Что такое ламинат для печатных плат

СВЧ печатные платы широко применяются в производстве линейных усилителей мощности и антенн для систем сотовой и персональной связи, малошумящих усилителей спутниковых систем связи, фазированных антенных решеток, оборудования радиолокационных станций и других высокоэффективных компонентов радиосвязи. Они нашли свое применение в высокоскоростных цифровых приложениях, где целостность и безошибочность сигнала является приоритетом.

Именно поэтому очень важно подобрать подходящий по параметрам материал.

Для изготовления СВЧ печатных плат применяется ламинат, покрытый медной фольгой с одной или с двух сторон. Вместо термина «ламинат» используются слова: «фольгированный диэлектрик», «электроизоляционный фольгированный материал, «стеклотекстолит фольгированный», «базовый материал» и др.

В состав базового материала входят полимерное связующее и армирующие наполнители (стекло, бумага, ткани из полиэфирных волокон, стекловолокно, керамика). В зависимости от состава полимера (отношения армирующего к связующему), типа армирования, толщины материала, толщины самой фольги меняются свойства материала, его стоимость и область применения.

При выборе материалы конструкторы руководствуются основными техническими характеристиками:

Один из основных параметров любого ламината – относительная диэлектрическая проницаемость (εr или Dk), характеризующая изоляционные свойства диэлектрика. Скорость распространения сигнала в диэлектрике (и, соответственно, длина волны) обратно пропорциональна Dk. Поэтому материалы с высокой Dk позволяют уменьшить размеры печатной платы, используемой в диапазоне высоких частот. Это особенно важно для печатных плат, эксплуатируемых на частотах более 30 ГГц. С другой стороны, материалы с более низкой Dk обеспечивают лучшую изоляцию и меньший уровень вносимых потерь. Диапазон значений относительной диэлектрической проницаемости ВЧ/СВЧ-ламинатов разных производителей варьируется от 1,96 до 22,0. При выборе ламината стоит обращать внимание на значение допуска на Dk, поскольку от него зависит изменение величины импеданса разрабатываемого устройства.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ или Df) характеризует рассеиваемую мощность устройства, определяемую потерями в диэлектрике. Низкие значения Df обеспечивают уменьшение вносимых потерь в пассивных схемах и оптимизацию усиления в активных, уменьшение нагрева диэлектрика в мощных схемах, большую добротность в резонансных устройствах.

Температура стеклования (Tg) – температура, при которой термореактивный материал переходит из «стекловидного» состояния (ниже Tg) в эластичное. Превышение температуры стеклования в процессе производства печатных плат или при их использовании приводит к значительному увеличению Z-КТР и, как следствие, к ухудшению адгезионных свойств, появлению пятен и снижению надежности сквозных металлизированных отверстий.

Температура разложения, или деструкции (Td) – температура, при которой потеря веса составляет 5%. Это свойство говорит о способности материала выдерживать высокие температуры с большим запасом прочности, а повышенное значение Тd – о пригодности к бессвинцовой пайке. Величина Тd колеблется от 350˚С у эпоксидных ламинатов и до 500˚С – у ламинатов на основе PTFE. Эти параметры стали частью минимальных требований стандарта IPC, определяющих пригодность ламината к бессвинцовой пайке.

Источник

Технология производства и монтажа печатных плат

Базовые материалы для производства печатных плат

В данном разделе представлена справочная информация по базовым материалам, используемым в производстве печатных плат – типы материалов, краткое описание, рекомендации по применению. С базовыми материалами, используемыми на производстве Резонит вы можете ознакомиться по ссылке.

Исходный материал – диэлектрическое основание

Исходный материал — диэлектрическое основание, ламинированное с одной или двух сторон медной фольгой.

В качестве диэлектрика могут выступать:

листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол — стеклотекстолит (СФ, СТФ, СТАП, FR4 и т.п.)
листы с керамическим наполнителем, армированные стекловолокном — Rogers RO5603, RO4350
листы фторопласта (PTFE), также армированные — ФАФ-4Д, Arlon (AD и AR),
ламинаты на металлическом основании (алюминий, медь, нержавеющая сталь)
плёнки из полиимида, полиэтилентерефталата (PET, ПЭТФ, лавсан)

Материалы для стандартных односторонних, двусторонних и многослойных печатных плат

Фольгированный стеклотекстолит FR4 с температурой стеклования 135ºС, 150ºС и 170ºС является наиболее распространенным материалом для производства односторонних и двухсторонних печатных плат. Толщина стеклотекстолита обычно варьируется от 0,5 до 3,0 мм.

