанесение паяльной маски;
  • нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
  • нанесение маркировки;
  • обрезка платы по контуру;
  • электрическое тестирование, контроль всей платы.

Основным преимуществом данного метода изготовления МПП является исключительно высокая плотность размещения проводников во всех слоях печатной платы и очень высокая плотность монтажа. Это достигается вследствие возможности выполнения межслойных переходов в любой точке платы, независимо от трассировки и расположения межслойных соединений любых смежных слоев.

Недостатки метода послойного наращивания:

  • ограниченное количество слоев МПП. Как правило, нельзя производить операцию прессования более пяти раз, поэтому количество слоев такой МПП будет не более двенадцати. Это связано с тем обстоятельством, что при каждом следующем прессовании нового слоя диэлектрик внутренних слоев (с уже сформированной структурой) подвергается тепловому стрессу и большим механическим нагрузкам. С каждым новым прессованием происходит нарушение уже сформировавшейся структуры полимеризованной ранее смолы внутренних слоев. Таким образом, при наращивании новых слоев происходит старение и деградация внутренних слоев, что ограничивает слойность платы и уменьшает ее надежность в целом;
  • при комбинированных методах, используемых для изготовления слоев при послойном наращивании МПП, используется два различных технологических метода: гальваническое осаждение меди и травление остатков меди между проводниками. Следует обратить внимание, что толщина осаждаемой меди достаточно значительна (не менее 35мкм) для обеспечения заполнения отверстий межслойных переходов. Эти обстоятельства влияют на рост стоимости техпроцесса и приводят к дополнительным расходам на поддержание растворов, принимающих участие в техпроцессах;
  • для наращивания гальванической меди требуется большое время – несколько часов, что делает техпроцесс изготовления каждой новой пары слоев достаточно продолжительным. Так как наращивание новых слоев происходит последовательно (только после полного завершения техпроцесса изготовления предыдущей пары слоев), то полный цикл изготовления МПП по этому методу занимает очень большое время;
  • при возникновении дефектов изготовления последующих слоев вся полученная заготовка уходит в брак. Это значительно снижает выход годной продукции и, как следствие, приводит к удорожанию годных плат;
  • особенности гальванического осаждения меди в толстых слоях приводят к необходимости тщательной очистки технологических растворов и электролитов на протяжении всего техпроцесса изготовления. Для обеспечения постоянных условий такой металлизации необходимо более часто производить химический анализ, корректировку и очистку рабочих растворов.

Сложность послойного наращивания (в сочетании с высокой реализуемой плотностью топологии печатного рисунка и монтажа) определили этот метод в основном для изготовления ультрасложных МПП в опытном производстве с высокой технологической культурой. Внедрение его в серийное производство встречает множество трудностей, из-за чего возможно выполнить только опытные образцы и очень малые серии плат. По этим причинам применение метода послойного наращивания, ввиду имеющихся ограничений и высокой стоимости МПП, оправдано только для изготовления уникальной аппаратуры с высокой надежностью.

Метод металлизации сквозных отверстий

- в общих чертах мало отличается от метода попарного прессования, но имеет ряд существенных отличий в деталях. Так же, как и при методе попарного прессования, изготавливаются ядра, на которых выполнен проводящий рисунок будущих внутренних слоев МПП. Однако способ изготовления ядер чисто субтрактивный, межслойные микропереходы между слоями (принадлежащими одному ядру) не изготовляются. После прессования заготовки МПП из ядер выполняется: сверловка сквозных отверстий, гальваническое осаждение меди и изготовление топологии внешних слоев МПП с применением комбинированного позитивного метода.

Типичная структура МПП, изготовленная методом металлизации сквозных отверстий

Структура МПП, изготовленная классическим методом металлизации сквозных отверстий: 1 — контактная площадка внешнего слоя; 2 — сквозное монтажное металлизированное отверстие; 3 — проводник внутреннего слоя; 4 — проводник внешнего слоя; 5 — сквозное переходное металлизированное отверстие; 6 — контактная площадка внутреннего слоя; 7 — основа (ядро МПП); 8 — слой прокладочной стеклоткани (препрег); 9 — медная фольга; 10 — гальваническая медь

Этапы изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий:

  • вырубка заготовок ядер МПП из фольгированного диэлектрика;
  • подготовка поверхности фольги (дезоксидация);
  • нанесение и проявление фоторезиста, закрывающего участки фольги, не подлежащих вытравливанию;
  • травление заготовок;
  • отмывка и сушка заготовок;
  • электрическое тестирование, контроль полученных заготовок;
  • подготовка поверхности фольги (активация) для обеспечения лучшего сцепления фольги с препрегами при прессовании;
  • прессование заготовок в единый пакет;
  • сверление сквозных отверстий (подлежащих металлизации) на станках с ЧПУ;
  • очистка отверстий от наносов смолы (desmaer-процесс);
  • активация меди, тонкая химическая металлизация и гальваническая затяжка (как и для ДПП при комбинированном позитивном способе);
  • нанесение и экспонирование фоторезиста через фотошаблон для изготовления внешних слоев;
  • основная гальваническая металлизация, нанесение металлорезиста и удаление экспонированного фоторезиста;
  • травление обнаженных участков фольги между элементами печатного рисунка внешних слоев;
  • удаление металлорезиста;
  • отмывка платы, сушка;
  • нанесение паяльной маски;
  • нанесение финишного покрытия на контактные площадки;
  • нанесение маркировки;
  • обрезка платы по контуру;
  • электрическое тестирование, контроль.

Недостатки метода металлизации сквозных отверстий:

  • главный недостаток – относительно механически слабая связь металлизации отверстий с торцами контактных площадок внутренних слоев. Это приводит к осложнению изготовления МПП по высоким классам надежности, необходимости применения специальных методов очистки и подготовки поверхности отверстий перед металлизацией;
  • для обеспечения качественной металлизации отверстий необходимо соблюдать отношение минимального диаметра отверстия к толщине платы как 1:8, не более (увеличение соотношения к 1:10 и более приводит, как правило, к снижению качества металлизации и снижению надежности платы). Это ограничивает либо минимальный диаметр переходных отверстий МПП (изготовленных по этому методу), либо толщину платы;
  • из-за отсутствия межслойных переходов этот метод имеет несколько более низкую плотность размещения топологии и монтажа. Так как переходные отверстия сквозные, то при изготовлении перехода с одного из сигнальных слоев на другой отверстия и контактные площадки к ним будут присутствовать на всех остальных слоях. Это ограничивает эффективную площадь трассировки на всех слоях и вводит ограничения на размещение компонентов и на расположение переходных отверстий;
  • необходимо точно совмещать печатные слои при изготовлении ядер, а также ядра при прессовании. Малейшие неточности совмещения в процессе прессования, деформации базовых материалов, а также погрешности фотошаблонов и неточности при сверлении отверстий приводят к нарушению подключений фольги (во внутренних слоях) к гальванической меди, осажденной в полости отверстий;
  • особой тщательности требует подбор режимов прессования и качество технологической оснастки прессов (для обеспечения прочной адгезии пакета слоев). Не менее важна равномерная полимеризация смолы во всей структуре МПП, чтобы обеспечить дальнейшую устойчивость МПП к температурным воздействиям в процессе группового монтажа.

Преимущества метода металлизации сквозных отверстий:

  • возможность высокой автоматизации процесса изготовления МПП и полной автоматизации при изготовлении ядер, поскольку этот процесс основан на обычной субтрактивной технологии, хорошо освоенной в промышленности;
  • простота реализации МПП, так как все процессы однотипны и просты, не требуют сложной оснастки;
  • высокая скорость изготовления плат, поскольку все заготовки (ядра) могут изготавливаться одновременно в одном технологическом цикле;
  • низкая чувствительность к браку и огрехам изготовления отдельных ядер. Это значительно увеличивает выход годной продукции и, как следствие, удешевляет стоимость МПП.
  • высокая повторяемость и скорость изготовления рисунка топологии (особенно при использовании струйного травления) позволяет широко использовать этот метод в крупносерийном производстве;
  • использование фольгированных диэлектриков с малой толщиной фольги позволяет уменьшить боковой подтрав и изготавливать проводники малой ширины с высокой точностью. Применение струйного травления и широкий выбор травящих растворов позволяют изготавливать проводники с высоким качеством и стабильностью параметров шириной до 75 мкм, при таком же значении зазоров на фольге толщиной 18 мкм. Это позволяет изготавливать печатные платы высокой сложности с большой плотностью топологии, недостижимой при использовании других методов изготовления МПП;
  • отсутствие межслойных переходов позволяет применять очень тонкие диэлектрические основания для изготовления ядер МПП, а малая толщина фольги позволяет использовать тонкие препреги. Применение же тонких диэлектриков приводит к возможности изготовления МПП небольшой толщины с большим количеством слоев;
  • этот метод позволяет изготавливать печатные платы с практически не ограниченным количеством слоев, тем самым компенсирует более низкую плотность размещения топологии и монтажа. По сравнению с другими методами изготовления он значительно упрощает топологию, поскольку позволяет предоставить конструктору большую вариантность в размещении трасс, использовать более короткие линии связи;
  • возможность введения дополнительных слоев без существенного увеличения стоимости плат позволяет выполнять в структуре МПП экранирующие слои, отводить под питание отдельные слои. Это приводит к улучшению характеристик быстродействующих сигналов, повышению качества питания компонентов, высокой степени защиты сигналов от внешних и внутренних электромагнитных помех и снижению излучения элементами топологии, что существенно при проектировании сложных быстродействующих устройств.

Однако существуют по крайней мере две причины, которые делают невозможным эффективное использование метода металлизации сквозных отверстий для изготовления ультрасложных МПП. Первая причина – использование микросхем в корпусах BGA с малым шагом выводов. Вторая причина – использование сверхбольших микросхем (СБИС) в корпусах BGA, LGA и им подобных с очень большим количеством выводов. Рассмотрим эти случаи более детально.

При использовании микросхем в BGA-корпусах с шагом выводов 0,60 мм и меньше возникает необходимость применения переходных отверстий с очень малым диаметром. Например, для микросхем с шагом расположения шариков 0,50 мм необходимо использовать переходные отверстия диаметром 0,10 мм. Качественную металлизацию таких микроотверстий можно обеспечить только при относительно небольшой толщине платы – 0,50-0,80 мм, не более. Такое ограничение по толщине платы может не позволить изготовить МПП с необходимым количеством слоев. Кроме того, сам технологический процесс осаждения меди в каналах сквозных отверстий столь малого диаметра вызывает зачастую непреодолимые технологические трудности, причиной которых становятся капиллярные эффекты внутри таких микроотверстий.

При применении в конструкции устройства СБИС в BGA-корпусах с количеством шариков от 800 и более, для корректной разводки, возникает необходимость в использовании большого количества слоев (16 и более). Ситуация усугубляется в случае большого потребления тока в цепях питания СБИС и большой рассеиваемой мощности, а тем более при необходимости построения согласованных линий передач. В этом случае возникает необходимость применения дополнительных слоев питания, теплоотводящих слоев, экранирующих слоев, расположенных между каждой парой сигнальных слоев. Для строгого соблюдения согласования импедансов линий передач сигнала регламентируются расстояния между сигнальными и опорными слоями. Все это приводит к необходимости применения очень большого числа слоев в МПП, увеличению ее толщины и повышению требований к точности изготовления элементов печатного рисунка, а также точности совмещения слоев и точности сверловки. Вследствие сказанного выше, стоимость изготовления печатной платы существенно возрастает.

При значительном увеличении толщины МПП для обеспечения качественной металлизации возникает необходимость использования переходных отверстий большего диаметра, что не всегда возможно конструктивно, так как пространство для расположения переходных отверстий (возле выводов BGA-корпуса) строго регламентировано.

