Projektowanie mikroprzewiązań z pastą spiekaną dla sztywno-elastycznych płyt drukowanych

Sztywne-elastyczne płytki drukowane (PCB) stanowią eleganckie rozwiązanie wielu wyzwań związanych z pakowaniem elektroniki. Ta technologia łączy w sobie trwałość sztywnych PCB z wszechstronnością obwodów elastycznych. Sztywne-elastyczne PCB są kluczowe dla wielu nowoczesnych urządzeń, takich jak smartfony, sprzęt medyczny i elektronika samochodowa. W tych aplikacjach o wysokiej gęstości trasowania często stosuje się mikropoprowadzenia do łączenia różnych warstw płytki drukowanej. Wysoce skuteczną metodą tworzenia tych połączeń jest użycie spiekanej pasty. Ten blog bada zasady projektowania i rozważania dotyczące wykorzystania spiekanych mikropoprowadzeń pasty w sztywno-elastycznych PCB.

Najpierw cofnijmy się i zdefiniujmy spiekaną pastę w kontekście produkcji płytek drukowanych. Odnosi się to do materiału przewodzącego składającego się z cząstek metalu, zwykle srebra lub miedzi, zawieszonych w spoiwie. Pasta jest stosowana do tworzenia elektrycznych połączeń międzywarstwowych na PCB. Podczas produkcji proces spiekania polega na podgrzewaniu jej do temperatury poniżej punktu topnienia innych cząstek metalu, co powoduje związanie się cząstek ze sobą i utworzenie stałej przewodzącej ścieżki bez topienia otaczającego substratu.

Zalety spiekanych mikropoprowadzeń pasty

• Mikrowieże z pasty spiekanej oferują lepszą przewodność elektryczną w porównaniu do tradycyjnych wież pokrytych. Proces spiekania redukuje oporność, zapewniając efektywną transmisję sygnału. Jest to kluczowe dla aplikacji wymagających szybkiego transferu danych i niezawodnej wydajności.
• Możliwość tworzenia mniejszych i bliżej rozmieszczonych mikrowieży pozwala na zwiększenie gęstości obwodów. Ta miniaturyzacja jest niezbędna do rozwijania kompaktowych i lekkich urządzeń elektronicznych bez poświęcania funkcjonalności.

Typowym zastosowaniem mikrowieży z pasty spiekanej jest prowadzenie ścieżek do/z BGA o małym rozstawie na elastycznym podłożu. Te mikrowieże mogą być bardzo małe średnicy (patrz poniżej), co czyni je doskonałą opcją dla tego typu projektów. Proces spiekania produkuje również wieże o wysokiej wytrzymałości mechanicznej, co czyni je odporne na naprężenia występujące zarówno w sztywnych, jak i elastycznych sekcjach PCB sztywno-elastycznych.

Kluczowe kwestie projektowe

Materiały: Pasta przewodząca: Wybór odpowiedniej pasty przewodzącej jest kluczową decyzją. Pasty na bazie srebra i miedzi są powszechnie używane ze względu na ich doskonałe właściwości elektryczne. Kompatybilność z procesem spiekania i materiałem podłoża jest niezbędna.

Materiał podłoża: PCB sztywno-elastyczne używają kombinacji materiałów, takich jak FR4 dla sekcji sztywnych i poliimid dla obszarów elastycznych. Oba materiały muszą wytrzymać temperatury spiekania bez deformowania się lub degradacji.

Rozmiar obudowy: W projektowaniu HDI na elastycznych PCB, rozmiar jakichkolwiek obudów o małym rozstawie ogranicza dostępną wielkość via oraz przestrzeń do trasowania. Via spiekane pokonują to wyzwanie, umożliwiając użycie mniejszych mikrovias wspomnianych powyżej. Przykładem jest pakiet Nordic WLCSP (rozstaw 0,35 mm) pokazany poniżej; zastąpienie konwencjonalnie umieszczonych mikrovias ślepych/zakopanych przez via spiekane mogłoby umożliwić trasowanie między pinami.

Wybór materiału to czas na współpracę z preferowanym producentem płytek drukowanych. Nie wszyscy producenci pracują ze wszystkimi dostępnymi materiałami i procesami. Bardzo łatwo jest dodać dodatkowe koszty i czas realizacji do projektu, nie rozumiejąc, jakie materiały są na stanie i rutynowo przetwarzane.

Wymiary mikrovias

Średnica via i stosunek aspektu: Mikrovias wiercone laserowo mają zwykle średnicę od 25 do 75 mikrometrów. Utrzymanie stosunku aspektu (głębokość do średnicy) na poziomie około 0,75 do 1 zapewnia niezawodne wypełnianie i spiekanie pasty.

Rozstaw i odstępy: Aby uniknąć zwarcia elektrycznego i zachować integralność sygnału, minimalny odstęp między mikrovias powinien wynosić co najmniej dwa razy średnicę via. Odpowiedni odstęp ułatwia również lepsze rozpraszanie ciepła.