Достоинства FR4: хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров, высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных климатических условий.

Во многих случаях, где требуются достаточно простые печатные платы (при производстве бытовой аппаратуры, различных датчиков, некоторых комплектующих к автомобилям и т.п.) превосходные свойства стеклотекстолита оказываются избыточными, и на первый план выходят показатели технологичности и стоимости. В таких случаях обычно используют следующие материалы:

XPC, FR1, FR2 — фольгированные гетинаксы (основа из целлюлозной бумаги, пропитанной фенольной смолой), широко применяется при изготовлении печатных плат для бытовой электроники, аудио-, видео техники, в автомобилестроении (расположены в порядке возрастания показателей свойств, и, соответственно, цены). Прекрасно штампуются.
CEM-1 — ламинат на основе композиции целлюлозной бумаги и стеклоткани с эпоксидной смолой. Прекрасно штампуется.

Материалы для плат с повышенной теплоотдачей

Платы с металлическим основанием находят широкое применение в устройствах с мощными светодиодами, источниках питания, преобразователях тока, модулях управления двигателями.

Основанием платы служит металлическая пластина. В зависимости от требуемых характеристик выбирается материал. Наиболее часто используются алюминиевые сплавы:

1100 (отечественный аналог сплав АД) — из-за небольшого количества примесей материал обладает хорошей теплопроводностью (220 W/mK), пластичен, недостатками являются: невысокая механическая прочность и вязкость, что затрудняет механическую обработку контура печатных плат;
5052 (отечественный аналог сплав АМг2.5) — наиболее употребительны, несмотря на относительно не очень высокую теплопроводность (порядка 140 W/mK), хорошо обрабатываются, относительно дешевы;
6061 (отечественный аналог сплав АДЗЗ) — применяется, когда требуется повышенная коррозионная стойкость, помимо этого обладает повышенной механической прочностью. К недостаткам можно отнести более высокую цену по сравнению с вышеперечисленными сплавами.

В случаях, когда требуется очень высокая теплопроводность, в качестве металлического основания используется медь. Теплопроводность меди 390 W/mK, к недостаткам можно отнести высокую стоимость и затрудненность механической обработки фрезерованием вследствие высокой вязкости. Когда требуется высокая коррозионная стойкость и механическая прочность, в качестве металлического основания используется нержавеющая сталь.

Материалы для СВЧ печатных плат

При производстве СВЧ печатных плат применяются специальные диэлектрические материалы, характеризующиеся повышенной (в сравнении со стандартным FR4) стабильностью величины диэлектрической проницаемости и низкими потерями в широком диапазоне рабочих частот (от единиц МГц до десятков ГГц).

Спектр материалов для производства СВЧ печатных плат весьма широк: в качестве диэлектрика, как в чистом виде, так и в различных комбинациях (для придания необходимых характеристик, например термостабильности) применяют различные полимеры, керамику. В основном, диэлектрик армируется стекловолокном (различного плетения, что так же влияет на результирующие параметры материала). Неармированные материалы используются редко и, как правило, являются наиболее дорогостоящими и сложно обрабатываемыми (очень мягкие, либо очень хрупкие).

Многослойные конструкции СВЧ печатных плат выполняют как с применением только специализированных материалов, так и с применением стандартных материалов FR4. Например, с целью снижения стоимости, СВЧ диэлектрик используют только для разделения одного или двух внешних сигнальных слоёв, а для остальных — используют обычный FR4 (такие конструкции МПП называются гибридными).

Материалы для гибких печатных плат

Доминирующим базовым материалом для производства гибких ПП является полиимид. Хотя полиэтилентерефталат существенно дешевле, его применяют значительно реже в виду более узкого диапазона рабочих температур и недостаточной размерной стабильности. Несмотря на недостатки полиэтилентерефталата, он всё же обладает рядом преимуществ, таких, например, как хорошая химическая стойкость и низкое влагопоглощение, а также он легко формуется (низкотемпературный термопласт). Наибольшее применение находит для изготовления односторонних гибких плат для узлов автомобильной промышленности.

Проводящий материал – фольга

В качестве проводящих слоёв используют как обычную электросаждённую гальваностойкую медную фольгу, так и катанную отоженную, или специально обработанную для минимизации шероховатости. Так же существует фольга со специальным резистивным подслоем (NiCr) для изготовления встроенных тонкоплёночных резисторов.

Катаная фольга обладает более высокими механическими свойствами, чем электроосаждённая, поэтому применяется в основном для производства ПП, рассчитанных на динамическую нагрузку и ПП с последующей формовкой контактов. Материалы с алюминиевой фольгой встречаются реже, в основном, в экранирующих материалах.

