11 materiałów HDI, które musisz znać

Inne żywice, które są powszechnie stosowane, są zazwyczaj wybierane w celu adresowania konkretnych niedociągnięć systemów żywicznych epoksydowych. BT-Epoxy jest powszechnie stosowany w organicznych opakowaniach chipów ze względu na jego stabilność termiczną, podczas gdy żywice poliimidowe i cyjanianowo-estrowe są używane dla lepszych właściwości elektrycznych (niższe Dk i Df) oraz poprawionej stabilności termicznej. Czasami są one mieszane z epoksydem, aby obniżyć koszty i poprawić właściwości mechaniczne. Ważną właściwością termiczną dla montażu bez ołowiu jest STII, a wartości niektórych laminatów można zobaczyć na Rysunku 2.

Oprócz żywic termoutwardzalnych, wykorzystywane są również żywice termoplastyczne, w tym poliimid i politetrafluoroetylen (PTFE). W przeciwieństwie do termoplastycznej wersji poliimidu, która jest stosunkowo krucha, wersja termoutwardzalna jest elastyczna i dostarczana jest w formie folii. Jest ona typowo używana do tworzenia obwodów elastycznych, jak również kombinowanych obwodów nazywanych sztywno-elastycznymi. Jest również droższa niż epoksyd i stosowana jest tylko w razie potrzeby.

RYCINA 3. Tabela substytucji laminatów dla wielu laminatów PWB

Aby pomóc w wyborze odpowiedniego laminatu dla HDI, Rycina 3 pokazuje wybór laminatów z całego świata i ich równoważność.

Materiały Wzmocnione

Laminaty Przeznaczone do Wiercenia Laserowego i Konwencjonalne Szkło Włókniste

Większość materiałów dielektrycznych używanych do produkcji płytek drukowanych zawiera wzmocnienie w systemie żywicznym. Wzmocnienie to zazwyczaj przyjmuje formę tkanej włókna szklanego. Tkane włókno szklane jest podobne do każdej innej tkaniny, składa się z pojedynczych filamentów, które są tkane razem na krosnach. Używając filamentów o różnych średnicach i różnych wzorach tkania, tworzone są różne style tkaniny szklanej.

Włókno szklane dodaje dielektrykowi zarówno wytrzymałości mechanicznej, jak i termicznej, ale stwarza pewne problemy, gdy jest używane w konstrukcjach HDI. Rysunek 5 pokazuje, że tkanina szklana jest tkana, a tabela przedstawia style, przędze i grubości tych przędz. Gdy do tworzenia via używane są lasery, różnica w szybkościach ablacji między włóknem szklanym a otaczającą je żywicą może powodować słabą jakość otworów. Ponadto, ponieważ tkanina szklana nie jest jednolita z powodu obszarów bez szkła, obszarów z jednym pasmem oraz przecięć pasm (znanych również jako guzki), trudno jest ustawić parametry wiercenia dla wszystkich tych regionów. Zazwyczaj wiercenie jest ustawiane dla najtrudniejszego do wiercenia regionu, którym jest obszar guzków.

Producenci włókna szklanego stworzyli tzw. dielektryki nadające się do wiercenia laserowego, rozpraszając przędzę w obu kierunkach i czyniąc tkaninę bardziej jednolitą, co minimalizuje obszary bez włókna szklanego oraz obszar zgrubień. Rysunek 4 pokazuje 12 obecnie dostępnych LDP i ich właściwości. Nadal wymagana jest większa energia do przebicia włókna szklanego niż żywicy, ale teraz parametry wiercenia mogą być zoptymalizowane, aby uzyskać spójne wyniki na całej płycie.

RYCINA 4.  Tabela specyfikacji tkanin dla włókna szklanego nadającego się do wiercenia laserowego.

RCCs

Pokryta Żywicą Miedź (RCC) Folie

Ograniczenia dielektryków wzmacnianych włóknem szklanym skłoniły firmy do poszukiwania alternatywnych rozwiązań dielektrycznych. Oprócz problemów z wierceniem laserowym (słaba jakość otworów i długie czasy wiercenia), grubość tkanej włókna szklanego ograniczała, jak cienkie mogły być PCB. Aby przezwyciężyć te problemy, folia miedziana została wykorzystana jako nośnik dla dielektryka, który następnie mógł być włączony do PCB. Materiały te nazywane są „Pokrytą Żywicą Miedzią” lub RCC. Folie RCC są produkowane przy użyciu procesu z rolki na rolkę.

RYCINA 5.  Zdjęcia standardowych i nadających się do wiercenia laserowego tkanin z włókna szklanego.

Miedź przechodzi przez głowicę powlekającą, a żywica jest osadzana na traktowanej stronie miedzi. Następnie przechodzi przez piece suszące i jest częściowo utwardzana, czyli "B" etapowana, co pozwala jej płynąć i wypełniać obszary wokół wewnętrznej sieci obwodów oraz łączyć się z rdzeniem. Systemy żywiczne są zazwyczaj modyfikowane za pomocą ogranicznika przepływu, aby zapobiec nadmiernemu wyciskaniu podczas procesu laminowania.

