Som vi alla vet, de grundläggande egenskaperna hos PCB (tryckt kretskort) beror på prestandan hos dess substratmaterial. Därför, för att förbättra kretskortets prestanda, måste prestandan hos substratmaterialet först optimeras. Hittills har olika nya material utvecklats och tillämpats för att möta kraven från ny teknik och marknadstrender.

De senaste åren har kretskort genomgått en förvandling. Marknaden har främst skiftat från traditionella hårdvaruprodukter som stationära datorer till trådlös kommunikation som servrar och mobila terminaler. Mobila kommunikationsenheter representerade av smarta telefoner har främjat utvecklingen av högdensitet, lätta och multifunktionella PCB. Om det inte finns något substratmaterial och dess processkrav är nära relaterade till kretskortets prestanda, kommer tryckt kretsteknik aldrig att realiseras. Därför spelar valet av substratmaterial en avgörande roll för att tillhandahålla kvaliteten och tillförlitligheten hos PCB och slutprodukten.

Tillgodose behoven av hög densitet och fina linjer

•Krav på kopparfolie

Alla PCB-kort går mot högre densitet och finare kretsar, speciellt HDI PCB (High Density Interconnect PCB). För tio år sedan definierades HDI PCB som PCB, och dess linjebredd (L) och linjeavstånd (S) var 0.1 mm eller mindre. De nuvarande standardvärdena för L och S inom elektronikindustrin kan dock vara så små som 60 μm, och i avancerade fall kan deras värden vara så låga som 40 μm.

Hur du bestämmer ditt PCB-substratmaterial

Den traditionella metoden för bildande av kretsdiagram är avbildnings- och etsningsprocessen. Med applicering av tunna kopparfoliesubstrat (med en tjocklek i intervallet 9μm till 12μm) når det lägsta värdet på L och S 30μm.

På grund av den höga kostnaden för tunn kopparfolie CCL (Copper Clad Laminate) och många defekter i stapeln, tenderar många PCB-tillverkare att använda etsnings-kopparfoliemetoden, och kopparfoliens tjocklek är inställd på 18μm. Faktum är att denna metod inte rekommenderas eftersom den innehåller för många procedurer, tjockleken är svår att kontrollera och leder till högre kostnader. Som ett resultat är tunn kopparfolie bättre. Dessutom, när brädans L- och S-värden är mindre än 20μm, fungerar inte standardkopparfolien. Slutligen rekommenderas det att använda ultratunn kopparfolie, eftersom dess koppartjocklek kan justeras i intervallet 3μm till 5μm.

Utöver kopparfoliens tjocklek kräver nuvarande precisionskretsar även en kopparfolieyta med låg strävhet. För att förbättra bindningsförmågan mellan kopparfolien och substratmaterialet och säkerställa avskalningshållfastheten hos ledaren, utförs grov bearbetning på kopparfolieplanet och kopparfoliens allmänna grovhet är större än 5μm.

Inbäddning av puckelkopparfolie som basmaterial syftar till att förbättra dess fläkhållfasthet. För att kontrollera ledningsprecisionen bort från överetsning under kretsetsning tenderar den emellertid att orsaka puckelföroreningar, vilket kan orsaka en kortslutning mellan ledningar eller en minskning av isoleringskapaciteten, vilket särskilt påverkar fina kretsar. Därför krävs kopparfolie med låg råhet (mindre än 3 μm eller till och med 1.5 μm).

Även om kopparfoliens grovhet minskar, är det fortfarande nödvändigt att behålla ledarens fläkhållfasthet, vilket orsakar en speciell ytbehandling på ytan av kopparfolien och substratmaterialet, vilket hjälper till att säkerställa fläkhållfastheten hos dirigent.

• Krav på isolerande dielektriska laminat

En av de viktigaste tekniska egenskaperna hos HDI PCB ligger i byggprocessen. Den vanligt använda RCC (hartsbelagda koppar) eller prepreg epoxiglasduk och kopparfolielaminering leder sällan till fina kretsar. Det är nu benäget att använda SAP och MSPA, vilket innebär tillämpning av isolerande dielektrisk film laminerad strömlös kopparplätering för att producera kopparledande plan. Eftersom kopparplanet är tunt kan fina kretsar produceras.

En av nyckelpunkterna med SAP är att laminera dielektriska material. För att uppfylla kraven på högdensitetsprecisionskretsar måste vissa krav ställas på laminatmaterial, inklusive dielektriska egenskaper, isolering, värmebeständighet och bindning, samt teknisk anpassningsbarhet kompatibel med HDI PCB.

I globala halvledarförpackningar omvandlas IC-förpackningssubstrat från keramiska substrat till organiska substrat. Stigningen för FC-paketsubstrat blir mindre och mindre, så det nuvarande typiska värdet för L och S är 15 μm, och det kommer att bli mindre.

