11 materiali HDI che devi conoscere

Altre resine comunemente utilizzate sono tipicamente selezionate per affrontare specifiche lacune dei sistemi a base di resina epossidica. Il BT-Epossidico è comune per i pacchetti di chip organici a causa della sua stabilità termica, mentre le resine poliimide e estere cianato sono utilizzate per migliori proprietà elettriche (bassa Dk e Df) così come per una maggiore stabilità termica. Talvolta, queste possono essere miscelate con l'epossidica per ridurre i costi e migliorare le proprietà meccaniche. Una proprietà termica importante per l'assemblaggio senza piombo è lo STII e alcuni valori di laminati sono visibili in Figura 2.

Oltre alle resine termoindurenti, vengono utilizzate resine termoplastiche, inclusi poliimide e politetrafluoroetilene (PTFE). A differenza della versione termoplastica del poliimide, che è relativamente fragile, la versione termoindurente è flessibile ed è fornita in forma di film. È tipicamente utilizzata per realizzare circuiti flessibili così come i circuiti combinati chiamati rigido-flessibili. È anche più costosa dell'epossidica ed è utilizzata solo quando necessario.

FIGURA 3. Grafico di sostituzione dei laminati per molti laminati PWB

Per aiutarti nella selezione del laminato adeguato per HDI, la Figura 3 mostra una selezione di laminati da tutto il mondo e la loro equivalenza.

Materiali Rinforzati

Laser-Drillable e Fibra di Vetro Convenzionale

La maggior parte dei materiali dielettrici utilizzati per realizzare circuiti stampati incorpora un rinforzo nel sistema di resina. Il rinforzo di solito assume la forma di fibra di vetro tessuta. La fibra di vetro tessuta è come qualsiasi altro tessuto, composta da filamenti individuali intrecciati insieme su un telaio. Utilizzando filamenti di diverso diametro e diversi modelli di tessitura, vengono creati diversi stili di tessuto in vetroresina.

La fibra di vetro aggiunge sia durabilità meccanica che termica al dielettrico, ma presenta alcuni problemi quando utilizzata in costruzioni HDI. La figura 5 mostra che il tessuto di vetro è intrecciato, e la tabella mostra gli stili, i filati e lo spessore di questi filati. Quando i laser sono utilizzati per creare i via, la differenza nei tassi di ablazione tra la fibra di vetro e la resina circostante può causare una scarsa qualità del foro. Inoltre, poiché il tessuto di fibra di vetro non è uniforme a causa della presenza di aree senza vetro, aree con un solo filo e le intersezioni dei fili (noti anche come nocche), è difficile impostare i parametri di foratura per tutte queste regioni. Di solito, la foratura è impostata per la regione più difficile da forare, che è l'area delle nocche.

I produttori di fibra di vetro hanno creato dei dielettrici detti "forabili con laser" distribuendo i fili in entrambe le direzioni e rendendo il tessuto più uniforme, il che minimizza le aree senza fibra di vetro così come l'area del nodo. La figura 4 mostra i 12 LDP attualmente disponibili e le loro proprietà. È comunque necessaria più energia per penetrare la fibra di vetro rispetto alla resina, ma ora i parametri di foratura possono essere ottimizzati per ottenere risultati consistenti in tutto il pannello.

FIGURA 4.  Tabella delle specifiche del tessuto per fibra di vetro forabile con laser.

RCCs

Foglio di Rame Rivestito di Resina (RCC)

Le limitazioni dei dielettrici rinforzati con fibra di vetro hanno spinto le aziende a cercare soluzioni dielettriche alternative. Oltre ai problemi con la foratura laser (qualità del foro scadente e lunghi tempi di foratura), lo spessore della fibra di vetro intrecciata limitava quanto sottili potessero essere i PCB. Per superare questi problemi, il foglio di rame è stato utilizzato come supporto per il dielettrico in modo che potesse poi essere incorporato nel PCB. Questi materiali sono chiamati "Rame Rivestito di Resina" o RCC. Il foglio di RCC è prodotto utilizzando un processo da rotolo a rotolo.

FIGURA 5.  Foto di tessuti in fibra di vetro standard e forabili con laser.

Il rame passa attraverso una testa di rivestimento e la resina viene depositata sul lato trattato del rame. Successivamente, attraversa forni di essiccazione ed è parzialmente indurito o "B" staged, il che gli permetterà di fluire e riempire le aree intorno alla circuitazione interna e aderire al nucleo. I sistemi di resina sono solitamente modificati con un restrittore di flusso per prevenire un'eccessiva fuoriuscita durante il processo di laminazione.

