Newer PCB Materials

Se di recente avete sentito parlare degli SLP, i nuovi PCB HDI a densità più elevata usati da Apple, e dei loro processi come SAP, uSAP o mSAP (processi semi-additive), si tratta di circuiti stampati caratterizzati da una dimensione di soli 30 micron con tracce e spazi di appena 25 micron (1 mil). Si stima che oggi vengono prodotti più di 250 milioni di metri quadri di HDI all'anno e che questi numeri sono destinati a crescere. Ma i SAP non sono una novità.  Infatti venivano usati negli anni '60 e '70 per realizzare schede in acciaio con rivestimento epossidico e Photocircuits li usava per produrre PCB full-additive. 

La Figura 1 mostra la suddivisione degli 11 materiali attualmente usati per l'HDI. In ordine di utilizzo:

• Pre-preg perforabili mediante laser - 38,4%
• RCC - 28,3%
• Pre-preg convenzionali - 19,2%
• ABF Film - 5,0%
• Materiale epossidico liquido - 3,3%
• Altro - 3,2%
• BT - 1,8%
• Aramide - 0,4%
• Poliimmide - 0,3%
• Pellicola fotosensibile - 0,1%
• Dielettrici fotoliquidi - ~0,08%

I componenti materiali principali dei PCB sono la resina polimerica (dielettrico) con o senza filler, rinforzi e foglio metallico. Per realizzare un PCB, strati alternati di dielettrico, con o senza rinforzi, vengono impilati tra strati di foglio metallico. 

La Tabella 1 mostra un elenco attuale di materiali HDI estratto da Internet. Molti dei materiali sono epossidici, ma alcuni sono BT, PPE, estere di cianato e acrilati modificati. I materiali più nuovi sono il numero crescente di pre-preg perforabile con laser. 

TABELLA 1. Questa indagine sulle proprietà dei materiali PCB che comprende i tipi fotopolimerizzati e termopolimerizzati include laminati perforabili, pellicole buildup, RCF e dielettrici liquidi. I laminati convenzionali sono stati esclusi.

_{FIGURA 1. Grafico dei dielettrici tipici e delle loro proprietà come materiali PCB.}

Oltre alle resini termoindurenti, sono utilizzate resine termoplastiche che includono la poliimmide e il politetrafluoroetilene (PTFE). A differenza della versione termoindurente della poliimmide, che è relativamente fragile, la versione termoplastica è flessibile e fornita sotto forma di pellicola. Viene tipicamente usata per realizzare circuiti flessibili nonché circuiti misti chiamati rigidi-flessibili. La pellicola in poliimmide può essere realizzata in diversi modi ed è normalmente fornita sotto forma di laminato completamente polimerizzato con foglio in rame su uno o entrambi i lati. È anche più costosa rispetto all'epossi e viene usata solo se necessario. La Figura 1 mostra la gamma di proprietà elettriche di tutti i dielettrici HDI comuni. Il PTFE è apprezzato per le sue eccellenti proprietà elettriche e per il basso assorbimento dell'umidità. Di norma è dotato di un filler che consente di modificare la sua costante dielettrica per applicazioni specifiche. Un esempio tipico è un circuito usato nelle applicazioni microonde in cui sono necessarie una perdita bassa e un Q elevato a frequenze molto alte. I PTFE sono tra i materiali più costosi, ma con l'aumento delle frequenze e la crescita delle applicazioni wireless, il loro utilizzo è destinato ad aumentare. 

I produttori di vetroresina stanno lavorando a modi per minimizzare i problemi legati alla perforazione. Hanno creato i cosiddetti dielettrici perforabili con laser diffondendo i filati in entrambe le direzioni e rendendo il tessuto più uniforme, cosa che consente di minimizzare le aree prive di resina, nonché l'area articolata mostrata nella Figura 2. 

_{FIGURA 2. Immagini ravvicinate di pre-preg convenzionali e pre-preg in vetroresina perforabile con laser, utili quando si tratta di comprendere le proprietà dei materiali PCB (Gentile concessione di NanYa Plastics)}

Il tessuto prodotto con questo tipo di vetro è più costoso e viene usato solo quando necessario. Inoltre, è usato insieme a sistemi in resina a elevate prestazioni, cosa che rende il relativo dielettrico piuttosto costoso. 