Именно эти причины привели к отказу использования (в чистом виде) метода металлизации сквозных отверстий для изготовления ультрасложных МПП (платы HDI – сверхвысокой плотности размещения элементов печатного рисунка). Для таких плат характерной чертой стало объединение нескольких методов изготовления. Чаще всего при изготовлении HDI-структур используют комбинацию методов металлизации сквозных отверстий и послойного наращивания. Совместное применение этих методов дает наилучшие результаты для изготовления проводников малой ширины и с малыми зазорами между элементами печатного рисунка. При такой комбинации методов, как правило, внутреннее субъядро HDI-структуры изготавливается методом металлизации сквозных отверстий. Затем методом послойного наращивания выполняются слои, имеющие микропереходные отверстия между смежными слоями.

Таким же способом можно изготавливать и HDI-структуры с большим количеством различных типов микропереходов на более глубокие слои (например, как на рис.7). Это позволяет значительно снизить количество слоев платы, что благотворно сказывается на надежности и стоимости изготовления. Структуры именно такого типа применяются при изготовлении сложных МПП для мобильных устройств, МПП высокой плотности с ограничениями по размеру и в устройствах с использованием СБИС с большим количеством выводов и малым шагом выводов BGA-корпусов.

Существуют и более экзотические варианты построения стека МПП. Например, как на рис.8. Однако чрезмерная сложность изготовления, включающая множество технологических процессов, значительно увеличивает стоимость готового изделия. Невозможность высокой автоматизации изготовления ограничивает применение таких структур. Как правило, платы с подобными стеками применяются только в исключительных случаях для реализации высокотехнологичных устройств с очень высокой степенью надежности, но не требующих серийного производства. Например: для применения в космической технике, изделиях военного назначения, для построения уникальных устройств и т.п.

HDI-структура МПП с глухими и скрытыми отверстиями

HDI-структура МПП с глухими стековыми микроотверстиями, заполненными медью

Усложненная HDI-структура МПП с глухими и скрытыми микропереходами

Фольга

 Цикл статей: Разработка стека сложных многослойных печатных плат. Особенности формирования стека с учетом контроля импеданса проводников. Часть 2.

Автор: Игорь Барановский

В предыдущей части статьи мы рассмотрели основные методы изготовления МПП. Как уже говорилось, на уровень работоспособности и надежности многослойных печатных плат (особенно плат высокой сложности) во многом влияет качество и свойства базовых материалов.

Основные базовые материалы:

  • фольга;
  • изоляционный прокладочный материал (склеивающие прокладки – препреги);
  • фольгированные армированные диэлектрики (ламинаты).

Рассмотрим каждый из этих типов материалов более подробно, так как их свойства, в первую очередь механические, играют важную роль при прессовании МПП.

Назначение фольги:

  • создание проводящего рисунка печатных проводников;
  • создание полигональных слоев питания;
  • формирование теплоотводящих слоев.

По типу материала фольга делится на следующие типы :

  • медная фольга;
  • никелевая фольга;
  • алюминиевая фольга;
  • фольга из нержавеющей стали;
  • фольга из бронзы.

Фольга из никеля и нержавеющей стали применяется крайне редко. Как правило, основная область применения такой фольги – изготовление наружных слоев печатных плат, на которые монтируются компоненты методом разварки выводов.

Альтернативой применения фольги из никеля и стали стало использование (в качестве финишного покрытия) “мягкого” золота толщиной до 3,0 мкм поверх обычной медной фольги.

Схема техпроцесса изготовления электролитической фольги: 1 – емкость с электролитом; 2 – фольга; 3 – рулон фольги; 4 – перфорированный нерастворимый анод; 5 – электролит; 6 – бак электролизера; 7 – полированный цилиндр из нержавеющей стали; 8 – вентиль.

Электролитическая фольга (ED foil – electrodeposited copper foil) - изготавливается путем гальванического осаждения меди из сернокислого электролита на полированную поверхность вращающегося барабана . Барабан изготовлен из высококачественной нержавеющей стали или титана. В результате осаждения со стороны барабана фольга получает ровную блестящую поверхность, а со стороны электролизера — матовую поверхность. При изготовлении ламинатов или выполнении наружных слоев МПП фольга матовой стороной припрессовывается к диэлектрическому основанию. Таким образом обеспечивается хорошая адгезия фольги с диэлектриком. Ровная блестящая поверхность создает благоприятные условия для выполнения тонкого рисунка проводников и зазоров с высокой точностью.

Следует учесть, что полученная сразу после осаждения фольга еще не может быть использована для изготовления печатных плат. Причина — наличие неурегулированной кристаллической решетки. Медь (при осаждении) под воздействием электрического тока переносится на барабан, в первую очередь в центрах кристаллизации, а затем нарастает на всей поверхности. Таким образом, структура “сырой” фольги представляет собой по сути конгломерат макрокристаллов меди. Если использовать такую медь при изготовлении печатных плат, то можно столкнуться с рядом неразрешимых технологических проблем: неравномерностью травления, неоднородностью линейного расширения при нагревании и охлаждении фольги, нестабильностью электрических параметров меди (прежде всего, проводимости). По этой причине полученная в электролизере фольга требует нормализации. Эта процедура совершается путем отжига фольги в инертной атмосфере. При этом в значительной степени нормализуется микроструктура фольги, снимаются внутренние механические напряжения.

Улучшить адгезионные свойства фольги можно не только созданием повышенной шероховатости. Для многих типов тонкомерной (малой толщины – 5 мкм, 9 мкм) фольги такая мера недопустима, поскольку глубина неровностей становится соразмерна с толщиной фольги. Это может привести к возникновению разного рода дефектов изготовления тонких проводников, ухудшению качества изготовления печатного монтажа, ненормированному значению величины подтрава проводников. По этой причине при изготовлении  многих типов фольги вводится дополнительная технологическая операция оксидирования. Оксидный слой очень тонкий. При его нанесении уменьшается величина неровностей, но значительно улучшается качество поверхности – она становится более зернистой и развитой. Как следствие, значительно улучшается адгезия фольги к таким материалам как полиимид, полиэфиры и др. Дополнительной мерой, служащей для улучшения адгезии фольги к диэлектрикам является аппретирование. Эта технологическая операция заключается в нанесении на матовую поверхность фольги кремнийорганического высокомолекулярного соединения, имеющего хорошую растворимость в смолах диэлектрических оснований и высокую смачиваемость меди. При этом происходит глубокое проникновение аппрета в поры матовой поверхности фольги. При классическом изготовлении плат, без использования аппретов, смолы из диэлектрического основания плат не могут проникать в поры так глубоко по причине недостаточной смачиваемости и наличия в пустотах микронеровностей фольги газовых остатков.

Основное преимущество электролитического метода — возможность создания фольги самых различных толщин, в том числе и тонкомерной. Кроме того, при соблюдении высокой культуры производства химическая чистота полученной фольги очень высока. Именно поэтому для создания тонкомерной фольги используется более перспективный метод осаждения меди на поверхность полированных алюминиевых плит. Заготовки, состоящие из листового алюминия и осажденной с одной или двух сторон тонкомерной меди, имеют множество технологических преимуществ перед обычной тонкомерной медью. Алюминиевый лист в процессе прессования осуществляет в пресс-пакете МПП функцию разделителя, выравнивающего тепловой профиль пресс-пакета. После прессования фольга легко отделяется от алюминия. Полученные таким методом материалы более удобны в применении и повышают уровень качества печатных плат: жесткая алюминиевая основа предотвращает образование складок тонкой фольги при укладке пакета, нормализует толщину диэлектрика под фольгой.  Эти материалы получили название СА (в случае осаждения меди на одной стороне алюминиевого листа) и САС (для трехслойной комбинации — медь-алюминий-медь)

Отожженная катаная фольга производится путем многочисленных последовательных операций отжига и проката до нужной  толщины. В качестве основы используются заготовки из металлургической меди. После последней стадии отжига фольга имеет очень высокую пластичность. Это свойство является главным ее преимуществом и позволяет использовать катаную фольгу при изготовлении гибких и гибко-жестких печатных плат. Поверхность катаной фольги гладкая, поэтому для того, чтобы придать ее поверхности нужную шероховатость, фольгу обрабатывают различными методами. Так же, как и для электролитической фольги, поверхность катаной фольги подвергается оксидации и аппретированию для улучшения качества адгезии к диэлектрикам.

Помимо высокой пластичности, высокой равномерности микроструктуры фольги, этот метод обладает еще одним преимуществом – возможностью создания фольги больших толщин.

Особенностью данного вида фольги является возможность создания развитой микрошероховатой поверхности, равномерной с обеих сторон. Такой тип фольги получил название  "фольга с двусторонней обработкой" (DTF – Double-Treated Copper Foil). Развитая внешняя поверхность фольги обеспечивает особо прочную связь в пакете слоев сложных многослойных плат.

Поперечный микрошлиф матовой поверхности электролитической фольги

 Поперечный микрошлиф матовой поверхности электролитической фольги после оксидирования

 Внешний вид матовой поверхности электролитической фольги

Внешний вид матовой поверхности электролитической фольги после оксидирования

По толщине фольга делится на следующие типы: тонкомерные, стандартные и толстые.

Стандартная толщина фольги, используемая для большинства плат – 35 мкм. В весовом эквиваленте, принятом у многих производителей, это равно одной унции меди на квадратный фут площади (имеет обозначение 1 oz). Для изготовления сложных многослойных плат (особенно при необходимости использования полуаддитивных методов изготовления проводящего рисунка) очень часто используют более тонкую фольгу – 18 мкм (1/2 oz) и 12 мкм (1/3 oz). При изготовлении МПП (по технологии HDI) для формирования сверхплотного печатного рисунка используется тонкомерная фольга – 9 мкм (1/4 oz), 7 мкм (1/5 oz) и меньше [7]. Все эти типы фольги изготавливаются электролизным способом. Исключение составляют материалы толщиной 35 мкм, которые могут быть изготовлены и из катаной фольги. Для изготовления печатных плат силовой электроники часто используют медную фольгу большой толщины. Материалы большой толщины изготавливаются из катаной фольги и так же нормируются по толщине. Типовые значения толщин – 70 мкм (2 oz), 90 мкм, 105 мкм (3 oz), 210 мкм (6 oz).

Применение фольги большей толщины позволяет выполнять проводники более узкими, по сравнению с фольгой стандартной толщины при тех же значениях протекающего тока. Кроме того, следует учесть, что допустимая плотность тока катаной фольги больше, чем электролитической [10]. Более высокая плотность тока катаной фольги обусловлена высокой упорядоченностью внутренней структуры фольги, возникшей благодаря многочисленным отжигам. Удельное сопротивление катаной фольги составляет 1,72•10-6 Ом•см2, а осажденной из электролитов – 1,9...2,1•10-6 Ом•см2 [1], [10]. При малейших загрязнениях электролитов (в особенности примесями органического происхождения) удельное сопротивление повышается еще на 20?30%. Еще один важный показатель – коэффициент линейного расширения фольги. ?Cu=17•10-6 мм/мм•°С. Эта величина очень важна при расчете стека многослойных плат, правильном выборе толщин фольги и препрегов, выборе диаметров отверстий и количества осажденной в них меди.

Препреги

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

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.

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, TiO2, 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. 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.

 Свойства стеклотканей для изготовления препрегов

Компоненты S-glass D-glass E-glass Кварц
SiO2 64…66% 72…75% 52…56% 99,97%
CaO 0…0,3% 0…1% 16…25%
Al2O3 24…26% 0…1% 12…16%
B2O3 21…24% 5…10%
Na2O и K2O 0…0,3% 0…4% 0…2%
MgO 9…11% 0…5%
Fe2O3 90…0,3% 0…0,3% 0,05…0,4%
TiO2 0…0,8%
Фториды и другие соединения 0…1% 0…0,3%

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

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. 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.

 Внешний вид стеклоткани типа 1080

Внешний вид стеклоткани типа 2116

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.

Стеклоткани типа 1080, с полотняным переплетением нитей

Стеклоткани типа 1078 с атласным переплетением нитей.