Prestandan hos flerskiktssubstrat bör betona låga dielektriska egenskaper, låg värmeutvidgningskoefficient (CTE) och hög värmebeständighet, vilket hänvisar till lågkostnadssubstrat som uppfyller prestandamålen. Nuförtiden kombineras MSPA isoleringsdielektrisk staplingsteknik med tunn kopparfolie för att användas i massproduktion av precisionskretsar. SAP används för att tillverka kretsmönster med både L- och S-värden mindre än 10 μm.

Den höga densiteten och tunnheten hos PCB har fått HDI PCB att övergå från laminering med kärnor till kärnor av vilket lager som helst. För HDI PCB med samma funktion reduceras arean och tjockleken på PCB som är sammankopplade på valfritt lager med 25 % jämfört med de med kärnlaminat. Det är nödvändigt att applicera ett tunnare dielektriskt skikt med bättre elektriska egenskaper i dessa två HDI PCB.

Kräver export från hög frekvens och hög hastighet

Elektronisk kommunikationsteknik sträcker sig från trådbunden till trådlös, från lågfrekvens och låg hastighet till hög frekvens och hög hastighet. Prestanda för smartphones har utvecklats från 4G till 5G, vilket kräver högre överföringshastigheter och större överföringsvolymer.

Tillkomsten av den globala cloud computing-eran har lett till en flerfaldig ökning av datatrafik, och det finns en tydlig trend för högfrekvent och höghastighetskommunikationsutrustning. För att uppfylla kraven på högfrekvent och höghastighetsöverföring, förutom att minska signalstörningar och förbrukning, är signalintegritet och tillverkning kompatibla med designkraven för PCB-design, högpresterande material är det viktigaste elementet.

En ingenjörs huvudsakliga uppgift är att minska egenskaperna hos elektrisk signalförlust för att öka PCB-hastigheten och lösa problem med signalintegritet. Baserat på PCBCarts mer än tio år av tillverkningstjänster, som en nyckelfaktor som påverkar valet av substratmaterial, betraktas det som en dielektrisk konstant (Dk) är lägre än 4 och den dielektriska förlusten (Df) är lägre än 0.010. mellanliggande Dk/Df-laminat När Dk är lägre än 3.7 och Df är lägre än 0.005, anses det vara ett lågt Dk/Df-laminat. För närvarande finns en mängd olika substratmaterial tillgängliga på marknaden.

Hittills finns det huvudsakligen tre typer av ofta använda högfrekventa kretskortssubstratmaterial: fluorbaserade hartser, PPO- eller PPE-hartser och modifierade epoxihartser. Dielektriska substrat i fluorserien, såsom PTFE, har de lägsta dielektriska egenskaperna och används vanligtvis för produkter med en frekvens på 5 GHz eller högre. Det modifierade epoxihartset FR-4 eller PPO-substratet är lämpligt för produkter med ett frekvensområde på 1GHz till 10GHz.

Om man jämför de tre högfrekventa substratmaterialen har epoxiharts det lägsta priset, även om fluorharts har det högsta priset. När det gäller dielektricitetskonstant, dielektrisk förlust, vattenabsorption och frekvensegenskaper presterar fluorbaserade hartser bäst, medan epoxihartser presterar sämre. När frekvensen som appliceras av produkten är högre än 10GHz, fungerar endast det fluorbaserade hartset. Nackdelarna med PTFE inkluderar höga kostnader, dålig styvhet och hög värmeutvidgningskoefficient.

För PTFE kan oorganiska ämnen i bulk (såsom kiseldioxid) användas som fyllnadsmaterial eller glasduk för att förbättra substratmaterialets styvhet och minska värmeutvidgningskoefficienten. På grund av PTFE-molekylernas tröghet är det dessutom svårt för PTFE-molekylerna att binda till kopparfolien, så en speciell ytbehandling som är kompatibel med kopparfolien måste realiseras. Behandlingsmetoden är att utföra kemisk etsning på ytan av polytetrafluoretenen för att öka ytjämnheten eller att lägga till en limfilm för att öka vidhäftningsförmågan. Med tillämpning av denna metod kan de dielektriska egenskaperna påverkas, och hela den fluorbaserade högfrekvenskretsen måste vidareutvecklas.

Unikt isolerharts som består av modifierat epoxiharts eller PPE och TMA, MDI och BMI, plus glasduk. I likhet med FR-4 CCL har den också utmärkt värmebeständighet och dielektriska egenskaper, mekanisk styrka och PCB-tillverkbarhet, vilket alla gör det mer populärt än PTFE-baserade substrat.