Altri rinforzi

Nel corso degli anni sono stati usati altri rinforzi per realizzare i PCB. Un prodotto che non è più disponibile era la carta composta da fibre aramidiche tagliate chiamata Thermount. Era fornita da DuPont e aveva svariate ottime proprietà. Trattandosi di un materiale termoplastico, era caratterizzato da un'ablazione laser più simile a quella della resina e dal momento che si trattava di una carta non aveva il problema delle articolazioni tipico del tessuto. In aggiunta aveva una costante dielettrica molto buona: un vantaggio per i circuiti ad alta velocità. Thermount aveva dei problemi con l'assorbimento dell'umidità ed era relativamente caro. Nel 2006, DuPont decise di interrompere la produzione di questo prodotto. Tuttavia, Shin-Kobe Eletric in Giappone continua a produrre tre tipi diversi di laminati e pre-preg in aramide. Si sta vagliando la possibilità di realizzare alternative a questo prodotto. Oltre a Thermount, sono stati usati altri rinforzi non-tessuti, che includono una carta in vetroresina tagliata e una matrice in PTFE espanso. La matrice in PTFE è stata integrata con una resina a elevate prestazioni ed è disponibile sotto forma di un prodotto chiamato GorePly. Il GorePly ha eccellenti proprietà elettriche, ma è costoso e viene usato solo quando necessario.

Ajinomoto Buildup Film

Ajinomoto Buildup Film (ABF) è il dielettrico principale per SAP. È composto da una serie di dielettrici sotto forma di pellicola molto sottile realizzati con indurente in epossifenolo, epossiestere di cianato ed estere di cianato con olefina termoindurente (Tabella 2). Il tipo epossidico è disponibile anche senza alogeni. La pellicola sottile (spessore di 15 - 100 um) è supportata da una pellicola in PET da 38 um e protetta da una pellicola rivestita in OPP da 16 um. Il materiale è laminato a vuoto in speciali macchine a nastro (Figura 3) che adottano un processo in 5 passaggi: 

• Preparazione della superficie del dielettrico core e del rame
• Asciugatura del core (130 °C per 30 min.)
• Taglio automatico dell'ABF, rimozione della pellicola di copertura e posizionamento
• Laminazione a vuoto dell'ABF e pressatura a caldo del metallo 
• Rimozione della pellicola in PET e post-polimerizzazione (170-190 °C per 30 min.)

FIGURA 3: Laminazione a vuoto su nastro e pressatura a caldo per la pellicola ABF.

_{FIGURA 3. Laminazione a vuoto su nastro e pressatura a caldo per la pellicola ABF, uno dei nuovi materiali per PCB.}

Le pellicole ABF, come i dielettrici liquidi e le pellicole fotosensibili, devono essere metallizzate in maniera semi-additive (SAP). I passaggi critici sono desmear, rigonfiamenti dei polimeri con solventi e incisione della pellicola prima di metallizzazione, incisione e tempratura (post-polimerizzazione). Le condizioni e i passaggi che determineranno la resistenza del rame sono trattati in "Chapter 8—Desmear and Metallization" (Capitolo 8 - Desmear e metallizzazione) del Manuale HDI (download gratuito all'indirizzo http://hdihandbook.com).

Pellicola fotosensibile

Un tempo si riteneva che i dielettrici a base di pellicola fotosensibile fossero il migliore dielettrico HDI poiché per produrre le vie non erano necessarie attrezzature esterne. In realtà questi tipi di dielettrici dimostrarono di essere fotosistemi ad azione negativa. Agendo negativamente, per polimerizzare il dielettrico in maniera permanente serviva energia ultravioletta. Le eventuali aree della pellicola non esposte venivano rimosse. Il problema fu ricondotto alla pulizia del rivestimento e della parte esposta. Era quindi necessaria una Clean Room Class-100 per semiconduttori: una macchina troppo costosa per la maggior parte dei produttori. In Giappone, alcuni OEM che hanno conservato i propri impianti continuano a usare questo dielettrico. Ha funzionato molto bene con la perforazione laser e il SAP.

_{TABELLA 2. Caratteristiche dell'Ajinomoto Buildup Film, in una utile tabella per analizzare meglio le proprietà dei materiali PCB} 

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