Свойства стеклотканей для изготовления препрегов

Тип Толщина, дюймов Толщина, мм Плотность плетения
нитей/дюйм
Плотность плетения
нитей/см
Масса
oz/yd2
Масса
г/см2
106 0,0014 0,036 56х56 22х22 0,73 24,8
1080 0,0023 0,058 60х47 24х18 1,42 48,1
1500 0,0052 0,132 49х42 19х16 4,95 167,8
1652 0,0045 0,114 52х52 20х20 4,18 141,8
2113 0,0029 0,074 60х56 24х22 2,31 78,3
2116 0,0038 0,096 60х58 24х23 3,22 109,2
2165 0,0040 0,101 60х52 24х20 3,55 120,3
2313 0,0032 0,081 60х64 24х25 2,38 80,7
3070 0,0031 0,079 70х70 28х28 2,74 92,9
3313 0,0033 0,084 60х62 24х24 2,40 81,4
7628 0,0068 0,174 44х32 17х12 6,00 203,4
7629 0,0070 0,178 44х34 17х13 6,25 211,9
7635 00,0080 00,208 44х29 17х11 6,90 233,9

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.

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 :

  • 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.

В современных конструкциях многослойных печатных плат наибольшее применение нашли тетрафункциональные и многофункциональные эпоксидные смолы. 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.

 Пространственная формула молекулы тетрафункциональной эпоксидной смолы.

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

Обозначение препрега Толщина стеклоткани
до пропитки, мм
Номинальная толщина
пропитанной стеклоткани, мм
Толщина прокладки
в составе МПП, мм
Содержание
смолы, %
Текучесть
смолы, %
Время желатинизации,
с
104 25±5 38 27…35 75±5 35±5 95±10
108 50±5 88 69…76 60±5 30±5 95±10
112 76±7 100 88…100 54±5 26±5 95±10
113 76±7 115 101…114 53±5 25±5 95±10
113 76±7 115 101…114 53±5 25±5 95±10
116 100±10 150 127…139 50±5 25±5 95±10
128 170±17 200 160…190 42±5 20±5 95±10

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.

Ламинаты. Медная фольга, покрытая смолой

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

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.

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”).

Стандартные конструкции ламинатов марки DURAVER®-E-Cu quality 117

Номинальная толщина
диэлектрика, мм
Номинальная толщина
диэлектрика, дюймы
Отклонение толщины
по IPC-4101B
класс В, мм
Отклонение толщины
по IPC-4101B
класс С, мм
Конструкция Содержание
смолы, %
0,075 0,003 ±0,018 ±0,013 1 лист препрега 1080 63
0,100 0,004 ±0,018 ±0,013 1 лист препрега 2116 45
0,125 0,005 ±0,025 ±0,018 1 лист препрега 2165 47
0,150 0,006 ±0,025 ±0,018 1 лист препрега 2157 47
0,200 0,008 ±0,038 ±0,025 1 лист препрега 7628 44
0,250 0,010 ±0,038 ±0,025 2 листа препрега 2165 47
0,300 0,012 ±0,050 ±0,038 2 листа препрега 2157 47
0,360 0,014 ±0,050 ±0,038 2 листа препрега 7628 39
0,410 0,016 ±0,050 ±0,038 2 листа препрега 7628 44
0,510 0,020 ±0,064 ±0,050 3 листа препрега 7628 39
0,540 0,022 ±0,064 ±0,050 3 листа препрега 7628 39
0,610 0,024 ±0,064 ±0,050 3 листа препрега 7628 44
0,710 0,028 ±0,064 ±0,050 4 листа препрега 7628 39
0,760 0,030 ±0,064 ±0,050 4 листа препрега 7628 42
0,900 0,035 ±0,100 ±0,075 5 листов препрега 7628 39
1,000 0,039 ±0,100 ±0,075 5 листов препрега 7628 44
1,080 0,042 ±0,130 ±0,075 6 листов препрега 7628 39
1,200 0,047 ±0,130 ±0,075 6 листов препрега 7628 44

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.  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.

Основные параметры ламинатов марки DURAVER®-E-Cu quality 117

Свойство Единица измерения Для ламинатов толщиной
менее 0,50 мм
Для ламинатов толщиной
0,50 мм и более
Прочность меди на отрыв
для меди толщиной 17 мкм
для меди толщиной 35 мкм
Н/мм
1,40
1,50


1,80
Механическая прочность
вдоль основы ткани
Вдоль утка ткани
Н/мм2
-
-

600
490
Податливость % 0,2
Влагостойкость % 0,15
Объемное сопротивление диэлектрика
в сухом состоянии
после воздействия термоудара в 125°С
на протяжении 24 часов
МОм·см

1,4·107

4,0·108
5,0·106
Поверхностное сопротивление диэлектрика
в сухом состоянии
после воздействия термоудара в 125°С
на протяжении 24 часов
МОм·см

2,9·107

3,3·107
1,7·107
Электрическая прочность кВ/мм 45
Проницаемость при частоте при частоте 1 МГц - 4,5 – 4,9 4,6 – 4,9
Потери при частоте 1 МГц tg? 0,013 0,016
Температура стеклования, Tg °С - 170
Температура декомпозиции °С - 300
Коэффициент теплового расширения
вдоль основы стеклоткани ниже Tg
вдоль основы стеклоткани выше Tg
вдоль утка стеклоткани ниже Tg
вдоль утка стеклоткани выше Tg
в вертикальной оси ниже Tg
в вертикальной оси выше Tg
мм/мм·°С -
12·10-6
7·10-6
17·10-6
12·10-6
60·10-6
260·10-6

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 – ?Cu=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.

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 рисунке. 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.

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

 Зависимость

диэлектрической проницаемости

материалов марки FR408

от частоты и содержания смолы

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. 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

Свойство Единица
измерения
Значение
Прочность меди на отрыв
для меди толщиной 18 мкм
после воздействия термоудара в 125°С
Н/мм
4,2
4,0
Влагостойкость % 1,04
Объемное сопротивление диэлектрика
в сухом состоянии
после воздействия термоудара в 125°С
МОм·см
5,87·108
7,17·107
Поверхностное сопротивление диэлектрика
в сухом состоянии
после воздействия термоудара в 125°С
МОм·см
4,71·108
9,39·107
Электрическая прочность кВ/мм 69
Проницаемость при частоте при частоте 1 МГц - 3,43
Потери при частоте 1 МГц tg? 0,025
Температура стеклования, Tg °С 160
Коэффициент теплового расширения мм/мм·°С 57·10-6

Дефекты МПП - результат некорректного проектирования

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

Технология прессования многослойных печатных плат

Технологический процесс прессования присущ всем трем основным методам изготовления МПП . 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, образуется монолитная структура МПП

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 . 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.

Диаграмма прессования для материалов DURAVER®-E-Cu quality 117 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 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

Пример 1.

Варианты с несимметричным стеком платы достаточно часто возникают у начинающих конструкторов. Рассмотрим одну из таких структур, показанную на рисунке ниже. 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 , 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, коэффициент линейного расширения RCC составляет 57•10-6 %•°С, что значительно больше чем у ламинатов и препрегов после ламинации (7•10-6 %•°С – вдоль основы стеклоткани и 12•10-6 %•°С – вдоль утка). Следовательно, при нагревании такой МПП в печи во время монтажа будет происходить значительно большее расширение слоев в верхней части платы по отношению к нижней.

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.

Пример несимметричного стека печатной платы

Пример симметричного стека печатной платы

Вывод:

 не используйте в своих разработках структуры МПП с разными толщинами диэлектриков между симметричными (относительно оси платы) слоями. 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.

Пример 2.

Помимо несимметричного расположения диэлектриков, иногда встречаются структуры с несимметричным расположением меди в слоях. Одна из таких структур показана на рисунке справа. 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. 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

 Пример стека МПП с несимметричным расположением меди

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.

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.

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.

  Стек с нечетным количеством слоев

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.

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.

 Все СВЧ линии связи были выполнены исключительно с одной стороны платы, поэтому структура имела вид, показанный на рисунке справа.

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.

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.

Стек с разнотипными материалами на разных сторонах платы

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.

Десять самых распространенных заблуждений при заказе печатных плат

Рассмотрим десять наиболее распространенных заблуждений, касающихся изготовления печатных плат. В течение долгого времени некоторые из этих заблуждений по прежнему остаются широко распространены среди заказчиков. Это лишь небольшая часть спорных вопросов, с которыми производители печатных плат сталкиваются постоянно.

Заблуждение I. Нет необходимости указывать волновое сопротивление, если назвать тип базового материала, указать диэлектрики и структуру слоев.

Это не так. Даже если производитель использует тот же тип материала, выдерживает последовательность препрегов и ламинатов, гарантии получить предварительно рассчитанное волновое сопротивление нет. Производители имеют дело с уникальными параметрами прессования, условиями окружающей среды, которые влияют на диэлектрики и, соответственно, на волновое сопротивление, особенно для дорожек 100 мкм и менее. Всегда согласовывайте этот вопрос с производителем перед разработкой структуры слоев либо запрашивайте у производителя рекомендуемую структуру и расчет сопротивления.

Заблуждение II. На готовой плате финишная толщина меди на внешних слоях будет составлять 35 мкм (1 oz).

Опять же, очень распространенное заблуждение, и, к тому же, существенная ошибка при контроле волнового сопротивления для дорожек/зазоров 100 мкм и менее. Согласно стандартам IPC для обеспечения целостности требуется минимум 2 мкм электролитически осажденной меди. Производители же обычно осаждают медь с шагом порядка 30-35 мкм (1 oz), т.е. для начальной толщины меди в 18 мкм (0.5 oz) финишная толщина составит порядка 53 мкм (1.5 oz). Даже если взять фольгу толщиной 9 мкм (0,25 oz) для внешних слоев, финишная толщина будет 44 мкм (1.25 oz). Для ширины дорожек менее 100 мкм эта  разница в предполагаемой финишной толщине меди приведет к отклонению волнового сопротивления более чем на 10%.

Заблуждение III. Задание диаметра контактной площадки металлизированного отверстия без учета производственных допусков.

Другая распространенная ошибка. Обычно производитель сверлит отверстие на 100-120 мкм больше, принимая во внимание толщину осаждаемой меди и типовую погрешность сверловки в 76 мкм. Для того, чтобы иметь как минимум 50 мкм гарантийный поясок отверстия, диаметр контактной площадки металлизированного отверстия должен быть, по крайней мере, на 250 мкм больше требуемого финишного диаметра отверстия.

Заблуждение IV. Передача Gerber-файлов производителю без предварительного просмотра.

Довольно часто случается так, что проект выглядит по-разному на разных этапах проектирования. Например, можно работать с платой при выключенной прорисовке линий и с не залитыми полигонами и не заметить, что имеются изолированные подключения на плэйнах (разделенные плэйны), вследствие того что изолирующие барьеры подходят слишком близко к зазорам контактных площадок неподключенных сквозных переходных отверстий, либо зазоры определены слишком большими для образования корректного подключения.  Также, многие проектировщики до сих пор используют  автоматическую трассировку для несложных задач. Часто программы автоматической трассировки создают острые углы либо даже пересекающиеся дорожки, что приводит к образованию «кислотных ловушек» - участков создающих потенциальные проблемы для правильного травления. К тому же, такие вещи ,как незавершенные медные полигоны либо изолированные контактные площадки, могут быть выявлены если внимательно просмотреть Gerber-файлы перед передачей файлов на производство, предпочтительно с помощью программного пакета, отличного от того, в котором создавался проект.

Заблуждение V. Расхождение в списках цепей проекта и извлеченного из выходных Gerber-файлов.

Наиболее распространенной причиной этого являются неметализированные крепежные отверстия, имеющие подключения на внутренних слоях, либо полигоны меди на внешних слоях, подключение которых выполняется в процессе монтажа, например, крепежным винтом, подводящим провода питания. Часто верификация списка цепей показывает в этом случае ошибки, такие как оторванные, либо потерянные цепи, так как в проекте список цепей учитывает соединения монтажными элементами, а Gerber-формат нет.

Заблуждение VI. Ложное понимание сравнения списка цепей и сравнения Gerber-файлов с файлами проекта.