Producenci płytek drukowanych zwykle mają te parametry wymienione w swoich możliwościach produkcyjnych i wytycznych dotyczących projektowania pod kątem produkowalności.

Projektowanie z uwzględnieniem możliwości produkcyjnych (DFM)

Układ warstw: Projektując wielowarstwowe sztywno-elastyczne PCB, należy rozważyć konfigurację układu warstw, aby zoptymalizować rozmieszczenie mikropowiązek. Stosowanie powiązek o przesuniętych poziomach może zmniejszyć koncentrację naprężeń i poprawić wytrzymałość mechaniczną.

Wyrównanie i rejestracja: Precyzyjne wyrównanie podczas produkcji jest kluczowe, aby zapewnić, że stosowane mikropowiązki dokładnie łączą się między warstwami. Zaawansowane technologie obrazowania i wiercenia mogą pomóc osiągnąć tę precyzję. Możliwości różnią się znacznie wśród producentów, więc upewnij się, że rozumiesz możliwości preferowanych producentów. Projektowanie z uwzględnieniem tych aspektów pozwala zaoszczędzić koszty i czas realizacji.

Zarządzanie ciepłem: Efektywne odprowadzanie ciepła jest ważne, szczególnie w projektach o wysokiej gęstości. Wykorzystanie powiązek termicznych i odpowiednich technik układania może pomóc zarządzać obciążeniem termicznym i zapobiegać przegrzewaniu.

Parametry procesu spiekania

Profile temperatury: Temperatury spiekania zwykle mieszczą się w zakresie od 200°C do 300°C, w zależności od materiałów pasty i podłoża. Kontrolowane tempo podgrzewania i chłodzenia zapobiega szokowi termicznemu i uszkodzeniom materiału.

Czas i ciśnienie: Czasy spiekania różnią się od kilku minut do kilku godzin. Stosowanie ciśnienia podczas spiekania może poprawić zagęszczenie pasty, redukując pustki i zwiększając właściwości mechaniczne i elektryczne powiązek.

Kontrola atmosfery: Przeprowadzanie procesu spiekania w atmosferze obojętnej lub redukcyjnej, takiej jak azot czy gaz formujący, zapobiega utlenianiu pasty przewodzącej, zapewniając lepszą wydajność elektryczną.

Ważne jest, aby zrozumieć kluczowe zmienne procesu, które producent musi kontrolować.

Testowanie i Walidacja

Testowanie Elektryczne: Po spiekaniu, elektryczna przewodność mikroprzewiązek powinna być mierzona przy użyciu technik takich jak testowanie czteropunktowe, aby upewnić się, że spełniają one specyfikacje projektowe.

Testowanie Naprężeń Mechanicznych: Mechaniczną wytrzymałość mikroprzewiązek można ocenić poprzez testy zginania i gięcia, zapewniając, że wytrzymają one naprężenia mechaniczne napotykane w rzeczywistych zastosowaniach.

Testowanie Niezawodności: Długoterminową niezawodność w różnych warunkach środowiskowych, w tym cykli termicznych, wilgotności i wibracji, należy ocenić, aby zagwarantować trwałość PCB elastyczno-sztywnych.

Wspólne Problemy Podczas Produkcji

Problemy z Adhezją: Poprawa adhezji między spiekaną pastą a podłożem jest kluczowa dla niezawodności przewiązek. Techniki obróbki powierzchni, takie jak czyszczenie plazmowe lub stosowanie promotorów adhezji, mogą zwiększyć siłę wiązania.

Formowanie pustek: Pustki w spiekanej paście mogą naruszać właściwości elektryczne i mechaniczne przelotek. Optymalizacja formuły pasty i parametrów spiekania, wraz z zastosowaniem nacisku podczas spiekania, może zminimalizować tworzenie się pustek.

Pęknięcia i delaminacja: Uszkodzenia mechaniczne, takie jak pęknięcia i delaminacja, mogą być ograniczone przez staranny dobór materiałów i optymalizację projektu w celu równomiernego rozłożenia naprężeń. Użycie elastycznych klejów i podłoży o dopasowanych współczynnikach rozszerzalności cieplnej również może pomóc.

Pod koniec dnia, spiekane pasty nie są nowością w projektowaniu PCB, szczególnie w budowach HDI. To podejście zostało użyte do osiągnięcia bardzo wysokiej liczby warstw z drobnymi odstępami cech wraz z fabrykacją przelotek z pasty spiekanej. Aby dowiedzieć się więcej, obejrzyj poniższy odcinek podcastu z ekspertem Chrisem Hunrathem:

Pasty do mikropołączeń spiekanych stanowią kolejne narzędzie w skrzynce narzędziowej projektantów PCB. Praca z twoim producentem PCB i zrozumienie jego możliwości jest kluczowym elementem sukcesu w tej technologii. Preferencje dotyczące materiałów i procesów znacznie różnią się między producentami, a współpraca na wczesnym etapie procesu projektowania może zarówno zaoszczędzić czas i koszty, jak i poprawić niezawodność końcowego produktu.