Както всички знаем, основните свойства на PCB (печатна платка) зависят от производителността на неговия субстратен материал. Следователно, за да се подобри производителността на печатната платка, производителността на материала на основата трябва първо да бъде оптимизирана. До момента се разработват и прилагат различни нови материали, за да отговорят на изискванията на новите технологии и пазарните тенденции.

През последните години печатните платки претърпяха трансформация. Пазарът основно се измести от традиционни хардуерни продукти като настолни компютри към безжични комуникации като сървъри и мобилни терминали. Мобилните комуникационни устройства, представени от смарт телефони, насърчиха развитието на леки и многофункционални печатни платки с висока плътност. Ако няма субстратен материал и неговите технологични изисквания са тясно свързани с производителността на печатната платка, технологията на печатна схема никога няма да бъде реализирана. Следователно, изборът на субстратен материал играе жизненоважна роля за осигуряване на качеството и надеждността на печатната платка и крайния продукт.

Задоволяване на нуждите от висока плътност и фини линии

•Изисквания към медно фолио

Всички печатни платки се движат към по-висока плътност и по-фини вериги, особено HDI PCB (High Density Interconnect PCB). Преди десет години HDI PCB беше определена като PCB и нейната ширина на линиите (L) и междуредово разстояние (S) бяха 0.1 mm или по-малко. Въпреки това, настоящите стандартни стойности на L и S в електронната индустрия могат да бъдат до 60 μm, а в напреднали случаи техните стойности могат да бъдат до 40 μm.

Как да определите вашия материал на основата на печатни платки

Традиционният метод за формиране на електрическа схема е в процеса на изобразяване и ецване. При нанасяне на субстрати от тънко медно фолио (с дебелина в диапазона от 9μm до 12μm) най-ниската стойност на L и S достига 30μm.

Поради високата цена на тънкото медно фолио CCL (Copper Clad Laminate) и много дефекти в стека, много производители на печатни платки са склонни да използват метода на ецване с медно фолио, а дебелината на медното фолио е настроена на 18 μm. Всъщност този метод не се препоръчва, тъй като съдържа твърде много процедури, дебелината е трудна за контрол и води до по-високи разходи. В резултат на това тънкото медно фолио е по-добро. Освен това, когато L и S стойностите на платката са по-малки от 20 μm, стандартното медно фолио не работи. И накрая, препоръчва се използването на ултратънко медно фолио, тъй като дебелината на медта може да се регулира в диапазона от 3 μm до 5 μm.

В допълнение към дебелината на медното фолио, токовите прецизни вериги изискват и повърхност от медно фолио с ниска грапавост. За да се подобри способността за свързване между медното фолио и субстратния материал и да се осигури якостта на отлепване на проводника, върху равнината на медното фолио се извършва груба обработка, а общата грапавост на медното фолио е по-голяма от 5 μm.

Вграждането на медно фолио с гърбица като основен материал има за цел да подобри неговата якост на обелване. Въпреки това, за да се контролира прецизността на оловото далеч от прекомерно ецване по време на ецване на веригата, той има тенденция да причинява замърсители на гърбици, които могат да причинят късо съединение между линиите или намаляване на изолационния капацитет, което засяга особено фините вериги. Следователно е необходимо медно фолио с ниска грапавост (по-малко от 3 μm или дори 1.5 μm).

Въпреки че грапавостта на медното фолио е намалена, все още е необходимо да се запази якостта на отлепване на проводника, което причинява специална повърхностна обработка на повърхността на медното фолио и материала на основата, което помага да се осигури якостта на отлепване на проводник.

• Изисквания за изолационни диелектрични ламинати

Една от основните технически характеристики на HDI PCB се крие в процеса на изграждане. Често използваното RCC (медно покритие със смола) или препрег епоксидна стъклена кърпа и ламиниране с медно фолио рядко водят до фини вериги. Сега е склонен да използва SAP и MSPA, което означава прилагането на изолиращ диелектричен филм, ламинирано без електробезмедно покритие за производство на медни проводими равнини. Тъй като медната равнина е тънка, могат да се произвеждат фини вериги.

Една от ключовите точки на SAP е ламинирането на диелектрични материали. За да се отговори на изискванията на прецизните вериги с висока плътност, трябва да бъдат поставени някои изисквания за ламинираните материали, включително диелектрични свойства, изолация, устойчивост на топлина и свързване, както и техническа адаптивност, съвместима с HDI PCB.