Часто заказчик просит производителя выполнить сравнение списка цепей, полученного из Gerber-файлов со списком цепей проекта, имея на самом деле в виду, что необходимо провести сравнение производственных файлов с файлами проекта, дабы убедится в том, что производитель не внес изменений в электрические параметры платы вследствие подготовительных операций с Gerber-файлами, как например, компенсация кислотных ловушек, которая может привести к образованию ошибочных соединений. Даже если производитель выполнит генерацию списка цепей из Gerber-файлов, неважно обнаружатся ли расхождения с цепями проекта или нет, идея сравнения списка цепей ошибочна. В действительности, правильная подход заключается в сравнения производственных файлов с проектом в целом.

Заблуждение VII. Выбор материала производителем.

Очень часто заказчик просит изготовить печатную плату из материала, предложенного производителем. Так часто происходит, когда запрашиваемого специфического материала нет на складе либо производитель не работает с этим материалом. В этом случае, вывод о применимости предложенного материала и анализ его параметров становится целиком задачей заказчика. Производитель в действительности не знает всех требований и особенностей применения печатной платы, как, например, он не догадывается о количестве температурных циклов при монтаже изготовленной платы на автоматической линии,  так же, как и других деталей о конечном изделии. Производителю так же не известны величины напряжений и протекающих токов на печатной плате, частоты сигналов, требования к электромагнитной совместимости изделия и т.д. Такая информация может быть получена только при анализе всего проекта, и никто, кроме самого заказчика, не знает деталей проекта. Поэтому, всегда запрашивайте параметры предложенного материала перед принятием решения о запуске производства печатной платы.

Заблуждение VIII. Определение площадки отверстия типа“donut” с внутренним диаметром равным диаметру отверстия.

Одна из старейших ошибок. С точки зрения производства, гораздо более предпочтительно делать внутренний диаметр площадки больше диаметра отверстия и, кроме того, определять такие площадки с помощью цельных фигур типа круг или эллипс.

Заблуждение IX. Использование одной и той же ширины линии для проводников с контролем волнового сопротивления и без него.

Так же очень часто встречаемая практика. Если действительно необходимо использовать одну и ту же ширину проводника для дорожек с контролем волнового сопротивления и без него, последние лучше сделать на 0.01 мм больше. Например, если ширина проводника с контролем волнового сопротивления равна 0.1 мм то другие проводники следует определять как 0.11 мм. Это необходимо чтобы производитель отличал проводники, которые необходимо контролировать, в случае, когда  для обеспечения требуемого сопротивления их ширину придется немного откорректировать с учетом технологии производства.

Заблуждение X. Нанесение шелкографии поверх контактных площадок.

Еще одна часто распространенная ошибка дизайнеров, помещающих позиционные обозначения компонентов поверх контактных площадок вследствие нехватки места. Следует помнить, что обычно производители используют слой маски для отсечения маркировки поверх контактных площадок, что в ряде случаев приводит к полной нечитаемости текста.

 

Особенности разработки печатных плат с применением микросхем в корпусах BGA

Вопрос.  До недавнего времени мы не применяли в наших разработках BGA-микросхемы. Но с возрастанием сложности наших устройств возникла необходимость использования BGA. Какие особенности существуют при разработке паттернов BGA-микросхем? Как правильно рассчитать размер площадок под шарики BGA? Каковы особенности проектирования устройств с использованием BGA-микросхемы?

Ответ. Для современных сложных электронных устройств характерной особенностью является применение микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Это и чипы программируемой логики, и однокристальные процессоры, и множество других устройств. По мере усложнения микросхем растет и число выводов, как информационных, так и питания. Обычные типы корпусов для выводного монтажа, например QFP или SOP, уже не могут обеспечить должное количество паяных соединений и их качественный монтаж в связи со значительным увеличением линейных размеров и массы  корпуса. Поэтому все большую популярность получают компоненты в различного рода матричных типах корпусов. Это корпуса типа LGA (Land Grid Array), BGA (Ball Grid Array), CGA (Column Grid Array). Особенно большое распространение получили компоненты в корпусах BGA.

Прежде всего следует обратить внимание на технологичность электронных компонентов в корпусах BGA. Такие корпусы позволяют оптимальным образом разместить большое количество выводов на ограниченной площади, обеспечивая все необходимые технологические нормы при монтаже. Небольшие физические размеры, особенно в случае применения микросхем с малым шагом, снижают затраты на их производство. Все выводы расположены на одной плоскости с нижней стороны корпуса, поэтому длина цепей получается короче, чем у микросхем, имеющих другие конструктивные исполнения. Это приводит к снижению паразитных излучений и, как следствие, положительно сказывается на целостности сигналов. Большое число выводов микросхем в корпусах BGA позволяет значительно увеличить число питающих и “земляных” выводов по сравнению с другими типами корпусов. Размещение “земляных” выводов в нужном месте позволяет уменьшить длины путей возвратных токов и улучшить качество высокоскоростных сигналов.

Во многих микросхемах число выводов питания почти вдвое превышает число сигнальных выводов. Это обстоятельство, в комбинации с уменьшением длин цепей питания, позволяет значительно снизить паразитную индуктивность, что сокращает обратный путь высокочастотных токов в землю.  Кроме того, несмотря на уменьшение площади поверхности микросхемы, значительно улучшается ее охлаждение (см. рис. 1). Это связано с малым тепловым сопротивлением между основанием микросхемы и многослойной платой (ввиду большого количества выводов и малой их длины). Поэтому большая часть тепла рассеивается не с корпуса микросхемы, а на плату и затем в окружающую атмосферу. Так как близлежащая площадь печатной платы значительно больше, чем площадь корпуса микросхемы и  рассеивание тепла происходит с обеих сторон платы, то количество рассеянного тепла в случае применения BGA-корпуса может быть больше по сравнению с корпусом, например, QFP такого же размера.

Рис. 1. Типовое рассеивание тепла от корпуса BGA-микросхемы без применения радиатора

Конструктивно микросхема в корпусе BGA состоит из подложки, кристалла, корпуса и шариков припоя. В качестве подложки используется два основных материала — органический и керамический. Наиболее распространенным является FR4 (органический) различных типов, так как он имеет тот же коэффициент линейного расширения, что и материал платы, поэтому наиболее удобен с точки зрения монтажа и дальнейшей эксплуатации. Применение керамики оправдано только в случаях выделения на кристалле большого количества тепла. Поэтому микросхемы BGA на керамических подложках встречаются гораздо реже. Как правило, микросхемы в BGA-корпусах, выполненных на керамической подложке, изготавливаются со сравнительно большим шагом и большим диаметром шарика.

Рис. 2. Упрощенное строение корпуса BGA: с разводкой кристалла типа «Wire-bonded»

Рис. 3. Упрощенное строение корпуса BGA: с разводкой кристалла типа «Flip-chip»

На рисунках 2 и 3 схематически показаны две типовые, наиболее часто используемые конструкции корпусов. Как видно из рисунков, разница между ними заключается  только в способе крепления и электрического подключения кристалла к подложке. В первом варианте конструкции (рис. 2) используется разварка выводов кристалла (с помощью тонких золотых проволок) на контактные площадки подложки. Во втором (рис. 3) – подключение кристалла (с помощью микроконтактов из неэвтектического высокотемпературного припоя) непосредственно на подложку. В обоих случаях подложка представляет собой, как правило, многослойную, достаточно тонкую структуру, изготовленную из высококачественных стекло-эпоксидных материалов. На нижней стороне подложки расположены шарики припоя, с помощью которых осуществляется электрическое и механическое соединение BGA-корпуса  с печатной платой. В качестве материала шариков может использоваться как обычный эвтектический свинцово-оловянный припой – Sn63Pb37, имеющий температуру плавления 1830С, так и различного рода бессвинцовые сплавы. Например: эвтектический сплав SnAg3.0 (температура плавления 2210С) или гипоэвтектический SnAg3.0Cu0.5 (температура плавления 217-2200С).

Отметим, что в настоящее время применение свинцово-оловянных припоев в качестве материала для шариков BGA-корпусов ограничено. Причиной является директива RoHS (Restriction of Hazardous Substances), ограничивающая содержание вредных веществ в электротехническом и электронном оборудовании. Она была принята Европейским Союзом в феврале 2003 года и вступила в силу 1 июля 2006 года. С этой даты какие-либо содержащие свинец продукты  не должны ни производиться в Европе, ни ввозиться в нее. Исключение составляют только системы телекоммуникаций, военная и медицинская техника, а также другие устройства, к эксплуатации которых предъявляются жесткие нормы надежности.

На сегодняшний день типы корпусов BGA, их геометрические размеры, расположение и размер шариков, отклонения размеров достаточно хорошо систематизированы и стандартизованы объединенным инженерным советом по электронным устройствам JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council) [3], [4]. Данные стандарты могут предоставить конструктору исчерпывающую информацию по конструктиву корпуса BGA. Как правило, все производители микросхем в корпусах BGA придерживаются стандартов JEDEC. В спецификациях на микросхемы, в разделах Package Information или Physical Dimensions производители всегда указывают ссылку на соответствующий стандарт и на вариант исполнения корпуса.

В процессе монтажа BGA-корпуса с помощью конвекционной печи происходит оплавление шариков припоя, и образуется соединение контактных площадок на подложке и печатной плате. На рисунке 4 схематически показан BGA-корпус, смонтированный на плате.

Пайка BGA-корпусов может производиться как с применением флюс-гелей (в случае ручного монтажа с использованием ремонтных центров), так и с применением паяльных паст. При правильном монтаже паяные соединения имеют вид, показанный на рисунке 5. Поверхность соединений должна иметь гладкий, блестящий вид, без сколов, трещин и других дефектов. Форма паяного соединения должна быть бочкообразной (рис. 5а), без излишней кривизны сторон. Излишняя кривизна поверхности паяного соединения приводит к сокращению изоляционного промежутка между соседними контактами, а также к возникновению дефектов поверхности соединений – сколам и трещинам. Излишняя кривизна поверхности, как правило, возникает в результате нанесения излишнего количества паяльной пасты. Количество и качество нанесения пасты на печатную плату – один из важнейших факторов, влияющих на качество паяных соединений BGA-корпусов и на высокий выход годных плат после монтажа.

Второй, не менее важный, фактор, обеспечивающий качественный монтаж микросхем в BGA исполнении, —  правильный  выбор  размера площадок на плате. Как уже говорилось, паяное соединение должно иметь бочкообразную форму. Размер верхнего и нижнего “донышек” этой “бочки” должен быть по возможности одинаков. Таким образом на завершающей стадии оплавления будет достигаться равномерное охлаждение паяного соединения с обеих сторон: и со стороны печатной платы, и со стороны подложки BGA.  Происходит это при условии, что материалы платы и подложки имеют одинаковую или достаточно близкую теплопроводность.Что дает такое равномерное охлаждение?

Давайте рассмотрим простой пример. Диаметр площадки на печатной плате под шарик BGA-микросхемы равен или даже несколько больше диаметра самого шарика. Таким образом, паяное соединение имеет полусферический вид, причем площадь площадки на плате может намного превышать площадь площадки на подложке BGA. К примеру: при диаметре шарика в 0,75мм (шаг шариков 1,27мм) диаметр площадки на подложке составляет 0,5мм, а диаметр площадки на плате – 0,8мм. При таких размерах площадь площадки на подложке будет иметь значение 0,785мм2, а площадь площадки на плате – 2,01мм2, т.е. более чем в 2,5 раза больше. При   выполнении условия одинаковой теплопроводности печатной платы и подложки величина теплоотдачи от паяного соединения на плату будет в 2,5 раза выше, чем на подложку BGA-корпуса.