Förutom prestandakraven för isoleringsmaterial som hartser, är ytjämnheten hos koppar som ledare också en viktig faktor som påverkar signalöverföringsförlusten, vilket är resultatet av hudeffekten. I grund och botten är hudeffekten att den elektromagnetiska induktionen som genereras på den högfrekventa signalöverföringen och den induktiva ledningen blir så koncentrerad i mitten av ledningens tvärsnittsarea, och drivströmmen eller signalen fokuseras på ytan på ledningen. Ledarens ytjämnhet spelar en nyckelroll för att påverka förlusten av transmissionssignalen, och låg ojämnhet leder till mycket små förluster.

Vid samma frekvens kommer kopparns höga ytjämnhet att orsaka hög signalförlust. Därför måste råheten hos ytkoppar kontrolleras i den faktiska tillverkningen, och den bör vara så låg som möjligt utan att påverka vidhäftningen. Stor uppmärksamhet måste ägnas åt signaler i frekvensområdet 10 GHz eller högre. Råheten hos kopparfolie måste vara mindre än 1 μm, och det är bäst att använda ultra-ytkopparfolie med en grovhet på 0.04 μm. Kopparfoliens ytjämnhet måste kombineras med ett lämpligt oxidationsbehandlings- och bindehartssystem. Inom en snar framtid kan det finnas en kopparfolie utan profilbelagd harts, som har en högre fläkhållfasthet för att förhindra att den dielektriska förlusten påverkas.

Kräver högt termiskt motstånd och hög avledning

Med utvecklingstrenden av miniatyrisering och hög funktionalitet tenderar elektronisk utrustning att generera mer värme, så kraven på termisk hantering av elektronisk utrustning blir mer och mer krävande. En av lösningarna på detta problem ligger i forskning och utveckling av värmeledande PCB. Grundförutsättningen för att PCB ska fungera bra vad gäller värmebeständighet och avledning är substratets värmebeständighet och avledningsförmåga. Den nuvarande förbättringen av värmeledningsförmågan hos PCB ligger i förbättringen av harts och fyllnadstillsats, men det fungerar bara i en begränsad kategori. Den typiska metoden är att använda IMS eller metallkärna PCB, som fungerar som värmeelement. Jämfört med traditionella radiatorer och fläktar har denna metod fördelarna med liten storlek och låg kostnad.

Aluminium är ett mycket attraktivt material med fördelarna med rikliga resurser, låg kostnad och god värmeledningsförmåga. Och intensitet. Dessutom är den så miljövänlig att den används av de flesta metallsubstrat eller metallkärnor. På grund av fördelarna med ekonomi, tillförlitlig elektrisk anslutning, värmeledningsförmåga och hög hållfasthet, har lödfria och blyfria, aluminiumbaserade kretskort använts i konsumentprodukter, bilar, militära förnödenheter och flygprodukter. Det råder ingen tvekan om att nyckeln till värmebeständigheten och avledningsförmågan hos metallsubstratet ligger i vidhäftningen mellan metallplattan och kretsplanet.

Hur bestämmer man substratmaterialet för din PCB?

I den moderna elektroniska tidsåldern har miniatyriseringen och tunnheten hos elektroniska enheter lett till uppkomsten av stela PCB och flexibla/styva PCB. Så vilken typ av substratmaterial är lämpligt för dem?

Ökade användningsområden för stela PCB och flexibla/styva PCB har medfört nya krav vad gäller kvantitet och prestanda. Till exempel kan polyimidfilmer klassificeras i olika kategorier, inklusive transparent, vit, svart och gul, med hög värmebeständighet och låg värmeutvidgningskoefficient för applicering i olika situationer. På liknande sätt kommer det kostnadseffektiva polyesterfilmsubstratet att accepteras av marknaden på grund av dess höga elasticitet, dimensionella stabilitet, filmytkvalitet, fotoelektrisk koppling och miljöbeständighet, för att möta användarnas förändrade behov.

I likhet med styva HDI PCB måste flexibel PCB uppfylla kraven för höghastighets- och högfrekvent signalöverföring, och uppmärksamhet måste ägnas åt den dielektriska konstanten och dielektriska förlusten av det flexibla substratmaterialet. Den flexibla kretsen kan bestå av polytetrafluoreten och avancerat polyimidsubstrat. Oorganiskt damm och kolfiber kan läggas till polyimidhartset för att resultera i ett trelagers flexibelt värmeledande substrat. Det oorganiska fyllnadsmaterialet kan vara aluminiumnitrid, aluminiumoxid eller hexagonal bornitrid. Denna typ av substratmaterial har en värmeledningsförmåga på 1.51W/mK, kan motstå en spänning på 2.5kV och en krökning på 180 grader.