La maggior parte della lamina RCC è prodotta in questo modo, ma esistono tipi aggiuntivi. Uno di questi tipi è un prodotto a due stadi (Figura 6). Dopo che il primo strato di resina è stato rivestito, viene passato nuovamente attraverso il rivestitore per aggiungere un secondo strato. Durante la seconda applicazione, il primo strato è completamente indurito, mentre il secondo strato è "B" staged. Il vantaggio di questo processo è che il primo stadio agisce come uno stop fisso e garantisce uno spessore minimo tra gli strati. Lo svantaggio è che il prodotto è più costoso della versione con un solo rivestimento.

Per tutti i vantaggi della lamina RCC, ci sono preoccupazioni riguardo la mancanza di rinforzo in termini di stabilità dimensionale e controllo dello spessore. È stato sviluppato un nuovo materiale per affrontare queste preoccupazioni. MHCG di Mitsui Mining and Smelting incorpora un vetroresina ultra-sottile (1015 o 1027) durante il processo di rivestimento con resina. La vetroresina è così sottile che non può essere trasformata in un prepreg poiché non può passare attraverso una torre di trattamento come la vetroresina tradizionale. È disponibile anche un RCC in poliimide/epossidico.

La vetroresina non influisce significativamente sulla perforazione laser, eppure fornisce una stabilità dimensionale uguale o migliore rispetto al prepreg standard. Ora sono disponibili strati dielettrici sottili fino a 25 micron che permettono prodotti multistrato molto sottili.

Il costo è un altro aspetto della lamina RCC che preoccupa. Le lamine RCC costano quasi sempre più della combinazione equivalente di prepreg/ lamina di rame. Tuttavia, la lamina RCC può effettivamente risultare in un prodotto meno costoso quando si prende in considerazione il tempo di perforazione laser. Man mano che il numero di fori e la dimensione dell'area aumentano, il miglioramento della produttività dei trapani laser compensa più che sufficientemente il costo maggiore della lamina RCC.

FIGURA 6.  Quattro stili disponibili di rame rivestito con resina (lamina).

Altri Dielettrici

L'epossidico liquido ottimizzato può offrire il costo più basso tra tutti i dielettrici per HDI. È anche il più facile da applicare in strati sottili per il cablaggio a linee sottili. Può essere rivestito mediante serigrafia, rivestimento a rullo verticale o orizzontale, rivestimento a menisco o a tenda. Il marchio Taiyo Ink è il più utilizzato, ma anche Tamura, Tokyo Ohka Kogyo e Asahi Denka Kogyo hanno prodotti.

Eteri Polifenilici/Ossido di Polifenilene:  P.M. > 288° C sono termoplastici di Eteri Polifenilici (PPE) o Ossido di Polifenilene (PPO) con punti di fusione ben oltre 288°-316° C. Le miscele PPO/Epossidica hanno un Tg >180° C con temperature di decomposizione più elevate. La loro popolarità deriva dall'eccellente prestazione elettrica, dovuta al fatto che hanno costanti dielettriche e tangenti di perdita inferiori rispetto a molti dei termoindurenti come l'epossidica e il BT, con basso assorbimento d'acqua. I loro alti punti di fusione e la resistenza chimica rendono il desmearing un processo critico.

Proprietà Elettriche

La figura 7 mostra le costanti dielettriche (Dk) e i fattori di dissipazione (Dj) dei dielettrici più popolari, inclusi quelli adatti per logiche ad altissima velocità. La tabella 2 elenca altre caratteristiche elettriche relative alle prestazioni ad alta velocità per il design HDI. 

FIGURA 7.  Le caratteristiche elettriche di vari laminati in base alla loro costante dielettrica e al fattore di dissipazione.

TABELLA 2.  Altre importanti considerazioni sulle prestazioni elettriche quando si progettano circuiti ad alta velocità.

Abilitazione di Tracce e Spazi Fini

Per logiche ad altissima velocità, i segnali viaggiano sulla superficie del conduttore (l'Effetto Pelle). Lamine di rame lisce consentono la fabbricazione di tracce e spazi molto fini con minori perdite di rame. (Vedi Figura 8)  in Figura 9, tracce ultra-fini sono possibili con le lamine di rame da 5 micron e 3 micron, o con un processo mSAP.

FIGURA 8.  Il trattamento della lamina per l'adesione si presenta in quattro profili ed è importante per le perdite di rame (effetto pelle). 

FIGURA 9.  Una lamina di rame molto sottile e liscia può permettere tracce e spazi molto fini (8um/8um). 

I materiali per Interconnessioni ad Alta Densità sono un argomento serio per i progettisti di PCB e gli Ingegneri Elettrici. Esistono diverse buone risorse sull'argomento dei materiali per i PCB e l'attenzione qui è stata rivolta ai materiali HDI per aiutare l'ingegnere a progettare schede a circuito stampato.

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