В глобалните полупроводникови опаковки субстратите за опаковки на IC се превръщат от керамични в органични субстрати. Стъпката на субстратите на FC пакета става все по-малка и по-малка, така че текущата типична стойност на L и S е 15 μm и ще бъде по-малка.

Производителността на многослойните субстрати трябва да подчертава ниските диелектрични свойства, нисък коефициент на термично разширение (CTE) и висока устойчивост на топлина, което се отнася до субстрати с ниска цена, които отговарят на целите за производителност. В днешно време технологията за диелектрично подреждане на изолацията MSPA се комбинира с тънко медно фолио, за да се използва в масовото производство на прецизни вериги. SAP се използва за производство на схеми с L и S стойности по-малко от 10 μm.

Високата плътност и тънкост на печатните платки са накарали HDI PCB да преминат от ламиниране с ядра към ядра от всеки слой. За HDI печатни платки със същата функция, площта и дебелината на печатните платки, свързани помежду си върху всеки слой, са намалени с 25% в сравнение с тези с ламинати със сърцевина. В тези две HDI печатни платки е необходимо да се приложи по-тънък диелектричен слой с по-добри електрически свойства.

Изисква експорт от висока честота и висока скорост

Електронните комуникационни технологии варират от кабелна до безжична, от ниска честота и ниска скорост до висока честота и висока скорост. Производителността на смартфоните еволюира от 4G до 5G, което изисква по-високи скорости на предаване и по-голям обем на предаване.

Настъпването на глобалната ера на облачните изчисления доведе до многократно увеличаване на трафика на данни и има ясна тенденция за високочестотно и високоскоростно комуникационно оборудване. За да се отговори на изискванията за високочестотно и високоскоростно предаване, в допълнение към намаляването на смущенията и консумацията на сигнала, целостта на сигнала и производството са съвместими с изискванията за проектиране на дизайна на печатни платки, високопроизводителните материали са най-важният елемент.

Основната работа на инженера е да намали свойствата на загубата на електрически сигнал, за да увеличи скоростта на печатната платка и да реши проблемите с целостта на сигнала. Въз основа на повече от десет години производствени услуги на PCBCart, като ключов фактор, влияещ върху избора на субстратен материал, когато диелектричната константа (Dk) е по-ниска от 4 и диелектричната загуба (Df) е по-ниска от 0.010, това се счита за междинен Dk/Df ламинат Когато Dk е по-ниско от 3.7 и Df е по-ниско от 0.005, той се счита за ламинат с нисък Dk/Df. В момента на пазара се предлагат различни субстратни материали.

Досега има главно три вида често използвани високочестотни субстратни материали за платки: смоли на флуорна основа, PPO или PPE смоли и модифицирани епоксидни смоли. Диелектричните субстрати от серия флуор, като PTFE, имат най-ниски диелектрични свойства и обикновено се използват за продукти с честота от 5 GHz или по-висока. Модифицираният субстрат от епоксидна смола FR-4 или PPO е подходящ за продукти с честотен диапазон от 1GHz до 10GHz.

Сравнявайки трите високочестотни субстратни материала, епоксидната смола има най-ниска цена, въпреки че флуорната смола има най-висока цена. По отношение на диелектричната константа, диелектричните загуби, водопоглъщането и честотните характеристики, смолите на основата на флуор се представят най-добре, докато епоксидните смоли се представят по-лошо. Когато честотата, прилагана от продукта, е по-висока от 10 GHz, ще работи само смолата на флуорна основа. Недостатъците на PTFE включват висока цена, лоша твърдост и висок коефициент на топлинно разширение.

За PTFE насипните неорганични вещества (като силициев диоксид) могат да се използват като пълнител или стъклена кърпа, за да се подобри твърдостта на материала на основата и да се намали коефициентът на термично разширение. Освен това, поради инертността на PTFE молекулите, е трудно PTFE молекулите да се свържат с медното фолио, така че трябва да се реализира специална повърхностна обработка, съвместима с медното фолио. Методът на третиране е да се извърши химическо ецване върху повърхността на политетрафлуоретилена, за да се увеличи грапавостта на повърхността или да се добави адхезивен филм за повишаване на адхезионната способност. При прилагането на този метод диелектричните свойства могат да бъдат засегнати и цялата високочестотна верига на основата на флуор трябва да бъде доразвита.

Уникална изолационна смола, съставена от модифицирана епоксидна смола или PPE и TMA, MDI и BMI, плюс стъклена кърпа. Подобно на FR-4 CCL, той също има отлична устойчивост на топлина и диелектрични свойства, механична якост и производителност на печатни платки, което го прави по-популярен от субстратите на базата на PTFE.