Распространенные толщины фольги: 12, 18, 35, 70, 105 мкм.

Связующий материал – адгезив, препрег (акриловые, эпоксидные полимеры)

Адгезивы используются как для соединения медной фольги с базовой плёнкой, объединения слоёв многослойных конструкций, приклеивания защитных слоёв и ужесточителей, так и создания клеящих областей на поверхности ПП.

Препреги FR4 с температурой стеклования 135ºС, 140ºС и 170ºС используются для прессования МПП.

Защитное покрытие (покрывной материал)

Защитное покрытие — это диэлектрический материал, защищающий внешние проводящие слои от воздействия окружающей среды. Может быть как в виде полиимидной или ПЭТФ плёнки с нанесённом с одной стороны слоем адгезива, так и в виде жидкой фотопроявляемой композиции. Плёночные материалы в основном применяются при изготовлении гибких печатных плат, характеризуются хорошо согласованной гибкостью с базовыми материалами, высокой электрической и механической прочностью, но обрабатываются, в основном, механическими способами, поэтому топология защитных слоёв имеет низкое разрешение. Жидкие фотопроявляемые покрытия лишены этого недостатка, но также в большинстве своём лишены и описанных выше преимуществ плёночных покрытий.

Защитная паяльная маска служит для защиты участков печатных плат от воздействия припоя. Существует два типа масок — сухая пленочная и жидкая.

Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. Через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия, и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется, как правило, на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности), и сплошное нанесение маски с использованием фотошаблонов и последующим проявлением.

Требования к совмещению фотошаблонов маски ниже, чем к фотошаблонам топологии, поэтому окна вскрытия должны быть шире контактных площадок. Это нужно учитывать при создании компонентов, особенно в САПР, где этот параметр задается непосредственно в компоненте (например, Altium Designer). Как правило, размер вскрытия задается на 0,1 мм больше размера контактной площадки. Следует также отметить, что разрешение (мостики в маске) маски составляет не менее 0,10 мм, и это нужно учитывать для компонентов с шагом выводов 0,5 мм.

Следует подчеркнуть, что паяльная маска не должна играть роль диэлектрика, поскольку в покрытии маской допускаются сколы.

При выборе расстояния между элементами проводящего рисунка, с точки зрения электрической прочности, следует руководствоваться нормами ГОСТ 53429-2009.

Источник

Что такое ламинат для печатных плат

Согласно IPC-T-50, под определение ламинат попадает «изделие, полученное склеиванием двух или более слоев материала». Вместо «ламинат» используются термины: «фольгированный диэлектрик», «базовый материал» и др. В состав ламината входят полимерное связующее вещество и армирующие наполнители (стекло, бумага, ткани из полиэфирных волокон). Существует большое разнообразие ламинатов, разработанных для решения определенных, иногда достаточно узких задач. Например, материал идеальный для высокотемпературных приложений может быть непрактичен в случаях микроволновых или высокочастотных приложений. А иногда и наоборот, СВЧ-материалы используют в производстве обычного низкочастотного оборудования.

В зависимости от состава полимера, типа армирования, толщины материала, толщины самой фольги меняются свойства материала, его стоимость и область применения. В то же время любой ламинат обладает рядом физических свойств и параметров, оптимальный подбор которых и принесет наилучший результат при разработке продуктов в конкретной области применения:

Коэффициент теплового расширения (КТР) отражает изменение линейных размеров ламината в зависимости от температуры. При изготовлении печатных плат важно обеспечить близкие значения КТР ламината и металлических проводников на его поверхности и в металлизированных отверстиях. В противном случае возможно нарушение стабильности размеров ламината (X-КТР и Y-КТР), а также разрыв проводников и образование трещин в сквозных металлизированных отверстиях при пайке и других температурных воздействиях (Z-КТР).

Температура стеклования (Tg) – температура (или температурный диапазон), при которой материал переходит из «стекловидного» состояния (ниже Tg) в эластичное и более податливое (выше Tg). Превышение температуры стеклования в процессе производства печатных плат или при их использовании приводит к значительному увеличению Z-КТР и, как следствие, к ухудшению адгезионных свойств, появлению пятен и снижению надежности сквозных металлизированных отверстий.

Самые высокие Tg имеют материалы на основе полиимида, выше 250ºС. Чем выше температура стеклования материала, тем меньше вероятность того, что в процессе сборки, ремонта или перепайки печатной платы контактные площадки или трассы не отслоятся от ее поверхности. Поэтому полиимид — был главным материалом основы почти для всех печатных платах военного применения, когда «полевой» ремонт оборудования был критически важен.

