Kuten me kaikki tiedämme, perusominaisuudet PCB (painettu piirilevy) riippuvat sen substraattimateriaalin suorituskyvystä. Siksi piirilevyn suorituskyvyn parantamiseksi substraattimateriaalin suorituskyky on ensin optimoitava. Toistaiseksi kehitetään ja sovelletaan erilaisia ​​uusia materiaaleja vastaamaan uusien teknologioiden vaatimuksia ja markkinatrendejä.

Viime vuosina painetut piirilevyt ovat kokeneet muodonmuutoksen. Markkinat ovat pääasiassa siirtyneet perinteisistä laitteistotuotteista, kuten pöytätietokoneista, langattomaan viestintään, kuten palvelimiin ja mobiilipäätteisiin. Älypuhelimien edustamat matkaviestinlaitteet ovat edistäneet tiheiden, kevyiden ja monikäyttöisten piirilevyjen kehitystä. Jos alustamateriaalia ei ole ja sen prosessivaatimukset liittyvät läheisesti piirilevyn suorituskykyyn, painettua piiritekniikkaa ei koskaan toteuteta. Siksi substraattimateriaalin valinnalla on keskeinen rooli piirilevyn ja lopputuotteen laadun ja luotettavuuden takaamisessa.

Täyttää suuren tiheyden ja hienojen juonteiden tarpeet

•Kuparikalvoa koskevat vaatimukset

Kaikki piirilevyt ovat siirtymässä kohti korkeampaa tiheyttä ja hienompia piirejä, erityisesti HDI PCB (High Density Interconnect PCB). Kymmenen vuotta sitten HDI-piirilevy määriteltiin piirilevyksi, ja sen viivanleveys (L) ja riviväli (S) olivat 0.1 mm tai vähemmän. Nykyiset L:n ja S:n standardiarvot elektroniikkateollisuudessa voivat kuitenkin olla jopa 60 μm, ja edistyneissä tapauksissa niiden arvot voivat olla jopa 40 μm.

PCB-substraattimateriaalin määrittäminen

Perinteinen menetelmä piirikaavion muodostamiseksi on kuvantamis- ja syövytysprosessi. Kun käytetään ohuita kuparifolioalustoja (paksuus 9 μm – 12 μm), L:n ja S:n pienin arvo saavuttaa 30 μm.

Ohuen kuparifolion CCL (Copper Clad Laminate) korkeiden kustannusten ja monien pinon vikojen vuoksi monet piirilevyjen valmistajat käyttävät yleensä syövytyskuparifoliomenetelmää, ja kuparikalvon paksuus on asetettu 18 μm:iin. Itse asiassa tätä menetelmää ei suositella, koska se sisältää liian monia toimenpiteitä, paksuutta on vaikea hallita ja se johtaa korkeampiin kustannuksiin. Tämän seurauksena ohut kuparifolio on parempi. Lisäksi kun levyn L- ja S-arvot ovat alle 20μm, vakiokuparifolio ei toimi. Lopuksi on suositeltavaa käyttää erittäin ohutta kuparifoliota, koska sen kuparin paksuutta voidaan säätää välillä 3μm – 5μm.

Kuparikalvon paksuuden lisäksi nykyiset tarkkuuspiirit vaativat myös kuparikalvon pinnan, jonka karheus on alhainen. Kuparikalvon ja substraattimateriaalin välisen sidoskyvyn parantamiseksi ja johtimen kuoriutumislujuuden varmistamiseksi suoritetaan karkea prosessointi kuparikalvotasolla ja kuparikalvon yleinen karheus on yli 5 μm.

Kyhmykuparifolion upottaminen pohjamateriaaliksi pyrkii parantamaan sen kuoriutumislujuutta. Kuitenkin, jotta johdon tarkkuus voidaan hallita pois ylisyövytyksestä piirin syövytyksen aikana, se pyrkii aiheuttamaan epäpuhtauksia, jotka voivat aiheuttaa oikosulun linjojen välillä tai heikentää eristyskapasiteettia, mikä vaikuttaa erityisesti hienoihin piireihin. Siksi tarvitaan kuparifoliota, jonka karheus on alhainen (alle 3 μm tai jopa 1.5 μm).

