Jakou teplotu vydrží desky plošných spojů?

Technolog pro přípravu a uvedení plošných spojů do výroby, kontrola plošných spojů (AOI, AVI). Technolog pro instalace SMT, THT a PressFit, kontrola sestav plošných spojů (SPI, AOI, RTG specialista na analýzy DFM a DFA).

V tomto článku si projdeme standardní technickou specifikaci – dokument, který obsahuje požadavky na základní materiály pro desku plošných spojů: fólie, prepregy a jádra. Pojďme pochopit, jak se tyto požadavky tvoří. A co je důležité zvážit je, aby deska nepřišla nazmar ve fázi výroby, instalace nebo provozu. Deska s plošnými spoji je dielektrická deska, na jejímž povrchu a uvnitř jsou vytvořeny vodivé obvody z měděné fólie. Fólii je možné dodávat buď v samostatných rolích a arších, nebo ihned lisovanou dielektrikem (pak to již bude základní materiál – jádro). Pro spojení sousedních vodivých vrstev potřebujete prepreg – plát tkaného skleněného vlákna impregnovaného neúplně vytvrzeným polymerem. Vrstva nebo několik vrstev prepregu, pokrytých fólií na obou (méně často i na jedné) stranách a podstupujících polymeraci, tvoří jádro nebo jádro. Všechny vnitřní vrstvy desky jsou obvykle implementovány na jádrech. Každý z materiálů je dodáván v desítkách typů a značek, které se liší základními vlastnostmi. Podívejme se, jak tyto parametry ovlivňují výrobní procesy.

Hlavním parametrem fólie je drsnost

Na jedné straně platí, že čím vyšší je drsnost, tím lepší je její přilnavost během procesu lisování. Na druhou stranu, jak se zvyšuje drsnost, roste i ztráta vysokorychlostních signálů. Nikdo nechce dostávat dokonale vylisovaný výrobek, který je kvůli zkreslení signálu zcela nefunkční. K vyřešení tohoto problému se často používají kůry s RTF fólií. Jsou nalisovány na prepreg stranou s minimální drsností. Vznikne tak jádro, ve kterém na sebe fólie svými hladkými stranami „koukají“. To poskytuje dobrou integritu signálu. V tomto případě je RTF fólie směřována ven stranou s větší drsností, což zajišťuje lepší přilnavost při lisování celé desky. Doporučení pro drsnost fólie vydává inženýr integrity signálu. Základní princip je ale jednoduchý: čím vyšší frekvence signálů putujících po desce, tím menší drsnost (ideálně na obou stranách) potřebujeme. Drsnost různých profilů fólií:

• HPF (vysokoúčinná fólie) – 10 μm
• STD (standardní fólie) – 5 μm
• VLP (fólie s velmi nízkým profilem) – 3μm
• RTF (reverzní úprava fólie) – 3 μm
• HVLP (hyper-very-low profile foil) – 1μm
• ULP (fólie s ultra nízkou drsností) – 0.5 μm

Tolerance pro tento parametr (Rz) se vypočítá pomocí následujícího vzorce a metody:

Odebereme vzorek fólie a pomocí profilometru najdeme 10 bodů: 5 největších výstupků a 5 největších prohlubní profilu v rámci základní délky. Poté vypočítáme součet průměrných absolutních hodnot jejich výšek.

Klíčové parametry pro jádra a prepregy

U těchto materiálů technické specifikace obvykle poskytují mnohem více informací. Níže se podíváme na některé z nich, jak se tvoří a co ovlivňují.

Ukázka výstřižků z technické specifikace materiálů pro výrobu plošného spoje TU-883. Vezměte prosím na vědomí, že některé vlastnosti jsou jasně uvedeny se specifickými parametry a některé – například odolnost proti CAF – jsou uvedeny jednoduše.

Typ tkaní

Dovolte mi připomenout, že prepregy jsou obvykle vyrobeny z tkaných skelných vláken. Na jedné straně varianty s volnou vazbou obsahují hodně pryskyřice, což může usnadnit plnění leptané mědi.