Рис. 6. Кривая кристаллизации расплава эвтектического состава

Рис. 4. Упрощенное сечение корпуса BGA после пайки

Рис. 5. Шарики BGA-корпуса после пайки

Рис. 5а. Поперечный срез паяного соединения бочкообразной формы

Таким образом, градиент температуры вдоль продольной оси паяного соединения будет направлен в сторону платы, а значение его будет зависеть от количества припоя, условий теплопередачи и пр. Как известно, зависимость температуры расплава эвтектического состава нелинейная и имеет на своем графике плато b-c (рис. 6), соответствующее температуре ликвидуса припоя. Для припоев Sn63Pb37 эта температура составляет 1830С, для припоев SnAg3.0 – 2210С. Это значит, что на завершающей стадии оплавления (после достижения максимума температуры пайки) во время охлаждения (при достижении каплей расплавленного припоя температуры ликвидуса) начинается кристаллизация припоя. При равномерном охлаждении паяного соединения кристаллизация начинается по всему объему практически одновременно и происходит равномерно. В нашем примере, ввиду неравномерности охлаждения сторон паяного соединения, кристаллизация будет интенсивно начинаться на границе с печатной платой и постепенно распространяться на весь объем застывающей капли. Следствием такого процесса станет неоднородная структура состава паяного соединения. В области близкой к плате состав припоя близок к эвтектическому, практически без примесей и инородных включений. В области близкой к подложке находится  припой с высоким содержанием примесей, загрязнений и инородных включений, возникших в результате разложения органических составляющих паяльной пасты, и, что самое главное, кристаллов интерметаллидов олова с никелем.

Интерметаллиды возникают вследствие взаимной диффузии и образования устойчивых химических соединений меди и олова, в случае если не используется защитный подслой (рис. 7). Наличие между площадкой и припоем слоя таких интерметаллидов приводит к уменьшению смачиваемости двух сред, резкому уменьшению прочности паяных соединений, повышению хрупкости и высокой вероятности образования трещин между слоями Cu3Sn и Cu6Sn5. Поэтому площадки практически всех BGA-корпусов изготавливаются с применением защитного подслоя никеля поверх меди. Слои интерметаллидов Ni3Sn2 и Ni3Sn4 не имеют такого пагубного влияния на структуру паяного соединения, как интерметаллиды олова и меди. Единственный недостаток – образование кристаллов Ni3Sn4 в припое (рис. 8). Они повышают хрупкость припоя, снижают его пластичность и прочность. При бочкообразной форме паяного соединения и равномерном процессе кристаллизации эти кристаллы сравнительно равномерно распределены по всему объему (с небольшой удельной концентрацией). Поэтому их влияние невелико и практически не сказывается на надежности соединений. Но при полусферической форме паяного соединения при неоднородной кристаллизации практически все кристаллы Ni3Sn4 сконцентрированы в узком месте – возле площадки подложки BGA-корпуса.

Второй негативный фактор, возникающий в результате использования паяного соединения полусферической формы – наличие остаточных механических напряженностей. Они возникают в результате неравномерного процесса охлаждения и неоднородного процесса кристаллизации припоя. В паяном соединении бочкообразной формы таких остаточных напряженностей нет, ввиду равномерного процесса кристаллизации и практически однородного состава припоя на протяжении всей структуры.

Рис. 7. Образование интерметаллидов меди и олова на границе контакта без использования защитного подслоя

Рис. 7. Образование интерметаллидов меди и олова на границе контакта без использования защитного подслоя

Рис. 7. Образование интерметаллидов меди и олова на границе контакта без использования защитного подслоя

Таким образом, использование на плате контактных площадок,  размеры которых достаточно сильно отличаются от размеров площадок на подложке BGA-корпуса, приводит к значительному снижению надежности паяного соединения. Особенно эта ситуация усугубляется при увеличении объема припоя, вызванного неправильным нанесением пасты или неверным ее количеством. В процессе эксплуатации такого паяного соединения (при воздействии вибраций, ударов, при резких перепадах температуры кристалла, влекущих за собой изменение линейных размеров подложки) нередко возникают дефекты, показанные на рисунке  9. В узком месте паяного соединения, непосредственно у площадки подложки BGA-корпуса, происходит растрескивание и частичный либо полный обрыв паяного соединения. Часто отказы в работе микросхемы, имеющей такой дефект пайки, носят непостоянный характер и проявляются случайным образом. Особенно если произошел не полный обрыв шарика, а лишь частичный скол.

Такие дефекты паяного соединения не диагностируются обычными неразрушающими методами контроля и практически не поддаются исправлению путем повторного прогрева электронного узла в печи или на ремонтной станции. Их можно устранить только путем перепайки BGA-корпуса с реболлингом шариков либо путем монтажа новой микросхемы. Но такое устранение дефекта непродуктивно, поскольку устраняет не причину его возникновения, а только последствия. При дальнейшей эксплуатации дефекты такого типа снова проявляются.

В таблице 1 приведены типовые параметры – шаг и номинальный диаметр шариков наиболее часто используемых

микросхем в BGA-корпусах.

Номинальный диаметр
шарика (мм)
Допустимые отклонения
размера (мм)
Шаг (мм)
0.75 0.90 – 0.65 1.5, 1.27
0.60 0.70 – 0.50 1.0
0.50 0.55 – 0.45 1.0, 0.8
0.45 0.50 – 0.40 1.0, 0.8, 0.75
0.40 0.45 – 0.35 0.8, 0.75, 0.65
0.30 0.35 – 0.25 0.8, 0.75, 0.65, 0.50
0.25 0.28 – 0.22 0.40
0.20 0.22 – 0.18 0.30
0.15 0.17 – 0.13 0.25

Стандарт IPC-7351A «Generic Requirements for Surface Mount Land Pattern and Design Standard» (Общие требования по конструированию контактных площадок и печатных плат с применением технологии поверхностного монтажа), разработанный ассоциацией IPC (Association Connecting Electronics Industries)   с учетом требований стандартов JEDEC устанавливает следующие требования к размерам контактных площадок для монтажа BGA-корпусов.

Для шариков сравнительно больших размеров (диаметром более 0,50мм) надежная и качественная пайка обеспечивается в том случае, если площадки имеют номинальный диаметр на 25% меньше, чем номинальный диаметр шариков.

Для шариков небольшого размера (диаметром 0,25-0,50мм) лучшие результаты показывает отношение размеров 3/4. Т.е. диаметр площадок меньше номинального диаметра шарика на 20%.

Для шариков более мелкого размера достаточным условием будет уменьшение размера площадки на 15% к размеру шарика. Это связано с тем обстоятельством, что масса шариков припоя небольшого размера невелика, соответственно невелика и их теплоемкость. Поэтому при охлаждении процессы кристаллизации припоя протекают очень быстро и мало зависят от формы паяного соединения. Типовые размеры площадок для монтажа микросхем в BGA-корпусах приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры контактных площадок для монтажа BGA-корпусов.

Номинальный диаметр
шарика (мм)
Номинальный
диаметр площадки
(мм)
Допустимые
отклонения размера
(мм)
0.75 0.55 0.60 – 0.50
0.60 0.45 0.50 – 0.40
0.50 0.40 0.45 – 0.35
0.45 0.35 0.40 – 0.30
0.40 0.30 0.35 – 0.25
0.30 0.25 0.25 – 0.20
0.25 0.20 0.20 – 0.14
0.20 0.17 0.20 – 0.14
0.15 0.13 0.15 – 0.10

Первый способ (наиболее распространенный) – формирование размера площадки непосредственно рисунком меди на верхнем слое платы. Этот способ формирования (рис. 10) называют “открытая площадка”. В англоязычной литературе он получил определение – Copper Defined Pad или Non-solder Mask Defined Land (NSMD), а само паяное соединение получило название collapsed. Такое название проистекает из структуры контакта припоя с площадкой (рис. 11). Припой контактирует не только с поверхностью площадки, но и охватывает ее с торцов, увеличивая тем самым площадь контакта. Такая форма контакта улучшает качество паяного соединения, увеличивает его прочность, уменьшает риск возникновения расслоений на границе медь-припой. При таком способе формирования могут использоваться любые типы масок, как сухие – Dry Film Mask (DFM), которые наносятся путем ламинирования, так и жидкие – Liquid Photo Imaging  (LPI). Зазор от края маски до края площадки должен быть минимально возможным, обеспечиваемым техпроцессом совмещения. Большинство современных производств выдерживают значение зазора величиной 50мкм, что позволяет располагать проводники на расстоянии  110–125мкм от края площадки.

Второй способ – формирование площадок путем создания окна (необходимого размера) в маске. Причем сама маска накладывается непосредственно на медную площадку, имеющую несколько больший размер по отношению к желаемому размеру. Такой способ формирования называют “маска на площадке” – Solder Mask Defined Land (SMD) (рис. 12), а само паяное соединение получило название non-collapsed. Сечение такого соединения показано на рисунке 13. Для формирования такого типа площадок необходимо использовать только сухие типы масок. Это связано с недостаточной механической прочностью масок типа LPI. При монтаже есть риск шелушения края маски на поверхности меди, что приводит к возникновению дефектов паяного соединения – нарушения его формы и образования трещинок и сколов на его поверхности. Сухие маски имеют большую толщину, прочность и стойкость к тепловым воздействиям, поэтому их применение более предпочтительно. Недопустимо использование такого способа формирования площадок при использовании технологии “переходное отверстие в площадке” (micro-via in pad), поскольку надежность пайки значительно снижается, так как центральная часть площадки, занятая каналом переходного отверстия, не задействуется из-за наличия пустот. Исключение из этого правила могут составлять только технологии заполнения канала переходного отверстия медью. Необходимо, чтобы маска накрывала медную площадку на величину не менее 75мкм для обеспечения точности позиционирования фотошаблонов и обеспечения качественного покрытия. Здесь возникает еще одно ограничение – уменьшение зазора между площадками непосредственно по меди, поскольку диаметр площадки по меди должен в таком случае быть на 150мкм больше, чем ожидаемый диаметр площадки по маске. Это увеличение, вместе с необходимостью обеспечения диэлектрического зазора между контактными площадками и проводниками, расположенными между ними, уменьшает вероятность успешной трассировки проводников между двумя соседними площадками. Эта же причина приводит к необходимости уменьшения диаметра площадок переходных отверстий и уменьшения диаметра сверл, что неблагоприятно сказывается на стоимости изготовления плат.

Следует учитывать тот факт, что в случае применения на плате разных типов BGA-корпусов, имеющих разный шаг выводов и размер шариков, на платах необходимо использовать только один способ формирования площадок для всех типов корпусов – либо методом “открытая площадка”, либо методом “маска на площадке”. Использование разных методов может быть не всегда технологично с точки зрения изготовления самой платы и всегда нетехнологично с точки зрения самого монтажа, так как процессы оплавления при разных способах формирования площадок отличаются. Отличается также количество наносимой пасты и размеры окон в трафаретах.

Рис. 10. Формирование площадки методом "открытая площадка"

Рис.11. Поперечный срез коллапсирующего паяного соединения

Рис. 12. Формирование площадки методом "маска на площадке"

Рис. 13. Поперечный срез неколлапсирующего паяного соединения

Еще один фактор, влияющий на качество паяного соединения микросхем в BGA-корпусах, – ширина трасс, отходящих от контактных площадок. При большой ширине цепей, а тем более в случае прямого подключения площадок к полигонам без использования термобарьеров,  отток тепла от площадки будет большим. Поэтому даже при идентичных размерах площадок на подложке микросхемы и на печатной плате будет возникать неоднородность структуры паяного соединения из-за возникновения градиента теплового поля и разности условий для кристаллизации припоя на завершающей стадии процесса оплавления. Потому ширина трасс, отходящих от контактных площадок, не должна превышать 1/2 диаметра площадки. Оптимальное значение – 1/3 от диаметра площадки. В случае, если по разным причинам необходимо использовать цепи большей ширины, необходимо отвести цепь от платы проводником не более 1/2 от ширины площадки и только на некотором удалении (как правило, составляющем не менее 1-1,5 диаметра площадки) увеличивать ширину проводника до необходимой ширины. Аналогичная ситуация — и при подключении площадок к полигонам. Площадки должны быть изолированы от полигонов с помощью термобарьеров, причем ширина перемычек (в случае применения четырех перемычек) не должна быть большей 1/3 диаметра площадок.