Vaikka kuparikalvon karheus vähenee, on silti tarpeen säilyttää johtimen kuoriutumislujuus, mikä aiheuttaa kuparikalvon ja substraattimateriaalin pinnalle erityisen pintakäsittelyn, joka auttaa varmistamaan johtimen kuoriutumislujuuden. kapellimestari.

• Eristyslaminaattien vaatimukset

Yksi HDI-piirilevyjen tärkeimmistä teknisistä ominaisuuksista on rakennusprosessi. Yleisesti käytetty RCC (hartsipinnoitettu kupari) tai prepreg-epoksilasikangas ja kuparifoliolaminointi johtavat harvoin hienoihin piireihin. Nykyään ollaan taipuvaisia ​​käyttämään SAP:ta ja MSPA:ta, mikä tarkoittaa eristävän dielektrisen kalvon laminoitua kemiallista kuparipinnoitusta kuparia johtavien tasojen valmistukseen. Koska kuparitaso on ohut, voidaan tuottaa hienoja piirejä.

Yksi SAP:n avainkohdista on dielektristen materiaalien laminointi. Korkeatiheyksisten tarkkuuspiirien vaatimusten täyttämiseksi laminaattimateriaaleille on asetettava joitain vaatimuksia, mukaan lukien dielektriset ominaisuudet, eristys, lämmönkestävyys ja liimaus sekä HDI-piirilevyjen kanssa yhteensopiva tekninen sopeutuvuus.

Globaalissa puolijohdepakkauksessa IC-pakkaussubstraatit muunnetaan keraamisista substraateista orgaanisiksi substraateiksi. FC-pakettisubstraattien jako pienenee ja pienenee, joten L:n ja S:n nykyinen tyypillinen arvo on 15 μm ja se tulee olemaan pienempi.

Monikerroksisten substraattien suorituskyvyssä tulee korostaa alhaisia ​​dielektrisiä ominaisuuksia, alhaista lämpölaajenemiskerrointa (CTE) ja korkeaa lämmönkestävyyttä, mikä viittaa edullisiin alustoihin, jotka täyttävät suorituskykytavoitteet. Nykyään MSPA-eristysdielektrinen pinoamistekniikka yhdistetään ohueen kuparifolioon, jota käytetään tarkkuuspiirien massatuotannossa. SAP:ia käytetään piirikuvioiden valmistukseen, joissa sekä L- että S-arvot ovat alle 10 μm.

PCB-levyjen suuri tiheys ja ohuus ovat saaneet HDI-piirilevyt siirtymään ytimien laminoinnista minkä tahansa kerroksen ytimiin. HDI-piirilevyillä, joilla on sama toiminto, minkä tahansa kerroksen päälle kytkettyjen piirilevyjen pinta-ala ja paksuus pienenevät 25 % verrattuna ydinlaminaateilla varustettuihin piirilevyihin. Näissä kahdessa HDI-piirilevyssä on tarpeen levittää ohuempi dielektrinen kerros, jolla on paremmat sähköiset ominaisuudet.

Edellyttää vientiä korkealta taajuudella ja suurella nopeudella

Sähköinen viestintätekniikka vaihtelee langallisesta langattomaan, matalataajuisesta ja alhaisesta nopeudesta korkeataajuiseen ja nopeaan. Älypuhelimien suorituskyky on kehittynyt 4G:stä 5G:hen, mikä vaatii nopeampia siirtonopeuksia ja suurempia lähetysmääriä.

Globaalin pilvitekniikan aikakauden tulo on johtanut tietoliikenteen moninkertaiseen lisääntymiseen, ja suurtaajuisten ja nopeiden viestintälaitteiden kohdalla on selvä trendi. Korkean taajuuden ja nopean lähetyksen vaatimusten täyttämiseksi signaalin häiriöiden ja kulutuksen vähentämisen lisäksi signaalin eheys ja valmistus ovat yhteensopivia piirilevysuunnittelun suunnitteluvaatimusten kanssa, korkean suorituskyvyn materiaalit ovat tärkein elementti.

Insinöörin päätehtävänä on vähentää sähköisen signaalin häviön ominaisuuksia PCB:n nopeuden lisäämiseksi ja signaalin eheysongelmien ratkaisemiseksi. PCBCartin yli kymmenen vuoden valmistuspalveluiden perusteella substraattimateriaalin valintaan vaikuttavana keskeisenä tekijänä, kun dielektrisyysvakio (Dk) on pienempi kuin 4 ja dielektrisyyshäviö (Df) on pienempi kuin 0.010, katsotaan väli Dk/Df-laminaatti Kun Dk on alle 3.7 ja Df on pienempi kuin 0.005, sitä pidetään matalan Dk/Df-laminaattina. Tällä hetkellä markkinoilla on saatavilla erilaisia ​​substraattimateriaaleja.