Na druhou stranu při použití prepregů a volně tkaných kůr se můžete při směrování diffových párů setkat s nepříjemnou situací, kdy jedna šňůra jde přes sklolaminát a druhá přes mezeru vazby.

U nízkofrekvenční technologie není volné tkaní kritické. V ostatních případech, pokud není přístup k materiálům s hustší vazbou, můžete problém vyřešit jinými způsoby. Například umístěte desku na výrobní panel pod úhlem 15-20⁰. Nebo spusťte páry diffů v úhlech 11-13⁰. S tímto přístupem půjde každá linka přes sklo i pryskyřici a mezi linkami nebude velký rozdíl v impedancích nebo rychlosti šíření signálu.

Na požádání může výrobce poskytnout podrobnější informace o tkaní prepregu. Níže na příkladu Isola analyzujeme rozměry vazby. Výrobce prepregu poskytuje tuto tabulku.

U požadovaných typů tkaní (Glass_type) udává kroky tkaní podél Ox (X3_pitch) a Oy (Y3_pitch) a rozměry svazků (pásů) skelných vláken splétaných podél stejných os.

Teplota skelného přechodu (Tg) a koeficienty teplotní roztažnosti CTEz, CTExy

Teplota skelného přechodu je teplota, nad kterou se materiál mění z pevného do viskózního stavu. Prepreg se skládá ze skelného vlákna impregnovaného neúplně vytvrzeným polymerem (pryskyřicí). Ve skutečnosti nás zajímá teplota skelného přechodu tohoto polymeru. Pro desky plošných spojů se šesti a více vrstvami se používají materiály s Tg 170⁰C a vyšší.

K měření tohoto parametru se obvykle používají metody dilatometrického měření, to znamená, že se nejprve odstraní veškerá měď z malého kousku kůry, poté se vzorek zbývajícího dielektrického materiálu suší několik hodin při teplotě asi 105⁰C, a poté se ochladí na 23 °C. Poté se vzorek začne zahřívat na 250-260⁰С – maximální teplotu během procesu pájení.

Čím vyšší teplota pájky byla použita při instalaci, tím nižší CTEz potřebujeme.

Tg se nachází ještě na jednom místě v technické specifikaci – jako podmínka pro měření CTEz, koeficientu tepelné roztažnosti podél osy Oz. Tento parametr ukazuje, jak moc se deska zvětší při pájení nebo jiném silném zahřátí s přihlédnutím k její anizotropní struktuře.

Je důležité, aby dilatace desky při ohřevu byla kompenzována také dostatečnou tažností nanesené mědi v prokovech a montážních otvorech. V opačném případě může dojít k prasknutí „skla“ otvoru – to znamená k porušení integrity elektrického obvodu, což je pro jakoukoli desku s plošnými spoji fatální.

Koeficienty teplotní roztažnosti se vypočítávají před a po dosažení Tg v technické specifikaci jsou označeny jako před a po Tg; Někteří výrobci uvádějí CTE i pro teplotní rozsah odpovídající tepelnému profilu SMT pro pájení – CTE _30-260⁰С .

Různé typy CTE se počítají pomocí vlastních vzorců.

• Roztažnost materiálu při zahřátí na úroveň Tg:

• Roztažnost materiálu při zahřátí nad úroveň Tg:

• Expanze materiálu při zahřátí z pokojové teploty na pájecí vrchol:

• Relativní roztažnost materiálu v oblasti pájení, kde t – tloušťka vzorku při 23⁰С, měřeno před zahřátím. Pro pohodlí si můžete vzít t=t_А:

Kromě CTEz se bere v úvahu teplotní koeficient roztažnosti v rovině xOy – CTExy. Částečně odráží, jak moc se může měnit měřítko vrstev během procesu lisování desky. Vliv tohoto faktoru lze upravit před výrobou v CAM programech: vrstvy mohou být zobrazeny v různých měřítcích, například 1:1,02 nebo 1:0,97.