Для успешного монтажа микросхем в BGA-корпусах также необходимо использование качественных финишных покрытий плат. Не должны использоваться покрытия типа HASL, свинцово-оловянные или бессвинцовые, поскольку они не обеспечивают достаточную плоскостность и копланарность площадок. Оптимальным вариантом является использование различных иммерсионных финишных покрытий . Это могут быть: иммерсионное золото поверх подслоя никеля (ENIG), иммерсионное серебро (ImmAg), иммерсионное олово (ImmSn) с барьерным подслоем органического металла. Наиболее часто в качестве финишного покрытия плат, на которые монтируются микросхемы в BGA-корпусах, используется иммерсионное золото. Оно универсально, подходит как для свинцово-оловянных, так и для бессвинцовых микросхем, имеет высокую износостойкость, мало загрязняет паяное соединение примесями. При правильно подобранных флюсах и паяльных пастах такие покрытия обеспечивают высококачественный монтаж. Реже, и только для бессвинцовых микросхем, в качестве финишного покрытия используется иммерсионное олово (ImmSn). Необходимо учитывать, что такое покрытие должно иметь барьерный подслой органического металла. В противном случае структура паяного соединения загрязняется интерметаллидами олова и меди, что ведет к снижению надежности и риску возникновения расслоений между площадками и припоем. По той же причине невысокое распространение для монтажа микросхем в BGA-корпусах получили органические покрытия (OSP).

Платы, на которых монтируются микросхемы в BGA-корпусах, должны иметь повышенную стойкость к воздействию высоких температур при монтаже и к температурным деформациям, возникающим в результате линейных расширений плат во всех трех осях. Недостаточная плоскостность плат при монтаже, особенно при использовании BGA-корпусов с большими линейными размерами и большим количеством выводов, а также при малых размерах шариков ведет к увеличению прямого брака непосредственно при монтаже и увеличению вероятности возникновения скрытых дефектов в процессе эксплуатации микросхем. По этой причине многослойные платы с использованием микросхем как в BGA-корпусах, так и в других типах бызвыводных корпусов (LGA, QFN, SON и т.п.), должны изготавливаться из высокотемпературных стеклотекстолитов, имеющих высокую температуру стеклования и малые коэффициенты линейных расширений.

Завершающая стадия всякого техпроцесса монтажа – отмывка и сушка. Не следует отказываться от нее даже при использовании безотмывочных флюсов и паст. Все флюсы, входящие в состав паст, в разной степени химически активны. По сути это высокомолекулярные органические кислоты искусственного происхождения.  Температура между BGA-корпусом микросхемы и платой всегда повышена (поскольку тепловыделение на кристаллах современных СБИС достаточно высокое и отвод тепла от корпуса происходит наиболее интенсивно через паяные соединения на плату). В условиях повышенной температуры флюсы достаточно активно кородируют поверхность паяных соединений. Кроме того, флюсы и их остатки в высокой мере гигроскопичны.  В процессе эксплуатации они накапливают влагу из окружающей среды, что еще больше увеличивает их химическую активность. Поэтому тщательная отмывка плат, желательно с применением отмывочных жидкостей на основе ПАВ и ультразвуковых отмывочных ванн, и не менее тщательная сушка является залогом надежной эксплуатации микросхем в BGA-корпусах.

Финишные покрытия печатных плат. Особенности применения.

Вопрос. В нашей практике конструирования печатных плат мы применяли до сих пор только свинцово-оловянное покрытие (HAL). Но с ростом применения бессвинцовых компонентов и необходимостью применения в будущем таких компонентов как BGA, назрела необходимость использования других покрытий. Какие на сегодняшний день есть типы покрытий? Какие из них оптимально использовать в свете применения Pbfree компонентов, в том числе BGA? Можно ли в одном изделии использовать как бессвинцовые, так и обычные компоненты? Какие в этом случае есть особенности?

Ответ. Поверхности, предназначенные для пайки, должны иметь покрытия, которые обладают способностью к смачиванию припоем и длительное время сохраняют эту способность. Чтобы пайка электронных модулей прошла успешно, покрытия компонентов и финишные покрытия печатных плат должны хорошо сочетаться, поскольку при пайке они находятся в одинаковых условиях по припою, по флюсу, по температурно-временным режимам. Особенно это актуально при использовании технологий бессвинцового монтажа компонентов, поскольку смачиваемость бессвинцовых припоев несколько хуже, чем обычных.

При серийном производстве, кроме хорошей сочетаемости покрытий компонентов и плат, немаловажным фактором является еще и стоимость покрытия, поскольку она может существенно повлиять на конечную стоимость партии электронных изделий. Поэтому, несмотря на достаточно большое разнообразие финишных покрытий, сложно выбрать один вариант, соответствующий всем требованиям по стоимости, смачиваемости, долговременности и т.д. Рассмотрим типы покрытий, наиболее широко применяемые в современной промышленности:

 HASL (Hot Air Solder Leveling) -- лужение погружением, с последующим вравниванием горячими воздушными ножами;

OSP (Organic Solderability Preservative) -- органическое защитное покрытие;

NiAu (ENIG -- Electroless Ni & Immersion Gold) -- химический никель и иммерсионное золото;

ImmAg (Immersion Ag) -- иммерсионное серебро;

ImBi (Immersion Bi) -- иммерсионный висмут;

Pd (Electroplate or Electroless Pd) -- химический или гальванический палладий;

NiPdAu (Electroless NiPd & Immersion Au) -- иммерсионное золото, поверх подслоя химического никеля и палладия;

NiPd (Electroless Ni & Immersion Pd) -- палладий, поверх химического никеля;

ImmSn (Immercion Sn) -- иммерсионное олово;

NiSn (Electroplate Ni & Sn) -- иммерсионное олово, поверх химического никеля;

В этом ряду лидирующими финишными покрытиями печатных плат являются HASL, OSP, ENIG, ImmSn и ImmAg.

Процесс HASL

Сущность HASL процесса состоит в следующем: платы погружают на короткое время в ванну с расплавленным припоем. Припой может быть как обычным -- PbSn, так и бессвинцовым. Затем платы обдувают струей горячего воздуха, которая убирает излишки припоя и выравнивает покрытие. Толщина такого покрытия, как правило, составляет 20-50 мкм. Но, несмотря на выравнивание, наплывы припоя остаются. Особенно много их на развитых открытых металлических поверхностях и на очень мелких площадках (например, чип-компоненты в типоразмере 0603 и мельче, площадки QFN и BGA-корпусов). В процессе монтажа наплывы становятся помехой на стадии установки мелких компонентов, что снижает точность позиционирования при автоматизированной сборке изделия. Этот фактор значительно ограничивает применение HASL в платах с миниатюрными элементами. Однако с точки зрения качества и исключительно длительной способности к пайке данное покрытие, безусловно, наилучшее. Как правило, время жизни бессвинцовых HASL ограничено до 9-12 месяцев. При большем сроке хранения покрытие постепенно теряет паяемость. Для оловянно-свинцовых HASL время жизни значительно дольше -- не менее 1 года. В нашей практике был случай, когда платы, пролежавшие в заводской вакуумной упаковке около 2,5 лет, сохранили прекрасную паяемость.

Еще одна особенность горячего лужения -- жесткий термоудар, который испытывают платы при погружении в расплавленный припой. Чем выше рабочая температура припоя, тем труднее обеспечить надежность межсоединений. Некоторые предприятия не используют бессвинцовые HASL процессы для многослойных плат, считая, что они уменьшают надежность внутренних межсоединений из-за подобных термоударов.

К сожалению, сегодня отсутствуют приемлемые по качеству и относительно низкотемпературные бессвинцовые припои для HASL процессов. Поэтому в случае использования бессвинцового техпроцесса монтажа и применения мелких чип-компонентов (а также BGA и других безвыводных компонентов с малым шагом) следует отказаться от применения бессвинцового HASL.

Покрытие OSP

- обеспечивает защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. В конце пайки такой слой, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки. Это дешевое покрытие применяется в Японии уже более 20 лет. В целях снижения себестоимости изделия конструкторы, учитывая данную особенность, выполняют процесс пайки в одну стадию группового нагрева. OSP -- хорошая альтернатива HASL, но имеет короткий жизненный цикл, что сказывается на технологической надежности. Это покрытие не обеспечивает многократную пайку (тем более при высоких температурах), и, чтобы избежать проблем с монтажем, необходимо использовать азот в качестве нейтральной среды пайки.

Таким образом, применение OSP ограничено. Его целесообразно использовать только при монтаже крупных партий изделий, когда дизайн платы отработан, устройство отлажено и не нуждается в дополнительных настройках и перепайках. При таком подходе себестоимость плат с OSP в качестве финишного покрытия получается минимальной.

Покрытие ENIG

- (3…6 мкм Ni + 0.05…0.1 мкм Au) -- другая альтернатива HASL процессам. Такое покрытие свободно от ионных загрязнений и способно к многократной пайке при высоких температурах. Функция тонкого слоя золота -- защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Характерный и чуть ли не единственный дефект покрытия ENIG -- черные контактные площадки, появляющиеся на поверхности вследствие оголения никеля и выпотевания фосфора, т.е. когда тонкий слой золота растворяется в припое раньше, чем припой смочит никель. Фосфор неизбежно внедряется в никель в процессе его химического осаждения. Припой скатывается с фосфорированной и окисленной поверхности никеля, из-за чего и проявляется эффект черной контактной площадки. Чаще всего такой дефект образуется при использовании тонкого слоя золота. Это так называемый — flashgold. Его особенность — очень тонкий слой золота, меньше 0.025 мкм, поверх тонкого подслоя никеля. Отличительный признак такого покрытия — гладкая, блестящая поверхность в отличие от ENIG, поверхность которого имеет матовый блеск. Черные контактные площадки могут возникать также при передержке процесса пайки и при неправильном выборе флюса .

Покрытие ENIG достаточно капризно в выборе флюсов, а его цена примерно на 10…25 % выше, чем у HASL. Это главный недостаток такого финишного покрытия печатных плат. Преимущества ENIG:

  • жизнеспособность более года;
  • идеально плоская контактная поверхность, позволяющая производить монтаж самых мелких компонентов, таких как чип-резисторы в типоразмере 0201 и меньше, элементы в корпусах ?BGA с шагом в 0.5 0мм или QFN с шагом 0.40 мм;
  • хорошая смачиваемость припоем при правильном подборе флюса;
  • неокисляемая поверхность.

Покрытие ENIG целесообразно применять для плат, нуждающихся в отладке (в опытных образцах), и плат,  для эксплуатации которых предъявляются особые требования. Благодаря высокой живучести ENIG платы с этим покрытием могут монтироваться через достаточно продолжительные промежутки времени после изготовления. ENIG идеально подходит практически для любых технологий монтажа изделий, как бессвинцовых, так и свинецсодержащих.

Иммерсионное олово (ImmSn)

- еще одна альтернатива HASL-процессам. Популярность ImmSn растет за счет обеспечения хорошей смачиваемости для бессвинцовой технологии монтажа и простоты процесса осаждения. ImmSn демонстрирует беспроблемную и лучшую паяемость, нежели ENIG, в отношении бессвинцовых припоев.

Из-за образования интерметаллических соединений CuXSnY достаточно долго существовали значительные ограничения для применения ImmSn. Причем способность к пайке исчезала через две недели -- месяц, поскольку толщина иммерсионного олова не превышает 1.0 мкм. А интерметаллиды CuXSnY, развивающиеся на границе контакта меди с оловом, быстро поглощают этот тонкий слой. Еще один недостаток ImmSn -- самопроизвольное образование нитевидных кристаллических усов.

В современных финишных покрытиях на основе иммерсионного олова (например «ENTEK Plus™») подобные эффекты значительно ослабляются. Между медью и слоем олова вводится барьерный подслой (органические полимерные соединения имеющие свойства, присущие металлам: электропроводность, потенциал «благородных» металлов, каталитические свойства).

Способность к пайке ImmSn (0.5-0.8 мкм) с барьерным подслоем (0.08-0.1 мкм) сохраняется до полугода и больше. Так как толщина олова в покрытии очень мала, уменьшается вероятность образования усов. А в результате пайки такое покрытие теряет самостоятельность для каких-либо неблагоприятных процессов, характерных для чистого олова.