Toistaiseksi yleisesti käytettyjä suurtaajuisten piirilevyjen substraattimateriaaleja on pääasiassa kolmenlaisia: fluoripohjaiset hartsit, PPO- tai PPE-hartsit ja modifioidut epoksihartsit. Fluorisarjan dielektrisillä substraateilla, kuten PTFE:llä, on alhaisimmat dielektriset ominaisuudet, ja niitä käytetään yleensä tuotteissa, joiden taajuus on 5 GHz tai suurempi. Modifioitu epoksihartsi FR-4- tai PPO-substraatti soveltuu tuotteille, joiden taajuusalue on 1 GHz – 10 GHz.

Kolmea korkeataajuista substraattimateriaalia verrattaessa epoksihartsilla on alhaisin hinta, vaikka fluorihartsilla on korkein hinta. Dielektrisyysvakion, dielektrisen häviön, veden imeytymisen ja taajuusominaisuuksien suhteen fluoripohjaiset hartsit toimivat parhaiten, kun taas epoksihartsit huonommin. Kun tuotteen käyttämä taajuus on yli 10 GHz, vain fluoripohjainen hartsi toimii. PTFE:n haittoja ovat korkeat kustannukset, huono jäykkyys ja korkea lämpölaajenemiskerroin.

PTFE:lle voidaan käyttää epäorgaanisia bulkkiaineita (kuten piidioksidia) täyteaineina tai lasikankaana lisäämään alustamateriaalin jäykkyyttä ja vähentämään lämpölaajenemiskerrointa. Lisäksi PTFE-molekyylien inerttisyyden vuoksi PTFE-molekyylien on vaikea sitoutua kuparikalvoon, joten kuparikalvon kanssa yhteensopiva erityinen pintakäsittely on toteutettava. Käsittelymenetelmänä polytetrafluorietyleenin pinnalle suoritetaan kemiallinen syövytys pinnan karheuden lisäämiseksi tai liimakalvon lisääminen tartuntakyvyn lisäämiseksi. Tämän menetelmän soveltaminen voi vaikuttaa dielektrisiin ominaisuuksiin ja koko fluoripohjaista suurtaajuuspiiriä on kehitettävä edelleen.

Ainutlaatuinen eristävä hartsi, joka koostuu modifioidusta epoksihartsista tai PPE:stä ja TMA:sta, MDI:stä ja BMI:stä sekä lasikankaasta. Kuten FR-4 CCL, sillä on myös erinomaiset lämmönkestävyys ja dielektriset ominaisuudet, mekaaninen lujuus ja PCB-valmistettavuus, jotka kaikki tekevät siitä suositumman kuin PTFE-pohjaiset substraatit.

Eristysmateriaalien, kuten hartsien, suorituskykyvaatimusten lisäksi kuparin pinnan karheus johtimena on myös tärkeä signaalinsiirtohäviöön vaikuttava tekijä, joka on seurausta skin-ilmiöstä. Pohjimmiltaan skin-ilmiö on se, että korkeataajuisen signaalin lähetyksessä ja induktiivisessa johtimessa syntyvä sähkömagneettinen induktio keskittyy niin johtimen poikkileikkausalueen keskelle ja ohjausvirta tai signaali keskittyy johdon pintaa. Johtimen pinnan karheudella on keskeinen rooli siirtosignaalin häviössä ja alhainen karheus johtaa hyvin pieneen häviöön.

Samalla taajuudella kuparin suuri pinnan karheus aiheuttaa suuren signaalihäviön. Siksi pintakuparin karheutta on valvottava varsinaisessa valmistuksessa ja sen tulee olla mahdollisimman alhainen vaikuttamatta kiinnittymiseen. Erityistä huomiota on kiinnitettävä 10 GHz:n tai sitä korkeammilla taajuuksilla oleviin signaaleihin. Kuparifolion karheuden on oltava alle 1 μm, ja parasta on käyttää ultrapintakuparikalvoa, jonka karheus on 0.04 μm. Kuparikalvon pinnan karheus on yhdistettävä sopivaan hapetuskäsittelyyn ja sidoshartsijärjestelmään. Lähitulevaisuudessa saattaa olla olemassa kuparifoliota, jossa ei ole profiilipinnoitettua hartsia ja jolla on suurempi kuoriutumislujuus, jotta dielektrisyyshäviö ei vaikuta.

