11 HDI-Materialien, die Sie kennen müssen

Andere Harze, die häufig verwendet werden, werden typischerweise ausgewählt, um spezifische Schwächen von Epoxidharzsystemen zu adressieren. BT-Epoxy ist aufgrund seiner thermischen Stabilität üblich für organische Chipgehäuse, während Polyimid- und Cyanatester-Harze aufgrund besserer elektrischer Eigenschaften (niedrigeres Dk und Df) sowie verbesserter thermischer Stabilität verwendet werden. Manchmal werden sie mit Epoxid gemischt, um die Kosten zu senken und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Eine wichtige thermische Eigenschaft für bleifreie Montage ist der STII und einige Laminatwerte sind in Abbildung 2 zu sehen.

Neben duroplastischen Harzen werden auch thermoplastische Harze verwendet, einschließlich Polyimid und Polytetrafluorethylen (PTFE). Im Gegensatz zur thermoplastischen Version von Polyimid, die relativ spröde ist, ist die duroplastische Version flexibel und wird in Filmform geliefert. Sie wird typischerweise verwendet, um flexible Schaltungen sowie die Kombinationsschaltungen, die als Rigid-Flex bezeichnet werden, herzustellen. Sie ist auch teurer als Epoxid und wird nur bei Bedarf verwendet.

ABBILDUNG 3. Laminatersatzdiagramm für viele PWB-Laminate

Um Ihnen bei der Auswahl des richtigen Laminats für HDI zu helfen, zeigt Abbildung 3 eine Auswahl von Laminaten aus aller Welt und deren Äquivalenz.

Verstärkte Materialien

Laserbohrbare und konventionelle Glasfasern

Die meisten dielektrischen Materialien, die zur Herstellung von gedruckten Schaltungen verwendet werden, integrieren eine Verstärkung in das Harzsystem. Die Verstärkung erfolgt in der Regel in Form von gewebtem Glasfaser. Gewebtes Glasfaser ist wie jeder andere Stoff, bestehend aus einzelnen Fäden, die auf einem Webstuhl miteinander verwoben werden. Durch die Verwendung von Fäden mit unterschiedlichen Durchmessern und verschiedenen Webmustern werden unterschiedliche Arten von Glasgewebe hergestellt.

Glasfaser verleiht dem Dielektrikum sowohl mechanische als auch thermische Beständigkeit, kann jedoch bei der Verwendung in HDI-Konstruktionen einige Probleme verursachen. Abbildung 5 zeigt, dass das Glasfasergewebe gewebt ist, und die Tabelle zeigt die Stile, Garne und die Dicken dieser Garne. Wenn Laser verwendet werden, um die Vias zu erstellen, kann der Unterschied in den Ablationsraten zwischen dem Glasfaser und dem umgebenden Harz zu schlechter Lochqualität führen. Außerdem ist es aufgrund der Uneinheitlichkeit des Glasfasergewebes, das Bereiche ohne Glas, Bereiche mit einem Faden und die Kreuzungspunkte der Fäden (auch als Knöchel bekannt) aufweist, schwierig, Bohrparameter für all diese Regionen festzulegen. In der Regel wird das Bohren für den am schwierigsten zu bohrenden Bereich, den Knöchelbereich, eingerichtet.

Die Glasfaserhersteller haben sogenannte laserbohrbare Dielektrika entwickelt, indem sie die Garne in beide Richtungen ausbreiteten und das Gewebe gleichmäßiger machten, was die Bereiche ohne Glasfaser sowie den Knickbereich minimiert. Abbildung 4 zeigt die derzeit 12 verfügbaren LDPs und ihre Eigenschaften. Es benötigt immer noch mehr Energie, um das Glasfaser zu durchdringen als das Harz, aber jetzt können die Bohrparameter optimiert werden, um konsistente Ergebnisse im gesamten Panel zu erzielen.

ABBILDUNG 4.  Tabelle der Stoffspezifikationen für laserbohrbares Glasfaser.

RCCs

Harzbeschichtetes Kupfer (RCC) Folie

Die Einschränkungen von glasfaserverstärkten Dielektrika veranlassten Unternehmen, alternative dielektrische Lösungen zu betrachten. Zusätzlich zu den Problemen beim Laserbohren (schlechte Lochqualität und lange Bohrzeiten) begrenzte die Dicke des gewebten Glasfasers, wie dünn die PCBs sein konnten. Um diese Probleme zu überwinden, wurde die Kupferfolie als Träger für das Dielektrikum genutzt, sodass es dann in die PCB integriert werden konnte. Diese Materialien werden als „Harzbeschichtetes Kupfer“ oder RCC bezeichnet. RCC-Folie wird mit einem Roll-zu-Roll-Verfahren hergestellt.

ABBILDUNG 5.  Fotos von Standard- und laserbohrbaren Glasfasergeweben.

Das Kupfer durchläuft einen Beschichtungskopf, und das Harz wird auf die behandelte Seite des Kupfers aufgetragen. Anschließend durchläuft es Trockenöfen und wird teilweise ausgehärtet oder „B“-Stadium erreicht, was es ermöglicht, zu fließen und die Bereiche um die interne Schaltung herum auszufüllen und mit dem Kern zu verbinden. Die Harzsysteme werden üblicherweise mit einem Flussbegrenzer modifiziert, um ein übermäßiges Herausquetschen während des Laminierprozesses zu verhindern.

