11 Materiais HDI que Você Precisa Conhecer

Outras resinas que são comumente utilizadas são tipicamente selecionadas para abordar deficiências específicas dos sistemas de resina epóxi. BT-Epoxy é comum para embalagens de chips orgânicos devido à sua estabilidade térmica, enquanto resinas de poliimida e éster cianato são usadas para melhores propriedades elétricas (menor Dk e Df) bem como melhor estabilidade térmica. Às vezes, elas são misturadas com epóxi para reduzir custos e melhorar propriedades mecânicas. Uma propriedade térmica importante para a montagem sem chumbo é o STII e alguns valores de laminados podem ser vistos na Figura 2.

Além das resinas termofixas, resinas termoplásticas são utilizadas incluindo poliimida e politetrafluoretileno (PTFE). Ao contrário da versão termoplástica da poliimida, que é relativamente frágil, a versão termofixa é flexível e é fornecida em forma de filme. É tipicamente usada para fazer circuitos flexíveis, bem como os circuitos combinados chamados de rígido-flexível. Também é mais cara que a epóxi e é usada apenas quando necessário.

FIGURA 3. Gráfico de substituição de laminados para muitos laminados PWB

Para auxiliar na sua seleção do laminado adequado para HDI, a Figura 3 mostra uma seleção de laminados de todo o mundo e sua equivalência.

Materiais Reforçados

Laminados Perfuráveis a Laser e Fibra de Vidro Convencional

A maioria dos materiais dielétricos usados para fabricar placas de circuito impresso incorpora reforço no sistema de resina. O reforço geralmente assume a forma de fibra de vidro tecida. A fibra de vidro tecida é como qualquer outro tecido, composta por filamentos individuais que são entrelaçados em um tear. Ao usar filamentos de diferentes diâmetros e diferentes padrões de tecelagem, são criados diferentes estilos de tecido de vidro.

A fibra de vidro adiciona durabilidade mecânica e térmica ao dielétrico, mas apresenta alguns problemas quando usada em construções HDI. A Figura 5 mostra que o tecido de vidro é tecido, e a tabela mostra os estilos, fios e espessuras desses fios. Quando lasers são usados para criar os vias, a diferença nas taxas de ablação entre a fibra de vidro e a resina circundante pode causar má qualidade do furo. Além disso, como o tecido de fibra de vidro não é uniforme devido a áreas sem vidro, áreas com um fio e as interseções dos fios (também conhecidas como nós), é difícil definir parâmetros de perfuração para todas essas regiões. Geralmente, a perfuração é configurada para a região mais difícil de perfurar, que é a área do nó.

Os fabricantes de fibra de vidro criaram os chamados dielétricos perfuráveis a laser ao espalhar os fios em ambas as direções e tornar o tecido mais uniforme, o que minimiza as áreas sem fibra de vidro, bem como a área do nó. A Figura 4 mostra os 12 LDPs atualmente disponíveis e suas propriedades. Ainda é necessário mais energia para penetrar a fibra de vidro do que a resina, mas agora os parâmetros de perfuração podem ser otimizados para obter resultados consistentes em todo o painel.

FIGURA 4.  Tabela de especificações de tecido para fibra de vidro perfurável a laser.

RCCs

Folha de Cobre Revestida com Resina (RCC)

As limitações dos dielétricos reforçados com fibra de vidro levaram as empresas a procurar soluções alternativas de dielétricos. Além dos problemas com a perfuração a laser (qualidade de furo ruim e longos tempos de perfuração), a espessura da fibra de vidro tecida limitava o quão finas as PCBs poderiam ser. Para superar esses problemas, a folha de cobre foi utilizada como um suporte para o dielétrico, para que então pudesse ser incorporada à PCB. Esses materiais são chamados de “Cobre Revestido com Resina” ou RCC. A folha de RCC é fabricada usando um processo de rolo a rolo.

FIGURA 5.  Fotos de tecidos de fibra de vidro padrão e perfuráveis a laser.

O cobre passa por uma cabeça de revestimento e a resina é depositada no lado tratado do cobre. Em seguida, passa por fornos de secagem e é parcialmente curado ou "B" estagiado, o que permitirá que flua e preencha as áreas ao redor da circuitaria interna e se ligue ao núcleo. Os sistemas de resina são geralmente modificados com um restritor de fluxo para evitar o espremedura excessiva durante o processo de laminação.

