11 materiales HDI que necesitas conocer

Otras resinas que se utilizan comúnmente se seleccionan típicamente para abordar deficiencias específicas de los sistemas de resina epoxi. El BT-Epoxi es común para paquetes de chips orgánicos debido a su estabilidad térmica, mientras que las resinas de poliimida y éster cianato se utilizan por mejores propiedades eléctricas (menor Dk y Df) así como una mejor estabilidad térmica. A veces se mezclan con epoxi para reducir costos y mejorar las propiedades mecánicas. Una propiedad térmica importante para el ensamblaje sin plomo es el STII y algunos valores de laminados se pueden ver en la Figura 2.

Además de las resinas termoestables, se utilizan resinas termoplásticas incluyendo poliimida y politetrafluoroetileno (PTFE). A diferencia de la versión termoplástica de poliimida, que es relativamente frágil, la versión termoestable es flexible y se suministra en forma de película. Se utiliza típicamente para hacer circuitos flexibles así como los circuitos combinados llamados rígido-flexibles. También es más caro que el epoxi y se utiliza solo según sea necesario.

FIGURA 3. Cuadro de sustitución de laminados para muchos laminados de PWB

Para ayudar en su selección del laminado adecuado para HDI, la Figura 3 muestra una selección de laminados de todo el mundo y su equivalencia.

Materiales Reforzados

Láminas Perforables por Láser y Fibra de Vidrio Convencional

La mayoría de los materiales dieléctricos que se utilizan para fabricar placas de circuito impreso incorporan refuerzo en el sistema de resina. El refuerzo generalmente toma la forma de fibra de vidrio tejida. La fibra de vidrio tejida es como cualquier otro tejido, compuesto por filamentos individuales que se entrelazan en un telar. Utilizando diferentes diámetros de filamentos y diferentes patrones de tejido, se crean diferentes estilos de tela de vidrio.

La fibra de vidrio añade durabilidad mecánica y térmica al dieléctrico, pero presenta algunos problemas cuando se utiliza en construcciones HDI. La Figura 5 muestra que la tela de vidrio está tejida, y la tabla muestra los estilos, hilos y espesores de esos hilos. Cuando se utilizan láseres para crear los vías, la diferencia en las tasas de ablación entre la fibra de vidrio y la resina circundante puede causar una mala calidad del agujero. Además, dado que la tela de fibra de vidrio no es uniforme debido a que tiene áreas sin vidrio, áreas con un solo hilo y las intersecciones de hilos (también conocidas como nudos), es difícil establecer parámetros de perforación para todas estas regiones. Por lo general, la perforación se establece para la región más difícil de perforar, que es el área del nudo.

Los fabricantes de fibra de vidrio han creado los llamados dieléctricos perforables por láser al esparcir los hilos en ambas direcciones y hacer el tejido más uniforme, lo que minimiza las áreas sin fibra de vidrio así como el área de los nudos. La Figura 4 muestra los 12 LDPs actualmente disponibles y sus propiedades. Aún se requiere más energía para penetrar la fibra de vidrio que la resina, pero ahora los parámetros de perforación pueden optimizarse para obtener resultados consistentes en todo el panel.

FIGURA 4.  Tabla de especificaciones de tela para fibra de vidrio perforable por láser.

RCCs

Lámina de Cobre Recubierta de Resina (RCC)

Las limitaciones de los dieléctricos reforzados con fibra de vidrio llevaron a las empresas a buscar soluciones dieléctricas alternativas. Además de los problemas con la perforación láser (mala calidad del agujero y largos tiempos de perforación), el grosor de la fibra de vidrio tejida limitaba cuán delgadas podían ser las PCBs. Para superar estos problemas, se utilizó la lámina de cobre como portador del dieléctrico para que luego pudiera incorporarse a la PCB. Estos materiales se llaman "Cobre Recubierto de Resina" o RCC. La lámina RCC se fabrica utilizando un proceso de rollo a rollo.

FIGURA 5.  Fotos de telas de fibra de vidrio estándar y perforable por láser.

El cobre pasa por una cabeza de recubrimiento y la resina se deposita en el lado tratado del cobre. Luego pasa por hornos de secado y se cura parcialmente o se lleva a un estado "B", lo que permitirá que fluya y rellene las áreas alrededor de la circuitería interna y se adhiera al núcleo. Los sistemas de resina suelen modificarse con un restringidor de flujo para prevenir el exceso de extrusión durante el proceso de laminación.