Преимущества ImmSn с барьерным подслоем:

  • относительно низкая стоимость процесса осаждения;
  • хорошая и достаточно длительная паяемость;
  • плоская поверхность покрытия (как и у ENIG), дающая возможность паять мелкие компоненты.

Ввиду ограниченного срока жизни ImmSn не следует применять его для плат, срок монтажа которых неизвестен либо может быть отложен на срок более 2-3 месяцев. Покрытие ImmSn также не следует применять для монтажа со свинецсодержащими припоями, поскольку рабочей температуры такого монтажа не хватит для активации покрытия и полного его расплавления.

В результате возникают дефекты, показанные на рис. 1.

Рис 1. «Холодная» пайка, возникшая при монтаже свинцового BGA-компонента на бессвинцовое покрытие

Иммерсионное серебро (ImmAg)

Толщина ImmAg не превышает 0.2 мкм, соответственно расходы на реализацию этого покрытия незначительны. Жизнеспособность ImmAg гораздо выше, чем OSP и ImmSn, но несколько меньше, чем ENIG. Изменение цвета покрытия в процессе хранения, сборки и пайки -- результат загрязнения воздушной среды сульфатами и хлоридами. Пожелтение не сказывается на свойствах ImmAg, но внешний вид покрытия при этом страдает. Консервирующие покрытия антиокислителей тормозят процесс пожелтения и продлевают жизнеспособность покрытия.

Преимущества ImmAg:

  • невысокая стоимость процесса покрытия;
  • хорошая и достаточно длительная паяемость;
  • плоская поверхность покрытия (характерно для всех иммерсионных покрытий).

Покрытие ImmAg одинаково пригодно как для бессвинцового, так и для обычного техпроцесса. Оно хорошо подходит для монтажа серийных партий и опытных образцов. При правильном хранении плат срок жизни покрытия достигает одного года, что позволяет выполнять отложенный монтаж плат. Кроме того, иммерсионное серебро — чуть ли не единственный тип покрытия, показывающий хорошие результаты для СВЧ приложений, для которых важнейшим параметром является высокая поверхностная проводимость проводников.

Кроме финишного покрытия печатной платы, в процессе монтажа участвует также и покрытие компонентов. Для правильного понимания процессов, происходящих при пайке, необходимо рассмотреть также и особенности покрытий компонентов. Лидирующие на текущий момент покрытия компонентов:

  • матовое гальваническое олово для дискретных компонентов;
  • матовое гальваническое олово для SMT компонентов с коротким жизненным циклом (5 лет и менее);
  • матовое гальваническое олово с никелевым подслоем для долгоживущих компонентов (более 5 лет);
  • Sn4Ag0.5Cu для выводов BGA;
  • лужение выводов компонентов для пайки в отверстия;
  • гальваническое золочение выводов,
  • гальваническое покрытие никельбор с последующим горячим лужением.

Чистое олово

- при правильно подобранных флюсах хорошо паяется в широком диапазоне температур. Однако его использование опасно из-за возможности не только рекристаллизации (при температуре хранения ниже 13 °С -- так называемая «оловянная чума»), но и образования усов. Таким образом, компоненты, хранившиеся в ненадлежащих условиях или достаточно продолжительное время, теряют, зачастую полностью, способность к пайке. После пайки чистое олово перестает быть таковым и опасения теряют актуальность.

Гальваническое золото

Это покрытие используется много лет и не имеет каких-либо нареканий, кроме относительной дороговизны и дополнительных затрат на сбор отходов, возникающих в производстве.

NiB

Данное покрытие капризно ведет себя у потребителя. Проблемы, возникающие в процессах подготовки выводов к пайке и в ходе самой пайки, заключаются, в основном, в потере паяемости. Тем не менее благодаря дешевизне оно имеет тенденции к широкому применению.

SnBi

Эвтектический сплав 42Sn58Bi имеет температуру плавления 138 °С. Аналогичный сплав, но содержащий 3 % висмута, плавится при температуре 215-220 °С. Эти сплавы тоже проявляют способность к образованию усов, но в сочетании с SnPb-припоями после пайки такая опасность исчезает.

SnAg

Эти сплавы обладают хорошей паяемостью и хорошими механическими свойствами, однако их стоимость высока. Сплав Sn3.5Ag относительно дешев, но проявляет склонность к образованию усов. Сплав Sn5.0Ag лишен подобного недостатка, но стоит дороже и имеет неприемлемо высокую температуру плавления.

NiPd

Покрытие применяется с конца 80-х годов ХХ века. Это покрытие, как и гальваническое золото, универсально. Имеет хорошую паяемость, долговечно.

SnCu

Эвтектический сплав Sn0.7Cu -- относительно дешевый, мелкозернистый припой, демонстрирующий хорошую паяемость. Но и он проявляет склонность к рекристаллизации олова и образованию усов. Плавится при температуре 227 °С.

В этом списке сознательно не указаны покрытия компонентов, имеющие в своем составе свинец. Это связано с тем фактом, что в феврале 2003 года Европейский союз утвердил программу полного перехода на бессвинцовую технологию, которая начала действовать с июня 2006 года. С этой даты какие-либо свинецсодержащие продукты не производятся в Европе и не ввозятся в нее. Вместе со свинцом под действие директивы попали ртуть, кадмий, шестивалентный хром, polybrominated biphenyls (РВВ) и polybrominated diphenyls ethers (PBDE). Китай также принял подобное решение с незначительными изменениями, иначе его электронные товары не разрешили бы ввозить на европейский рынок. Под эту директиву не подпадает только производство особо ответственной аппаратуры (военной, связи), связанной с поддержанием безопасности и жизнеобеспечения. Компоненты с оловянно-свинцовыми покрытиями, присутствующие на современном рынке электронных компонетов, — это, как правило, остатки, произведенные до полного перехода заводов-изготовителей на бессвинцовые технологии согласно директиве RoHS.

Все указанные покрытия компонентов можно условно разделить на две группы: исключительно бессвинцовые и «совместимые», позволяющие использовать эти компоненты как при бессвинцовом техпроцессе монтажа, так и при свинецсодержащем. Первая группа характеризуется относительно высокой температурой плавления покрытий. Это покрытия на основе сплавов олова с другими металлами, как правило, с низким содержанием легирующих примесей.

Рис.2. Расслоение чип-конденсатора при превышении температуры пайки

Рис. 3. Поперечный срез паяного соединения, содержащего диффузионные поры

Рис. 4. Отсутствие паяного соединения между бессвинцовым шариком BGA-компонента и оловянно- свинцовой пастой

Рис. 5. «Холодная» пайка, возникшая при монтаже бессвинцового BGA-компонента на оловянно-свинцовую пасту

Рис. 6. Реакция основания МПП на термоудар при несоответствии Tg и пластичности меди температурным нагрузкам при пайке

Вторая группа -- покрытия NiAu, PdAu, NiPd, NiB и т.п. Все эти покрытия удовлетворительно работают как при бессвинцовой технологии монтажа, так и при обычной. Компоненты с такими покрытиями имеют повышенную предельную температуру, как и в случае с компонентами с бессвинцовыми покрытиями. Они, как правило, допускают нагревание до 300 °С, в отличие от компонентов с оловянно-свинцовым покрытием, не допускающих перегрева выше 250 °С. Довольно часто компоненты, не предназначенные для бессвинцовой пайки, подвергаются разрушению во время монтажа при повышенных температурах, характерных для бессвинцовых профилей монтажа (см. рис. 2).

Компоненты с бессвинцовыми покрытиями не могут быть использованы для применения в линиях автоматизированного монтажа по обычному техпроцессу с применением оловянно-свинцовых паст. Причина -- возникновение дефекта «холодной» пайки вследствие недостаточной диффузии свинецсодержащего припоя и бессвинцового покрытия (см. рис. 3). Устранить этот дефект можно, только используя тепловой профиль пайки с более высокой температурой оплавления, характерной для бессвинцовых технологий. Но в этом случае, если совместно с бессвинцовыми компонентами используются свинецсодержащие, есть риск повреждения последних. Особенно это касается интегральных элементов -- существует риск повреждения внутренней структуры кристалла вследствие перегрева. Кроме того, применение более высоких температур монтажа для свинцовых паст не всегда приемлемо, поскольку флюсы, входящие в состав таких паст, имеют более низкую температуру активации и испарения.

Это значит, что на завершающей стадии оплавления, при более высокой температуре, флюса может не остаться, поэтому поверхность паяного соединения будет иметь множество дефектов.

Отдельно следует упомянуть недопустимость использования бессвинцовых BGA-компонентов в обычном техпроцессе оплавления с применением свинцовых паст. При использовании стандартного для таких паст профиля пайки бессвинцовые шарики не расплавляются, и возникают дефекты, показанные на рис. 4 и 5. Компоненты в корпусах BGA, выполненные по бессвинцовой технологии, необходимо паять только по бессвинцовому техпроцессу с применением бессвинцовых паст. Только таким образом можно достичь качественного монтажа таких элементов.

Если же возникает острая необходимость применить бессвинцовый BGA корпус в устройстве, которое будет монтироваться на оловянно-свинцовую пасту, необходимо предварительно выполнить реболлинг шариков BGA: смыть бессвинцовые шарики и «накатать» новые, из свинцового припоя.

Кроме финишного покрытия, следует обратить внимание и на материал диэлектрика печатной платы. Повышение температур паек до 260…270 °С ускоряет процессы разрушения межсоединений и изоляции печатных плат. Такое повышение температуры пайки связано не только с большей температурой плавления бессвинцовых припоев, но и с худшей их способностью к смачиванию, которую компенсируют, поднимая еще на одну ступень температуру пайки. Но нужно помнить, что увеличение температуры на каждые 8…10 °С изменяет скорость всех процессов, в том числе скорость деградации (в 2 раза). Диэлектрическое основание плат после температуры стеклования интенсивно расширяется и за счет этого нагружает металлизацию отверстий, сдвигая внутренние соединения в многослойных печатных платах. Для стеклоэпоксидных композиций: при Т < Tg ТКР ? 60х10-6; при T > Tg ТКР ? (200…300)х10-6 ; для меди ТКР=17х10-6. Это может привести к многочисленным разрывам соединений и трещинам в объеме оснований плат (см. рис. 6).

Путь для избавления от таких разрушений -- использование материалов с высокими значениями температуры стеклования диэлектрика(Tg) и увеличение пластичности меди относительно прежних норм (до 6 %, вместо прежних 3,5 %, предписанных отраслевыми стандартами).

 

Рекомендации по подключению выводов компонентов к областям металлизации. Как избежать проблем при монтаже?

Вопрос. Рекомендуется контактные площадки SMT элементов отделять от полигонов и широких печатных проводников узкими перемычками. Наши коллеги требуют закладывать перемычку шириной не более 0.25 мм и даже ввели это в свой СТП. Соответственно, если по ТЗ необходимо подвести к контактной площадке 3-4А, то нам приходится делать множество перемычек 0.25 мм с некоторым шагом. В последнее время мы в таких случаях подводим к контактной площадке проводник шириной до 3/4 от ширины площадки SMT элемента, а из сквозных отверстий выполняем «снежинку». Имеются какие-либо рекомендации разработчикам ПП по этому вопросу?

Ответ. Вопрос подключения контактных площадок SMD-компонентов, а также площадок штыревых компонентов к полигонам — это, как правило, вопрос компромисса между технологичностью монтажа элементов (особенно при использовании автоматизированных линий) и необходимостью обеспечить требуемые рабочие параметры устройства.

Давайте рассмотрим возникшие противоречия.