Teplota rozkladu (Td)

Td je teplota, při které materiál ztrácí více než 5 % své hmotnosti a po ochlazení se zhroutí. Výběr materiálu pro tento parametr značně závisí na pájkách použitých během procesu instalace. Čím vyšší je teplota tavení pájky, tím vyšší by měly být hodnoty Td a Tg. A to je jeden z příkladů, proč je třeba proces výroby a montáže desky posuzovat komplexně.

Pro desky montované bezolovnatou technologií se doporučuje volit materiály s vysokými hodnotami Td a Tg. Pro vysokoteplotní pájky – ještě větší.

Většina moderních materiálů má ve svých technických specifikacích doložku o kompatibilitě bez Pb – jsou kompatibilní s bezolovnatou instalační technologií a mají zjevně vysoké hodnoty Td a Tg.

Vyplatí se vybrat materiály s Td, které přesahují špičkovou teplotu pájení alespoň o 100 °C, nejlépe o 150 °C.

Procento obsahu pryskyřice (RC %)

Stejné typy tkaní mohou mít různé parametry dielektrické konstanty (Dk) – tento indikátor je důležitý pro výpočet impedancí, budu o něm mluvit později. Rozdíl v Dk u stejných vazeb závisí na množství pryskyřice v nich (RC %).

Například tabulka níže ukazuje prepregy pro desku TU-883. Pro typ vazby 1080 existují dvě možnosti obsahu pryskyřice: RC63% a RC67%. Tloušťka druhého je větší právě kvůli dodatečnému množství pryskyřice. A Dk je menší pro prepreg s velkým množstvím pryskyřice.

Isola, jeden z dodavatelů základních materiálů pro výrobu desek, počítá Dk prepregů pomocí následujícího vzorce:

Je také důležité pochopit, že k vyplnění leptané mědi do vnitřních vrstev se používá pouze pryskyřice, nikoli sklolaminát. Proto se při výběru prepregů pro vytlačování musíte ujistit, že mají dostatek pryskyřice k vyplnění mezer.

CAF-rezistence (odolnost vůči CAF efektu)

Conductive Anodic Filamentation (CAF) je účinek migrace iontů mědi podél trhlin/delaminací skleněného vlákna pod vlivem rozdílu potenciálů. V důsledku potenciálních rozdílů mohou mezi otvory, podložkami a podložkami pro povrchovou montáž narůst vodivá vlákna.

Odolnost vůči CAF efektu se posuzuje pomocí speciálních testovacích kuponů. Jedná se o desetivrstvé desky plošných spojů s poli pokovených otvorů připojených k různým obvodům. Kupóny vyrobené podle norem IPC-9255 a IPC-9256 jsou vhodné pouze pro posouzení odolnosti CAF mezi pokovenými otvory (PTH), podle norem IPC-9253 a IPC-9254 – pokročilejší (např. umí testovat PTH do tvaru – mezera mezi polygonem a sklenicí PTH).

Vzorek prochází simulací instalace a opravy. Zde jsou příklady simulace několika montážních cyklů s různými teplotami pájky.

• Pečeme (specifikujte), 3X @ 260⁰С Předběžná úprava (specifikujte profil),
• Pečeme (specifikujte), 6X @ 260⁰С Předběžná úprava (specifikujte profil),
• Pečeme (specifikujte), 6X @ 230⁰С Předběžná úprava (specifikujte profil),
• Pečeme (specifikujte), 5X @ 245⁰С Předběžná úprava (specifikujte profil).

Vzorky také procházejí simulovaným mytím. K nim se připájejí dráty, přes které bude následně přivedeno napětí, pájecí body se umyjí a vzorky se vysuší. Dále se vzorek umístí do speciální komory s proměnnou vlhkostí a teplotou a vytvoří se potenciální rozdíl.

Zde jsou příklady CAF testování parametrů: napětí, teplota, vlhkost – jako součást Temperature Humidity Bias Test.

• 15 V DC, 50⁰С, 80% RH,
• 100 V DC, 65⁰С, 87% RH,
• 10 V DC, 65⁰С, 85 $ RH.

Po stabilizaci desek se změří izolační odpor. Desky s výrazným poklesem izolačního odporu jsou odmítnuty.