La mayoría del foil de RCC se fabrica de esta manera, pero existen tipos adicionales. Uno de estos tipos es un producto de dos etapas (Figura 6). Después de que se recubre la primera capa de resina, se pasa nuevamente por el recubridor para añadir una segunda capa. Durante la segunda capa, la primera capa se cura completamente, mientras que la segunda capa se lleva a un estado "B". La ventaja de este proceso es que la primera etapa actúa como un tope firme y garantiza un grosor mínimo entre capas. La desventaja es que el producto es más caro que la versión de una sola capa.

A pesar de todos los beneficios del foil RCC, existen preocupaciones sobre la falta de refuerzo en términos de estabilidad dimensional y control de espesor. Se desarrolló un nuevo material para abordar estas preocupaciones. MHCG de Mitsui Mining and Smelting incorpora fibra de vidrio ultrafina (ya sea 1015 o 1027) durante el proceso de recubrimiento con resina. La fibra de vidrio es tan delgada que no se puede convertir en un prepreg ya que no puede pasar por una torre de tratamiento como la fibra de vidrio tradicional. También hay disponible un RCC de poliimida/epoxi.

La fibra de vidrio no impacta significativamente la perforación láser, sin embargo, proporciona una estabilidad dimensional igual o mejor que el prepreg estándar. Ahora están disponibles capas dieléctricas tan delgadas como 25 micrones, lo que permite productos multicapa muy delgados.

El costo es otro aspecto del foil RCC que preocupa. Los foils RCC casi siempre cuestan más que la combinación equivalente de prepreg/lámina de cobre. Sin embargo, el foil RCC puede resultar en un producto menos costoso cuando se toma en consideración el tiempo de perforación láser. A medida que aumenta el número de agujeros y el tamaño del área, el mejor rendimiento de los taladros láser compensa con creces el mayor costo del foil RCC.

FIGURA 6.  Cuatro estilos disponibles de cobre recubierto con resina (foil).

Otros Dieléctricos

El epoxi líquido optimizado puede proporcionar el menor costo de todos los dieléctricos para HDI. También es el más fácil de aplicar en capas delgadas para el cableado de líneas finas. Se puede recubrir mediante serigrafía, recubrimiento vertical u horizontal con rodillo, recubrimiento por menisco o recubrimiento por cortina. La marca Taiyo Ink es la más utilizada, pero Tamura, Tokyo Ohka Kogyo y Asahi Denka Kogyo también tienen productos.

Éteres de Polifenilo/Óxido de Polifenileno:  P.M > 288° C son termoplásticos de Éteres de Polifenilo (PPE) o Óxido de Polifenileno (PPO) con puntos de fusión bien por encima de 288°-316° C. Las mezclas de PPO/Epoxy tienen una Tg >180° C con temperaturas de descomposición más altas. Su popularidad se debe a su excelente rendimiento eléctrico, ya que tienen constantes dieléctricas y tangentes de pérdida más bajas que muchos de los termoestables como el epoxi y BT con baja absorción de agua. Sus altos puntos de fusión y resistencia química hacen que el desbarbado sea un proceso crítico.

Propiedades Eléctricas

La Figura 7 muestra las constantes dieléctricas (Dk) y los factores de disipación (Dj) de los dieléctricos populares, incluidos aquellos adecuados para lógica de muy alta velocidad. La Tabla 2 enumera otras características eléctricas relacionadas con el rendimiento de alta velocidad para el diseño HDI. 

FIGURA 7.  Las características eléctricas de varios laminados por su constante dieléctrica y factor de disipación.

TABLA 2.  Otras consideraciones importantes de rendimiento eléctrico al diseñar circuitos de alta velocidad.

Habilitando Trazas y Espacios Finos

Para lógica de muy alta velocidad, las señales viajan en la superficie del conductor (el Efecto Piel). Los foils de cobre suaves permiten la fabricación de trazas y espacios muy finos con menos pérdidas de cobre. (Ver Figura 8)  en la Figura 9, las trazas ultrafinas son posibles con los foils de cobre de 5 micrones y 3 micrones, o con un proceso mSAP.

FIGURA 8.  El tratamiento del foil para adhesión viene en cuatro perfiles y es importante para las pérdidas de cobre (efecto piel). 

FIGURA 9.  El foil de cobre muy delgado y suave puede permitir trazas y espacios muy finos (8um/8um). 

Materiales para Interconexiones de Alta Densidad es un tema serio para diseñadores de PCB e Ingenieros Eléctricos. Existen varios buenos recursos sobre el tema de materiales para PCBs y el enfoque aquí ha sido Materiales HDI para ayudar al ingeniero a diseñar tarjetas de circuito impreso.

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