Конструктивно, достаточно часто возникает необходимость подключать выводы компонентов, планарных и выводных, к полигонам напрямую. Такая необходимость возникает при создании систем, по цепям которых протекают большие токи при проектировании высокочастотных устройств, при подключении блокирующих конденсаторов быстродействующих процессоров и ПЛИС, а также для обеспечения тепловых режимов тепловыделяющих компонентов. Но технологии монтажа не всегда позволяют производить качественную пайку при таких подключениях. Например, при ручном монтаже выводных компонентов, контактные площадки которых напрямую подключены к «массивным» полигонам, особенно, когда прямое подключение осуществлено на двух и более слоях платы. В таком случае за счет большой теплоемкости полигонов происходит эффективный отбор тепла от места пайки, поэтому паяное соединение, как правило, получается некачественным. Качество пайки при этом не сильно улучшается, вследствие повышения температуры жала паяльника и времени пайки. Эти меры приводят только к деградации диэлектрика платы, нарушению металлизации отверстия и снижению надежности изделия. Действенным средством в этом случае является только дополнительный подогрев платы с помощью ИК-нагревателя или горячего воздуха, а также использование паяльного инструмента повышенной мощности, способного при нормальной температуре пайки отдавать паяемому соединению достаточно большое количество тепла.

При пайке волной припоя ситуация несколько улучшается, благодаря предварительному прогреву всей платы и самих компонентов до температуры порядка 100–120 С. В этом случае отток тепла от места пайки значительно меньше. Помимо того, количество тепла, подводимое к месту пайки, практически неограниченно, благодаря очень большой теплоемкости расплавленного припоя, находящегося в ванне. Поэтому при соблюдении некоторых простых правил проектирования платы, автоматизированный и ручной монтаж штыревых компонентов практически не вызывает проблем. Перечислим эти правила:

  • Не использовать выводы штыревых компонентов для соединения полигонов, расположенных на разных слоях платы. Если возникает такая необходимость, лучше расположить рядом несколько переходных отверстий, подключенных к полигонам напрямую. Если предполагается автоматизированный монтаж с использованием «волны», то можно вскрыть эти переходные отверстия от маски. Тогда они частично заполнятся припоем, что увеличит их нагрузочную способность. Расстояние от края контактной площадки выводного компонента до, собственно, переходного отверстия должно быть не менее диаметра отверстия под монтаж штыревого компонента.
  • Подключать контактные площадки к полигонам лучше всего не напрямую, а с помощью термалов — соединений, позволяющих обеспечить необходимые токовые параметры подключения и, в то же время, значительно уменьшить отток тепла при монтаже. Прямое подключение следует применять только в исключительных случаях, например, при очень больших токах, при необходимости использования СВЧ компонентов и т.п.
  • Подключать контактные площадки к полигонам напрямую или с помощью термалов с широкими перемычками следует только в одном слое, и этот слой должен быть расположен на стороне платы, противоположной стороне пайки как при автоматизированном, так и при ручном монтаже. Это правило исходит из следующей предпосылки: качественным монтажом штыревого компонента называется монтаж, при котором припой образует гладкую вогнутую галтель на выводе со стороны пайки и практически полностью заполняет полость монтажного отверстия. Согласно IPC-A-610C — 100% заполнение является предпочтительным результатом для двусторонних и многослойных плат (см. рис. 1), а 75% заполнение — допустимым для МПП (см. рис. 2). При условии, если отток тепла на полигон во время монтажа будет происходить со стороны пайки или во внутреннем слое (для случая МПП) затекание припоя в полость монтажного отверстия будет весьма проблематичным даже при дополнительном прогреве платы. Особенно это актуально при использовании бессвинцовых припоев, текучесть и смачиваемость которых значительно ниже, чем у обычных припоев.

Рис.1. Оптимальное заполнение монтажного отверстия припоем

Рис. 2. Допустимое заполнение монтажного отверстия припоем

Для термалов, с помощью которых контактная площадка подключена к полигону только в одном из слоев МПП, желательно пользоваться рекомендациями IPC-7251. Такая конфигурация термалов технологична при монтаже и обеспечивает качественное электрическое соединение для большинства подключений. Краткая выдержка рекомендованных размеров контактных площадок дана в таблице.

Таблица 2. Параметры контактных площадок для монтажа BGA-корпусов.

Minimum
FinishedHole Dia
Mounted
Land(мм)
Internal Layer
Land Dia
Thermal
OD
Thermal
ID
Thermal 4
Spoke Width
0.90 1.40 1.40 1.90 1.50 0.21
1.00 1.50 1.50 2.00 1.60 0.23
1.10 1.60 1.60 2.10 1.70 0.24
1.20 1.70 1.70 2.20 1.80 0.26
1.30 1.80 1.80 2.30 1.90 0.27
1.40 1.90 1.90 2.00 1.90 0.29
1.40 1.90 1.90 2.00 1.90 0.29
1.50 2.00 2.00 2.50 2.10 0.30
1.60 2.10 2.10 2.60 2.20 0.32
1.80 2.30 2.30 2.80 2.40 0.35
2.00 2.50 2.50 3.00 2.60 0.38
2.20 2.70 2.70 3.20 2.80 0.41
2.50 3.00 3.00 3.50 3.10 0.45

В случае, если возникла необходимость подключить монтажное отверстие с помощью термалов к областям металлизации, расположенным в двух слоях, следует уменьшить ширину перемычек на 10–20 %. Чем больше диаметр контактной площадки, тем уже следует делать перемычки по отношению к табличным.

Параметры «нагруженных» термалов рассчитываются следующим образом: при использовании двух перемычек ширина каждой из них не должна быть больше половины диаметра контактной площадки; при использовании четырех перемычек — не больше трети диаметра контактной площадки. Однако не следует использовать перемычки очень большой ширины, особенно если отверстие подключено к полигонам на нескольких слоях. Как правило, вполне достаточно иметь ширину перемычки не более 0.50 мм при использовании двух перемычек и 0.35 мм — при использовании четырех перемычек. При большей ширине перемычек и малом зазоре от края контактной площадки до полигона теплоотвод от площадки практически эквивалентен теплоотводу при прямом подключении контактной площадки к полигону. Зазор от контактной площадки до края полигона должен быть не менее 0.15 мм. Как правило, такое значение зазора устанавливается достаточно редко и в основном для отверстий малого диаметра, расположенных во внутренних слоях платы. Кроме того, зазор 0.15 мм применим только при условии использования тонкой фольги (от 18 мкм и меньше). На практике лучше использовать зазоры порядка 0.20–0.30 мм для большинства типов отверстий. Для отверстий, в которые монтируются очень теплоемкие компоненты, зазор желательно еще более увеличить. Поэтому пайка компонентов в отверстия, которые подключены к полигонам с помощью термалов, имеющих широкие и короткие перемычки, может быть столь же проблематична, как и пайка к полигонам напрямую без использования термалов. Особенно это актуально для использования фольги повышенной толщины — 75 мкм и более. Дело в том, что теплопроводность толстой фольги значительно лучше, чем обычной (35 мкм).

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что через перемычки термалов может протекать больший допустимый ток, чем по единичному проводнику аналогичной ширины. Это происходит потому, что длина перемычек невелика и соизмерима с их шириной или меньше ее. Поэтому отвод тепла от перемычки к полигону на порядок лучше, чем от единичного проводника большой длины в окружающую среду. Перемычки не боятся перегревов при протекании через них больших токов. Таким образом, в случае использования термалов можно допускать протекания по перемычкам импульсных токов в 1.5–2.0 раза большего значения, чем по проводнику аналогичной ширины, и длительных токов в 1.2–1.4 раза больших, но только при отсутствии значительного тепловыделения от элементов, контактирующих с полигоном, и значительной площади рассеяния полигона.

Для монтажа компонентов с планарными выводами ситуация несколько иная, но только в случае автоматизированного монтажа. При ручном монтаже SMDкомпонентов рекомендации такие же, как и для ручного монтажа выводных компонентов — по возможности всегда пользоваться термалами.

В случае, если возникла необходимость подключить монтажное отверстие с помощью тРасчет параметров термалов для площадок SMD-компонентов в основном подчинен тем же правилам, что и для выводных компонентов: ширина перемычек должна составлять не более половины меньшей стороны площадки при использовании двух перемычек и не более трети при использовании трех-четырех перемычек; зазор от контактной площадки до полигона составляет 0.20– 0.30 мм. Как правило, таких параметров термала вполне достаточно для качественного подключения большинства типов планарных компонентов. Исключением является подключение площадок крупных SMD-компонентов. Например, танталовых конденсаторов в типоразмере «Case C» и больше, крупногабаритных катушек индуктивности и т.п. В этом случае термалы лучше выполнять с большим количеством сравнительно узких перемычек. Пример — сильноточная массивная катушка, показанная на рис. 7. Для обеспечения токовых параметров подключения применяется 12 сравнительно узких перемычек, расположенных вдоль длинных сторон пада. Если же заменить эти перемычки на две полосы эквивалентной ширины, соединяющих пады с полигоном, то паябельность данного компонента, особенно при ручном монтаже, будет достаточно проблематичной.

При автоматизированной пайке элементов с планарными выводами методом оплавления с помощью конвекционных, инфракрасных и комбинированных печей ситуация с прямым подключением контактных площадок к полигонам несколько упрощается. Причина — равномерный нагрев всей поверхности платы вместе с компонентами до температуры несколько выше температуры плавления припоя в отличие от пайки с помощью «волны», когда до температуры пайки прогревается не вся плата, а только локальная зона. Поэтому подключать выводы планарных компонентов напрямую к полигонам при монтаже методом оплавления вполне допустимо.

Рис. 7.Пример подключения сильноточных крупногабаритных SMD-компонентов к полигонам

Рис. 3. Пример подключения сильноточных крупногабаритных SMD-компонентов к полигонам

Рис. 4. Чип-конденсатор с эффектом «надгробного камня»

Рис. 5. Чип-резистор с эффектом «надгробного камня»

Единственное, на что следует обратить внимание, — подключение должно быть симметричным относительно поперечной оси компонента.

Например, подключая резистор или конденсатор типоразмера 1206 и меньше к полигонам, следует выполнять подключение контактных площадок однотипным, т. е. теплоотвод от обеих контактных площадок должен быть по возможности одинаковым количественно, направление оттока тепла — зеркальным. В противном случае очень вероятны дефекты пайки, выражающиеся в смещении компонента, показанном на рис. 3.

Не следует располагать элементы, контактные площадки которых подключены к одному полигону, близко друг к другу. Результатом такого расположения будет смещение и поворот компонентов, особенно мелких. Лучше разнести эти компоненты, насколько это возможно.

Еще более часто встречается такой дефект монтажа, как эффект «надгробного камня», когда компонент поднимается одним из своих выводов над плоскостью платы. Такого рода дефект показан на рис. 4 и рис. 5. Наиболее частая причина возникновения эффекта «надгробного камня» — повышенный теплоотток от одного из падов компонента по сравнению с другим падом и, как следствие, неравномерный нагрев двух концов компонента. Одна из сторон компонента достигает температуры ликвидуса раньше, чем другая, в результате чего силы поверхностного натяжения расплавленного припоя перетягивают компонент, заставляя его подниматься. Особенно ситуация усугубляется в случае, если пады спроектированы некорректно, имеют завышенную площадь, большую площадь вскрытия из-под маски.

Не редок и такой дефект — поворот компонента в момент пайки на достаточно большой угол относительно его первоначального положения (рис. 6). Этот дефект возникает при комбинации ошибки подключения пада к полигону или очень широкому проводнику с неправильной формой и/или размером самого пада.

Не следует располагать в непосредственной близости от контактных площадок SMD-компонентов переходные отверстия, соединяющие площадку с полигонами той же цепи, расположенными на других слоях платы. Особенно если таких полигонов много (характерный случай для сложных МПП). При таком расположении теплоотток от пада через близко расположенное переходное отверстие будет очень высоким. Поэтому этот пад будет прогрет слабее другого. Результатом такого неравномерного прогрева на начальной стадии процесса оплавления в печи будет возникновение эффекта «надгробного камня» для мелких чип-компонентов, поворот или сдвиг — для крупных.

В заключение — одна простая рекомендация. Если возникают сомнения в правильности выполнения подключения площадок к полигонам, следует обратиться за консультацией к монтажникам, которые будут производить пайку изделия. Это простое решение избавит от множества проблем и неувязок, которые могут возникнуть на этапе сборки платы. Ведь качественно смонтированная плата — это совместный результат работы конструктора, работавшего над дизайном, и технолога на линии, обеспечившего монтаж изделия.