A maior parte do folheado de RCC é fabricada dessa maneira, mas existem tipos adicionais. Um desses tipos é um produto de dois estágios (Figura 6). Após a primeira camada de resina ser revestida, ela é passada pelo revestidor novamente para adicionar uma segunda camada. Durante a segunda aplicação, a primeira camada é totalmente curada, enquanto a segunda camada é "B" estagiada. O benefício desse processo é que o primeiro estágio atua como uma parada firme e garante uma espessura mínima entre as camadas. A desvantagem é que o produto é mais caro do que a versão com revestimento único.

Para todos os benefícios do foil RCC, existem preocupações sobre a falta de reforço em termos de estabilidade dimensional e controle de espessura. Um novo material foi desenvolvido para abordar essas preocupações. O MHCG da Mitsui Mining and Smelting incorpora uma fibra de vidro ultrafina (1015 ou 1027) durante o processo de revestimento com resina. A fibra de vidro é tão fina que não pode ser transformada em um prepreg, pois não pode passar por uma torre de tratamento como a fibra de vidro tradicional. Há também um RCC de poliimida/epóxi disponível.

A fibra de vidro não impacta significativamente a perfuração a laser, mas oferece uma estabilidade dimensional igual ou melhor que o prepreg padrão. Agora estão disponíveis camadas dielétricas com espessura de até 25 microns, permitindo produtos multicamadas muito finos.

O custo é outro aspecto do foil RCC que preocupa. Os foils RCC quase sempre custam mais do que a combinação equivalente de prepreg/foil de cobre. No entanto, o foil RCC pode resultar em um produto menos caro quando o tempo de perfuração a laser é levado em consideração. À medida que o número de furos e o tamanho da área aumentam, o melhor rendimento das perfurações a laser mais do que compensa o custo aumentado do foil RCC.

FIGURA 6.  Quatro estilos disponíveis de cobre revestido com resina (foil).

Outros Dielétricos

Epoxy líquido otimizado pode oferecer o menor custo dentre todos os dielétricos para HDI. Também é o mais fácil de aplicar em camadas finas para fiação de linhas finas. Pode ser revestido por impressão serigráfica, revestimento vertical ou horizontal com rolo, revestimento por menisco ou revestimento por cortina. A marca Taiyo Ink é a mais utilizada, mas Tamura, Tokyo Ohka Kogyo e Asahi Denka Kogyo também têm produtos.

Éteres Polifenílicos/Óxido de Polifenileno:  P.M > 288° C são termoplásticos de Éteres Polifenílicos (PPE) ou Óxido de Polifenileno (PPO) com pontos de fusão bem acima de 288°-316° C. Misturas de PPO/Epoxy têm um Tg >180° C com temperaturas de decomposição mais altas. Sua popularidade deve-se ao excelente desempenho elétrico, por terem constantes dielétricas e tangentes de perda menores do que muitos dos termofixos como epóxi e BT, com baixa absorção de água. Seus altos pontos de fusão e resistência química tornam o desbaste um processo crítico.

Propriedades Elétricas

A Figura 7 mostra as constantes dielétricas (Dk) e fatores de dissipação (Dj) de dielétricos populares, incluindo aqueles adequados para lógica de altíssima velocidade. A Tabela 2 lista outras características elétricas relacionadas ao desempenho de alta velocidade para o design de HDI. 

FIGURA 7.  As características elétricas de vários laminados pelo seu constante dielétrico e fator de dissipação.

TABELA 2.  Outras considerações importantes de desempenho elétrico ao projetar circuitos de alta velocidade.

Habilitando Traços e Espaços Finos

Para lógica de alta velocidade, os sinais viajam na superfície do condutor (o Efeito Skin). Folhas de cobre lisas permitem a fabricação de traços e espaços muito finos com menos perdas de cobre. (Veja a Figura 8)  na Figura 9, traços ultrafinos são possíveis com as folhas de cobre de 5 microns e 3 microns, ou com um processo mSAP.

FIGURA 8.  O tratamento de folha para aderência vem em quatro perfis e é importante para as perdas de cobre (efeito skin). 

FIGURA 9.  Folha de cobre muito fina e lisa pode permitir traços e espaços muito finos (8um/8um). 

Materiais para Interconexões de Alta Densidade é um assunto sério para projetistas de PCB e Engenheiros Elétricos. Existem vários bons recursos sobre o assunto de materiais para PCBs e o foco aqui tem sido Materiais HDI para ajudar o engenheiro a projetar placas de circuito impresso.

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