Die meisten RCC-Folien werden auf diese Weise hergestellt, aber es gibt zusätzliche Typen. Einer dieser Typen ist ein zweistufiges Produkt (Abbildung 6). Nachdem die erste Harzschicht aufgetragen wurde, wird sie erneut durch den Beschichter geführt, um eine zweite Schicht hinzuzufügen. Während der zweiten Beschichtung wird die erste Schicht vollständig ausgehärtet, während die zweite Schicht im „B“-Stadium belassen wird. Der Vorteil dieses Prozesses ist, dass die erste Stufe wie ein harter Stopp wirkt und eine Mindestdicke zwischen den Schichten garantiert. Der Nachteil ist, dass das Produkt teurer ist als die Version mit nur einer Beschichtung.

Für alle Vorteile der RCC-Folie gibt es Bedenken hinsichtlich des Mangels an Verstärkung in Bezug auf die Maßstabilität und Dickenkontrolle. Ein neues Material wurde entwickelt, um diese Bedenken anzugehen. MHCG von Mitsui Mining and Smelting integriert ein ultradünnes Fiberglas (entweder 1015 oder 1027) während des Harzbeschichtungsprozesses. Das Fiberglas ist so dünn, dass es nicht zu einem Prepreg gemacht werden kann, da es nicht wie traditionelles Fiberglas durch einen Behandlungsturm gehen kann. Es gibt auch ein Polyimid/Epoxy-RCC verfügbar.

Das Fiberglas beeinträchtigt das Laserbohren nicht signifikant, bietet jedoch eine Maßstabilität, die gleich gut oder besser ist als bei Standard-Prepregs. Dielektrische Schichten mit einer Dicke von nur 25 Mikron sind jetzt verfügbar, was sehr dünne Mehrlagenprodukte ermöglicht.

Die Kosten sind ein weiterer Aspekt der RCC-Folie, der Bedenken hervorruft. RCC-Folien kosten fast immer mehr als die entsprechende Prepreg/Kupferfolien-Kombination. Allerdings kann die RCC-Folie tatsächlich zu einem kostengünstigeren Produkt führen, wenn die Zeit für das Laserbohren berücksichtigt wird. Mit zunehmender Anzahl von Löchern und Größe der Fläche übersteigt der verbesserte Durchsatz der Laserbohrer die erhöhten Kosten der RCC-Folie bei Weitem.

ABBILDUNG 6.  Vier verfügbare Arten von mit Harz beschichtetem Kupfer (Folie).

Andere Dielektrika

Optimiertes flüssiges Epoxidharz kann die niedrigsten Kosten aller Dielektrika für HDI bieten. Es ist auch am einfachsten in dünnen Schichten für feine Verdrahtung aufzutragen. Es kann durch Siebdruck, vertikales oder horizontales Walzenbeschichten, Meniskusbeschichten oder Vorhangbeschichten aufgetragen werden. Die Marke Taiyo Ink ist die am meisten verwendete, aber auch Tamura, Tokyo Ohka Kogyo und Asahi Denka Kogyo haben Produkte.

Polyphenylether/Polyphenylenoxid:  M.P > 288° C sind Thermoplaste aus Polyphenylethern (PPE) oder Polyphenylenoxid (PPO) mit Schmelzpunkten weit über 288°-316° C. PPO/Epoxy-Mischungen haben eine Glastemperatur (Tg) >180° C mit höheren Zersetzungstemperaturen. Ihre Beliebtheit liegt in ihrer ausgezeichneten elektrischen Leistung, da sie niedrigere dielektrische Konstanten und Verlustfaktoren als viele der Duroplaste wie Epoxidharz und BT bei geringer Wasseraufnahme haben. Ihre hohen Schmelzpunkte und chemische Beständigkeit machen das Entgraten zu einem kritischen Prozess.

Elektrische Eigenschaften

Abbildung 7 zeigt die dielektrischen Konstanten (Dk) und Dissipationsfaktoren (Dj) von beliebten Dielektrika, einschließlich solcher, die für sehr schnelle Logik geeignet sind. Tabelle 2 listet andere elektrische Eigenschaften auf, die für die Hochgeschwindigkeitsleistung im HDI-Design relevant sind. 

ABBILDUNG 7.  Die elektrischen Eigenschaften verschiedener Laminate nach ihrem Dielektrizitätskonstanten und Verlustfaktor.

TABELLE 2.  Andere wichtige elektrische Leistungsüberlegungen beim Entwerfen von Hochgeschwindigkeitsschaltungen.

Feine Leiterbahnen und Abstände ermöglichen

Für sehr hochgeschwindigkeitslogik reisen die Signale an der Oberfläche des Leiters (der Skin-Effekt). Glattes Kupferfolien ermöglichen die Herstellung von sehr feinen Leiterbahnen und Abständen mit weniger Kupferverlusten. (Siehe Abbildung 8)  in Abbildung 9 sind ultrafeine Leiterbahnen mit den 5 Mikron und 3 Mikron Kupferfolien oder mit einem mSAP-Prozess möglich.

ABBILDUNG 8.  Folienbehandlung für Haftung gibt es in vier Profilen und ist wichtig für Kupferverluste (Skin-Effekt). 

ABBILDUNG 9.  Sehr dünne und glatte Kupferfolie kann sehr feine Leiterbahnen und Abstände ermöglichen (8um/8um). 

Materialien für High Density Interconnects sind ein ernstes Thema für PCB-Designer und Elektroingenieure. Es gibt mehrere gute Ressourcen zum Thema Materialien für PCBs, und der Fokus lag hier auf HDI-Materialien, um dem Ingenieur beim Entwurf von gedruckten Schaltungen zu helfen.

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