Nowe i ulepszone materiały płytek PCB

Jeśli słyszeliście ostatnio o nowszych płytkach HDI o większej gęstości połączeń stosowanych przez firmę Apple, tzw. SLP, a także procesach typu SAP, uSAP czy mSAP (techniki póładdytywne), to są to te same obwody drukowane, które mają ścieżki i odstępy rzędu 30 mikronów i 25 mikronów (1 mil). Szacuje się, że produkcja HDI obecnie przekracza 250 mln metrów kwadratowych rocznie i ciągle wzrasta! Ale SAP to nie jest NOWOŚĆ!  Stosowaliśmy tę technikę w latach 60. i 70., gdy tworzyliśmy stalowe płytki z powłoką epoksydową i gdy firma Photocircuits produkowała płytki PCB metodą addytywną. 

Na rys. 1 pokazano wykaz 11 materiałów stosowanych obecnie w płytkach HDI. W kolejności wykorzystania:

• Prepregi do wiercenia laserowego – 38,4%
• RCC – 28,3%
• Konwencjonalne prepregi – 19,2%
• Powłoka ABF – 5,0%
• Płynna żywica epoksydowa – 3,3%
• Inne – 3,2%
• BT – 1,8%
• Aramid – 0,4%
• Poliamid – 0,3%
• Sucha warstwa fotoczuła – 0,1%
• Płynne fotodielektryki – ~0,08%

Zdecydowana większość składników materiałów płytek PCB to żywica polimerowa (dielektryk) z wypełniaczami, wzmocnieniem i folią metalową lub bez nich. Płytkę PCB tworzą warstwy dielektryka, ze wzmocnieniem lub bez, umieszczone między warstwami folii metalowej. 

W tabeli 1 pokazano bieżącą listę materiałów HDI pobraną z Internetu. Wiele spośród tych materiałów to żywica epoksydowa, ale są też BT, PPE, ester cyjanianu oraz zmodyfikowane akrylany. Najnowsze materiały stanowi rosnąca liczba prepregów do wiercenia laserowego. 

_{TABELA 1. To badanie materiałów HDI, w tym typów termicznie utwardzanych oraz fotoutwardzanych, obejmuje nowe materiały PCB: laminaty wiercone laserowo, powłoki napawane, RCF oraz płynne dielektryki. Konwencjonalne laminaty zostały wykluczone.}

_{RYS. 1. Ulepszone materiały PCB - wykres ukazujący typowe dielektryki PCB i ich właściwości elektryczne.}

Oprócz żywic termoutwardzalnych, stosuje się żywice termoplastyczne, w tym poliamid oraz policzterofluoroetylen (PTFE). W odróżnieniu od termoutwardzalnej wersji poliamidu, która jest względnie łamliwa, wersja termoplastyczna jest elastyczna i ma postać folii. Stosuje się ją zazwyczaj do obwodów elastycznych, a także do obwodów sztywno-elastycznych. Folię poliamidową można wytworzyć na kilka sposobów, a gotowy produkt jest zazwyczaj dostarczany jako całkowicie utwardzony laminat z warstwą miedzi po jednej lub obu stronach. Jest to również opcja bardziej kosztowna niż żywica epoksydowa i wybiera się ją tylko w razie potrzeby. Na rys. 1 pokazano zakres właściwości elektrycznych wszystkich typowych dielektryków HDI. PTFE ceni się za doskonałe właściwości elektryczne oraz niską absorpcję wilgoci. Zazwyczaj dodaje się do niego wypełniacz w celu zmodyfikowania stałej dielektrycznej dla określonych zastosowań. Typowym przykładem jest obwód do urządzeń mikrofalowych, gdzie ważne są małe straty i wysoka wartość Q przy bardzo wysokich częstotliwościach. PTFE należy do najdroższych materiałów, ale wraz ze stałym wzrostem częstotliwości urządzeń oraz rozwojem aplikacji bezprzewodowych znajduje on coraz szersze zastosowanie. 

Producenci włókna szklanego pracują nad sposobami zminimalizowania problemów dotyczących wiercenia. Utworzyli tzw. dielektryki do wiercenia laserowego, rozciągając włókna w obu kierunkach i bardziej ujednolicając strukturę, co minimalizuje występowanie obszarów bez włókna szklanego, a także obszarów zgrubień, jak pokazano na rys. 2. 

_{RYS. 2. Nowe materiały PCB - powiększone obrazy konwencjonalnych prepregów oraz prepregów z włókna szklanego do wiercenia laserowego (ilustracja udostępniona przez NanYa Plastics)}

Materiał wyprodukowany z tego typu szkłem jest droższy i wybiera się go tylko w razie potrzeby. Używa się go również w połączeniu z wysokowydajnymi żywicami, wskutek czego otrzymany dielektryk jest stosunkowo drogi. 