Absorpce vlhkosti/vody

Jakýkoli materiál absorbuje vlhkost, kůra a prepregy nejsou výjimkou. Se zvyšující se absorpcí vlhkosti klesá skutečná Td a CAF-odolnost.

Pokud deska nasycená vlhkostí prochází pecí pro přetavení, může se jednoduše delaminovat v důsledku příliš rychlého uvolnění vlhkosti. A i když nevysušená deska vydržela troubu, můžeme po pájení získat zvýšenou deformaci, která překračuje přípustné standardní hodnoty.

Po výrobě v továrně jsou desky zabaleny a odeslány do oblasti instalace. Pokud po otevření balení indikátor vlhkosti zmizí z vodního kamene, jsou desky před instalací dodatečně vysušeny ve speciální skříni.

NB Pokud sestava tištěných spojů bude muset pracovat ve vlhkém a slaném mořském prostředí, stojí za to věnovat zvláštní pozornost výběru materiálu s nízkou absorpcí vlhkosti a vysokou odolností CAF. V opačném případě je vysoce pravděpodobné, že selže před koncem záruční doby.

Pro odkaz. Někdy technické specifikace uvádějí opačný parametr – odolnost proti vlhkosti/absorpci vody. Tedy ochranu před vlhkostí. Pak naopak: čím větší, tím lepší.

Dielektrická konstanta (Dk) a tangens dielektrické ztráty (Df)

Tyto parametry jsou důležité pro výpočet impedancí různých topologií a ztrát signálu. V některých případech je nutné materiály pro výrobu desky vyměnit. A pak je nutné se ujistit, že náhradní materiál má podobnou Dk a Df ne větší než původní materiál. Ve většině případů je možné zvolit Dk dostatečně blízko, aby zůstalo v rámci standardní impedanční tolerance +/-10 %, s ohledem na technický proces.

Výroba si může impedance přepočítat sama, ale pak je musí poslat RnD ke schválení. Nebo může požádat RnD, aby provedl změny v projektu s ohledem na změněné Dk.

Jak vybrat správné materiály

Většině problémů se lze vyhnout, pokud svůj výběr předem zkoordinujete s technologiemi závodu a jejich standardními materiály. Je dobrým zvykem získat výrobní stoh z továrny před zadáním objednávky, možná vám budou schopni nabídnout předimpregnované lamináty s vysokým RC, aby vyplnily všechny mezery na vnitřních vrstvách. A můžete se ujistit, že jsou splněny vaše požadavky na vzdálenosti mezi signálovými vrstvami a od signálových vedení k jejich podporám, protože tovární zásobník bude vypočítán s ohledem na smrštění prepregu použitého k vyplnění mezer v topologii.

Základní drsnost fólie a jaké Rz se vyvine v každé fázi od nanášení fotorezistu až po přípravu vrstev k lisování si můžete také předem ověřit u výrobce. Jak se frekvence signálu zvyšuje, drsnost povrchu se stává stejně důležitou jako Df materiálu, jinak riskujete ztráty signálu, které brání desce pracovat na požadovaných frekvencích.

Pokud vývojový personál nemá člověka, který je dobře obeznámen s charakteristikou materiálů a technologií výroby desek, vyplatí se pravidelně konzultovat s technology závodů, kde se deska bude vyrábět. Pomohou vám vybrat materiál s Tg, Td a dalšími potřebnými parametry vhodný pro vaši technologii instalace.

Co jiného si na toto téma přečíst

Články, přednášky a rozhovory o výrobě desek plošných spojů na webu projektu „Earth Engineer“.

• Jak vypočítat zásobník plošných spojů.
• Jak navrhnout desku vhodnou pro sériovou výrobu? Přístup Design for Manufacturing.
• IPC-TM-650 2.4.24 Teplota skleněného přechodu a tepelná roztažnost osy Z pomocí TMA.
• IPC-TM-650 2.4.24.1 Doba do delaminace (metoda TMA).
• Umělecká díla zkušebních vozidel CAF v rámci TM-650.
• IPC-TM-650 2.6.25 Test odporu vodivého anodového vlákna (CAF): Osa XY.
• Jak se vyhnout úplnému zkreslení, část 3.