В то же время существует большое разнообразие эпоксидных систем, у которых Tg порядка 170º С. Такие материалы широко распространены в приложениях, где температурные особенности процесса производства или эксплуатации не являются критичными. Подробнее о взаимосвязи КТР и Tg рассказано в статье Немного о КТР и температуре стеклования.

Температура разложения, или деструкции (Td) – температура, при которой потеря веса материала при температурном воздействии составляет 5%. Это свойство говорит о способности материала выдерживать высокие температуры с большим запасом прочности, а повышенное значение Тd – о пригодности к бессвинцовой пайке — для выполнения современных экологических требований RoHs. Величина Тd в значительной степени зависит от композиционного состава материала и колеблется от 350ºС у эпоксидных ламинатов до 500ºС – у ламинатов на основе FR-4. Некоторые производители приводят параметры, обозначаемые T260, T288, T300. Они показывают, какой период времени ламинат с медью может выдерживать температуры 260, 288 и 300ºС до начала образования вздутий или отслаивания. Эти параметры стали частью минимальных требований стандарта IPC, определяющих пригодность ламината к бессвинцовой пайке. Такие материалы могут выдерживать температуру пайки на 30–50°С выше необходимой для традиционных свинцово-оловянных припоев.

Теплопроводность (Tc) — еще одна важная характеристика ламината, определяющая количество тепла, проходящего через единицу площади и толщины ламината. С увеличением Tc улучшается способность отвода тепла от элементов печатной платы.

Плотность компонентов на печатных платах (HDI платы) продолжает расти в связи с требованиями обеспечения большей функциональности и меньших габаритов электронных устройств. При этом общая площадь печатной платы уменьшается, что и приводит к дополнительному температурному воздействию на элементы платы. Из-за этого возрастает частота отказов, которая, как считается, удваивается каждый раз при увеличении температуры на 10ºС. В связи с этим на первый план выходит величина теплопроводности материала печатной платы. Высокое значение Tc помогает более эффективно отводить тепло от устройств на ее поверхности. Это актуально для светодиодных печатных плат и плат на толстом металлическом основании. В то же время увеличение теплопроводности материала не должно ухудшать его электрические и диэлектрические характеристики. Высокая теплопроводность очень важна для высокочастотных устройств, в которых должно быть рассеяно (отведено) значительное количество тепла. Идеальным для таких устройств считается значение Tc в диапазоне от 1.0 до 3.0 Вт/m*K, что существенно отличается от значений 0.25 — 0.3 Вт/m*K для традиционных полиимидных или эпоксидных систем.

Один из основных параметров любого ламината – его относительная диэлектрическая проницаемость (εr), характеризующая изоляционные свойства диэлектрика. Скорость распространения сигнала в диэлектрике обратно пропорциональна εr. Поэтому материалы с высокой εr позволяют уменьшить размеры печатной платы, используемой в диапазоне высоких частот. Это особенно важно для печатных плат, эксплуатируемых на частотах более 30 ГГц. С другой стороны, материалы с более низкой εr обеспечивают лучшую изоляцию и меньший уровень вносимых потерь.

Поскольку ламинаты являются композиционными материалами, значения εr по оси Z (по толщине) и по осям X–Y (по длине и ширине) будут различаться. Диапазон значений относительной диэлектрической проницаемости ВЧ/СВЧ-ламинатов разных производителей варьируется от 1,96 до 12,78. При выборе ламината стоит обращать внимание на значение допуска на εr, поскольку от него зависит изменение величины импеданса разрабатываемого устройства.

Еще одна характеристика ламинатов — Температурный коэффициент (TKεr) — показывает изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1°C. Измеряется в частях на миллион (ppm – parts per million, ppm/°C). Может иметь как отрицательное, так и положительное значение. Большие значения TKεr служат индикатором того, что устройства, хорошо функционирующие в идеальных лабораторных условиях, могут работать ненадёжно в случаях значительных температурных колебаний.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) характеризует рассеиваемую мощность устройства, определяемую потерями в диэлектрике. Низкие значения tgδ обеспечивают уменьшение вносимых потерь в пассивных схемах и оптимизацию усиления в активных, уменьшение нагрева диэлектрика в мощных схемах, большую добротность в резонансных устройствах. Этот параметр особенно важен для СВЧ печатных плат, используемых в производстве спутникового оборудования, планарных антенн, мощных усилителей, где требуются материалы с tgδ 29.01.2021 Pavel Sarpov

Источник