Większość folii RCC jest produkowana w ten sposób, ale istnieją również inne typy. Jednym z nich jest produkt dwuetapowy (Rysunek 6). Po nałożeniu pierwszej warstwy żywicy, przechodzi ona ponownie przez powlekarke, aby dodać drugą warstwę. Podczas drugiego powlekania pierwsza warstwa jest całkowicie utwardzana, podczas gdy druga warstwa jest etapowana na "B". Korzyścią z tego procesu jest to, że pierwszy etap działa jak twardy zatrzymywacz i gwarantuje minimalną grubość między warstwami. Wadą jest to, że produkt jest droższy niż wersja z pojedynczym powlekiem.

Pomimo wszystkich zalet folii RCC, istnieją obawy dotyczące braku wzmocnienia pod względem stabilności wymiarowej i kontroli grubości. Został opracowany nowy materiał, aby rozwiązać te problemy. MHCG od Mitsui Mining and Smelting włącza ultracienkie włókno szklane (1015 lub 1027) podczas procesu powlekania żywicą. Włókno szklane jest tak cienkie, że nie można z niego zrobić prepregu, ponieważ nie może przejść przez wieżę traktującą jak tradycyjne włókno szklane. Dostępna jest również RCC z poliimidu / epoksydu.

Włókno szklane nie wpływa znacząco na wiercenie laserowe, jednak zapewnia stabilność wymiarową równą lub lepszą niż standardowy prepreg. Teraz dostępne są warstwy dielektryczne o grubości zaledwie 25 mikronów, co pozwala na tworzenie bardzo cienkich produktów wielowarstwowych.

Koszt jest kolejnym aspektem folii RCC, który budzi obawy. Folie RCC prawie zawsze kosztują więcej niż odpowiednik kombinacji prepregu i folii miedzianej. Jednakże, folia RCC może faktycznie skutkować tańszym produktem, gdy weźmie się pod uwagę czas wiercenia laserowego. W miarę jak liczba otworów i rozmiar obszaru wzrastają, poprawiona przepustowość wierceń laserowych więcej niż rekompensuje zwiększony koszt folii RCC.

RYCINA 6.  Cztery dostępne style powlekanej żywicą miedzi (folii).

Inne dielektryki

Zoptymalizowana ciekła żywica epoksydowa może zapewnić najniższy koszt spośród wszystkich dielektryków dla HDI. Jest również najłatwiejsza do aplikacji w cienkich warstwach dla precyzyjnego okablowania. Może być nakładana przez sitodruk, pionowe lub poziome powlekanie wałkami, powlekanie meniskowe lub powlekanie kurtynowe. Marka Taiyo Ink jest najczęściej używana, ale Tamura, Tokyo Ohka Kogyo i Asahi Denka Kogyo również mają swoje produkty.

Polifenylowe etery/polifenylowy tlenek:  M.P > 288° C to termoplastyki polifenylowych eterów (PPE) lub polifenylowego tlenku (PPO) o temperaturach topnienia znacznie przekraczających 288°-316° C. Mieszanki PPO/epoksyd mają Tg >180° C przy wyższych temperaturach rozkładu. Ich popularność wynika z doskonałych właściwości elektrycznych, dzięki niższym stałym dielektrycznym i tangensom strat niż wiele termoutwardzalnych, takich jak epoksyd i BT, przy niskiej absorpcji wody. Ich wysokie temperatury topnienia i odporność chemiczna sprawiają, że desmearing jest kluczowym procesem.

Właściwości elektryczne

Rysunek 7 przedstawia stałe dielektryczne (Dk) i czynniki strat (Dj) popularnych dielektryków, w tym tych odpowiednich dla bardzo szybkiej logiki. Tabela 2 zawiera inne charakterystyki elektryczne związane z wysoką wydajnością dla projektowania HDI. 

RYSUNEK 7.  Charakterystyka elektryczna różnych laminatów według ich stałej dielektrycznej i współczynnika strat.

TABELA 2.  Inne ważne aspekty wydajności elektrycznej przy projektowaniu układów wysokiej prędkości.

Umożliwienie stosowania drobnych ścieżek i odstępów

Dla bardzo wysokiej prędkości logiki, sygnały podróżują po powierzchni przewodnika (efekt skórny). Gładkie folie miedziane umożliwiają wykonanie bardzo drobnych ścieżek i odstępów z mniejszymi stratami miedzi. (Zobacz Rysunek 8)  na Rysunku 9, ultra-drobne ścieżki są możliwe z foliami miedzianymi o grubości 5 mikronów i 3 mikrony, lub przy użyciu procesu mSAP.

RYUNEK 8.  Obróbka folii dla adhezji występuje w czterech profilach i jest ważna dla strat miedzi (efekt skórny). 

RYUNEK 9.  Bardzo cienka i gładka folia miedziana może umożliwić bardzo drobne ścieżki i odstępy (8um/8um). 

Materiały dla połączeń o wysokiej gęstości są poważnym tematem dla projektantów PCB i inżynierów elektryków. Istnieje wiele dobrych źródeł na temat materiałów dla PCB, a tutaj skupiono się na materiałach HDI, aby pomóc inżynierowi w projektowaniu płytek drukowanych.

Obejrzyj i zobacz, jak Altium Designer^® wspiera projektowanie HDI z obsługą mikropowiązań:

Zarejestruj się i wypróbuj Altium Designer już dziś.