Vaatii suurta lämpövastusta ja suurta hajoamista

Pienentämisen ja korkean toiminnallisuuden kehityssuunnassa elektroniikkalaitteilla on taipumus tuottaa enemmän lämpöä, joten elektroniikkalaitteiden lämmönhallintavaatimukset ovat yhä vaativampia. Yksi ratkaisu tähän ongelmaan on lämpöä johtavien PCB-levyjen tutkimus ja kehittäminen. Perusedellytys sille, että piirilevy toimii hyvin lämmönkestävyyden ja hajoamisen suhteen, on alustan lämmönkestävyys ja hajoamiskyky. Nykyinen parannus piirilevyn lämmönjohtavuudessa on hartsin ja täytteen lisäyksen parantamisessa, mutta se toimii vain rajoitetussa kategoriassa. Tyypillinen menetelmä on käyttää IMS- tai metallisydänpiirilevyä, jotka toimivat lämmityselementteinä. Perinteisiin lämpöpattereihin ja puhaltimiin verrattuna tämän menetelmän etuna on pieni koko ja edullinen hinta.

Alumiini on erittäin houkutteleva materiaali, jonka etuina ovat runsaat resurssit, alhainen hinta ja hyvä lämmönjohtavuus. Ja intensiteetti. Lisäksi se on niin ympäristöystävällinen, että useimmat metallisubstraatit tai metalliytimet käyttävät sitä. Taloudellisuuden, luotettavan sähköliitännän, lämmönjohtavuuden ja korkean lujuuden etujen ansiosta juotettomia ja lyijyttömiä alumiinipohjaisia ​​piirilevyjä on käytetty kuluttajatuotteissa, autoissa, sotilastarvikkeissa ja ilmailutuotteissa. Ei ole epäilystäkään siitä, että avain metallialustan lämmönkestävyyteen ja hajaantumiseen on metallilevyn ja piiritason välisessä adheesiossa.

Kuinka määrittää piirilevysi substraattimateriaali?

Nykyaikaisella elektroniikkakaudella elektroniikkalaitteiden pienentyminen ja ohuus on johtanut jäykkien piirilevyjen ja joustavien/jäykkien PCB-levyjen syntymiseen. Millainen substraattimateriaali sitten sopii niille?

Jäykkien piirilevyjen ja joustavien/jäykkien piirilevyjen lisääntyneet käyttöalueet ovat tuoneet uusia vaatimuksia määrälle ja suorituskyvylle. Esimerkiksi polyimidikalvot voidaan luokitella eri luokkiin, mukaan lukien läpinäkyvä, valkoinen, musta ja keltainen, joilla on korkea lämmönkestävyys ja pieni lämpölaajenemiskerroin käytettäväksi eri tilanteissa. Samoin kustannustehokas polyesterikalvosubstraatti hyväksytään markkinoilla sen korkean joustavuuden, mittavakauden, kalvon pinnan laadun, valosähköisen kytkennän ja ympäristönkestävyyden vuoksi, jotta se vastaa käyttäjien muuttuviin tarpeisiin.

Kuten jäykkä HDI-piirilevy, joustavan piirilevyn on täytettävä nopean ja korkeataajuisen signaalin lähetyksen vaatimukset, ja huomiota on kiinnitettävä joustavan substraattimateriaalin dielektrisyysvakioon ja dielektriseen häviöön. Joustava piiri voi koostua polytetrafluorietyleenistä ja kehittyneestä polyimidisubstraatista. Epäorgaanista pölyä ja hiilikuitua voidaan lisätä polyimidihartsiin, jolloin saadaan kolmikerroksinen joustava lämpöä johtava alusta. Epäorgaaninen täyteaine voi olla alumiininitridi, alumiinioksidi tai kuusikulmainen boorinitridi. Tämän tyyppisen substraattimateriaalin lämmönjohtavuus on 1.51 W/mK, se kestää 2.5 kV jännitettä ja 180 asteen kaarevuutta.