В допълнение към изискванията за производителност на изолационни материали като смоли, грапавостта на повърхността на медта като проводник също е важен фактор, влияещ върху загубата на предаване на сигнала, което е резултат от скин ефекта. По принцип скин ефектът е, че електромагнитната индукция, генерирана при предаването на високочестотен сигнал и индуктивния проводник, става толкова концентрирана в центъра на площта на напречното сечение на проводника и задвижващият ток или сигнал се фокусира върху повърхност на оловото. Грапавостта на повърхността на проводника играе ключова роля за влияние върху загубата на предавания сигнал, а ниската грапавост води до много малка загуба.

При същата честота високата грапавост на повърхността на медта ще причини висока загуба на сигнал. Следователно грапавостта на повърхностната мед трябва да се контролира в реалното производство и трябва да бъде възможно най-ниска, без да се засяга адхезията. Трябва да се обърне голямо внимание на сигналите в честотния диапазон от 10 GHz или по-висок. Изисква се грапавостта на медното фолио да бъде по-малка от 1 μm и най-добре е да използвате медно фолио с ултра повърхност с грапавост 0.04 μm. Грапавостта на повърхността на медното фолио трябва да се комбинира с подходяща окислителна обработка и система от свързваща смола. В близко бъдеще може да има медно фолио без смола с профилно покритие, което има по-висока якост на отлепване, за да се предотврати влиянието на диелектричните загуби.

Изисква висока термична устойчивост и високо разсейване

С тенденцията на развитие на миниатюризация и висока функционалност, електронното оборудване има тенденция да генерира повече топлина, така че изискванията за управление на топлината на електронното оборудване стават все по-взискателни. Едно от решенията на този проблем се крие в изследването и разработването на топлопроводими печатни платки. Основното условие за добрата работа на печатните платки по отношение на топлоустойчивостта и разсейването е топлоустойчивостта и способността за разсейване на субстрата. Настоящото подобрение в топлопроводимостта на печатни платки се крие в подобряването на добавянето на смола и пълнеж, но то работи само в ограничена категория. Типичният метод е използването на IMS или печатни платки с метална сърцевина, които действат като нагревателни елементи. В сравнение с традиционните радиатори и вентилатори, този метод има предимствата на малкия размер и ниската цена.

Алуминият е много атрактивен материал с предимствата на изобилие от ресурси, ниска цена и добра топлопроводимост. И интензивност. В допълнение, той е толкова екологичен, че се използва от повечето метални субстрати или метални сърцевини. Поради предимствата на икономичността, надеждната електрическа връзка, топлопроводимостта и високата якост, без спойка и без олово, платките на базата на алуминий се използват в потребителски продукти, автомобили, военни консумативи и аерокосмически продукти. Няма съмнение, че ключът към устойчивостта на топлина и разсейването на металния субстрат се крие в сцеплението между металната плоча и равнината на веригата.

Как да определите материала на основата на вашата печатна платка?

В съвременната електронна епоха, миниатюризацията и изтъняването на електронните устройства доведоха до появата на твърди печатни платки и гъвкави/твърди печатни платки. И така, какъв тип субстратен материал е подходящ за тях?

Увеличените области на приложение на твърдите печатни платки и гъвкавите/твърдите печатни платки доведоха до нови изисквания по отношение на количеството и производителността. Например, полиимидните филми могат да бъдат класифицирани в различни категории, включително прозрачни, бели, черни и жълти, с висока устойчивост на топлина и нисък коефициент на топлинно разширение за приложение в различни ситуации. По същия начин рентабилният субстрат от полиестерен филм ще бъде приет от пазара поради своята висока еластичност, стабилност на размерите, качество на повърхността на филма, фотоелектрическо свързване и устойчивост на околната среда, за да отговори на променящите се нужди на потребителите.

Подобно на твърдата HDI печатна платка, гъвкавата печатна платка трябва да отговаря на изискванията за високоскоростно и високочестотно предаване на сигнал и трябва да се обърне внимание на диелектричната константа и диелектричните загуби на гъвкавия субстратен материал. Гъвкавата верига може да бъде съставена от политетрафлуоретилен и усъвършенстван полиимиден субстрат. Към полиимидната смола могат да се добавят неорганичен прах и въглеродни влакна, за да се получи трислоен гъвкав топлопроводим субстрат. Неорганичният пълнежен материал може да бъде алуминиев нитрид, алуминиев оксид или хексагонален борен нитрид. Този тип субстратен материал има топлопроводимост от 1.51 W/mK, издържа на напрежение от 2.5 kV и кривина от 180 градуса.