Inne wzmocnienia

Na przestrzeni lat przy produkcji płytek PCB stosowano inne wzmocnienia. Jednym z produktów, który nie jest już dostępny, był rozdrobniony papier z włókna aramidowego o nazwie Thermount. Dostarczała go firma DuPont i miał on kilka dobrych właściwości. Ponieważ był to materiał termoplastyczny, można było go ciąć laserowo jak żywicę, a ponieważ był o papier, nie było problemów ze zgrubieniami, które występują w materiałach tkanych. Miał również bardzo dobrą stałą dielektryczną, co było korzystne dla obwodów o dużych prędkościach. Thermount wykazywał pewne problemy z absorpcją wilgoci i był dość drogi. W 2006 firma DuPont zdecydowała o zaprzestaniu wytwarzania tego produktu. Jednakże Shin-Kobe Electric w Japonii nadal produkuje trzy różne typy aramidowych laminatów i prepregów. Ciągle trwają badania w poszukiwaniu alternatywy dla tego produktu. Poza Thermount stosowano inne nietkane wzmocnienia, w tym rozdrobniony papier z włókna szklanego i matrycę z ekspandowanego PTFE. Matryca PTFE została połączona z wysokowydajną żywicą i jest dostępna jako produkt o nazwie GorePly. Chociaż GorePly ma doskonałe właściwości elektryczne, jest drogi i stosuje się go tylko w razie potrzeby.

Ajinomoto Buildup Film

Ajinomoto Buildup Film (ABF) to główny dielektryk dla SAP. Jest to szereg bardzo cieniutkich dielektryków wykonanych z żywicy epoksydowej/utwardzacza fenolowego, estru cyjanianu/żywicy epoksydowej oraz estru cyjanianu z alkenem termoutwardzalnym (Tabela 2). Żywica epoksydowa jest również dostępna w wersji bezhalogenowej. Cienka warstwa (o grubości 15–100 um) spoczywa na folii PET o grubości 38 um i jest zabezpieczona folią ochronną OPP o grubości 16 um. Materiał jest laminowany próżniowo w specjalnych zautomatyzowanych maszynach (rys. 3) w pięcioetapowym procesie: 

• Przygotowanie powierzchni dielektryka rdzenia oraz miedzi
• Suszenie rdzenia (130°C przez 30 min)
• Automatyczne cięcie ABF, zdejmowanie folii ochronnej i rozmieszczanie
• Laminowanie próżniowe ABF i prasowanie na gorąco 
• Usuwanie warstwy PET i utwardzanie końcowe (170–190°C przez 30 min)

RYS. 3: Zautomatyzowane laminowanie próżniowe i prasowanie na gorąco warstwy ABF.

_{RYS. 3. Produkcja nowych i ulepszonych materiałów PCB. Zautomatyzowane laminowanie próżniowe i prasowanie na gorąco folii ABF.}

Folie ABF, tak jak płynne dielektryki i suche warstwy, trzeba metalizować techniką póładdytywną (SAP). Krytyczne etapy obejmują oczyszczanie, napęcznianie rozpuszczalnikiem, trawienie folii przed metalizacją, trawienie oraz wygrzewanie (utwardzanie końcowe). Panujące warunki i zrealizowane czynności zdeterminują końcowe siły zdzierania miedzi. Omówiono je w rozdziale 8 podręcznika HDI opisującym oczyszczanie i metalizację (podręcznik można pobrać bezpłatnie tutaj http://hdihandbook.com).

Sucha warstwa fotoczuła

Dielektryki z suchą warstwą fotoczułą kiedyś uważano za najlepsze dielektryki HDI, ponieważ do przygotowywania przelotek nie było potrzebne żadne wyposażenie zewnętrzne. Ta opinia została obalona, ponieważ były to fotosystemy działające negatywnie. Z tego względu potrzebna była energia ultrafioletu, żeby trwale utwardzić dielektryk. Wszystkie obszary nie poddane działaniu promieniowania ultrafioletowego uległyby wywołaniu. Problemem okazała się czystość powłoki oraz naświetlanie. Potrzebne było pomieszczenie o zaostrzonych wymaganiach co do czystości i sterylności klasy 100, co dla większości producentów okazało się zbyt kosztowne. W Japonii niektórzy producenci OEM nadal mają zakłady, w których stosuje się ten dielektryk. Sprawdza się on bardzo dobre w wierceniu laserowym i technice SAP.

_{TABELA 2. Charakterystyki Ajinomoto Buildup Film dla nowych materiałów PCB}

Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.

Masz więcej pytań? Porozmawiaj z ekspertem Altium.

Czy chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, jak Altium może Ci pomóc przy kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem Altium.