Материалы для устройств с печатным монтажом

Технология производства и монтажа печатных плат

Базовые материалы для производства печатных плат

В данном разделе представлена справочная информация по базовым материалам, используемым в производстве печатных плат – типы материалов, краткое описание, рекомендации по применению. С базовыми материалами, используемыми на производстве Резонит вы можете ознакомиться по ссылке.

Исходный материал – диэлектрическое основание

Исходный материал — диэлектрическое основание, ламинированное с одной или двух сторон медной фольгой.

В качестве диэлектрика могут выступать:

• листы, изготовленные на основе стеклотканей, пропитанных связующим на основе эпоксидных смол — стеклотекстолит (СФ, СТФ, СТАП, FR4 и т.п.)
• листы с керамическим наполнителем, армированные стекловолокном — Rogers RO5603, RO4350
• листы фторопласта (PTFE), также армированные — Arlon AD 250 и 255, Arlon (AD и AR),
• ламинаты на металлическом основании (алюминий, медь, нержавеющая сталь)
• плёнки из полиимида, полиэтилентерефталата (PET, ПЭТФ, лавсан)

Материалы для стандартных односторонних, двусторонних и многослойных печатных плат

Фольгированный стеклотекстолит FR4 с температурой стеклования 135ºС, 150ºС и 170ºС является наиболее распространенным материалом для производства односторонних и двухсторонних печатных плат. Толщина стеклотекстолита обычно варьируется от 0,5 до 3,0 мм.

Достоинства FR4: хорошие диэлектрические свойства, стабильность характеристик и размеров, высокая устойчивость к воздействию неблагоприятных климатических условий.

Во многих случаях, где требуются достаточно простые печатные платы (при производстве бытовой аппаратуры, различных датчиков, некоторых комплектующих к автомобилям и т.п.) превосходные свойства стеклотекстолита оказываются избыточными, и на первый план выходят показатели технологичности и стоимости. В таких случаях обычно используют следующие материалы:

• XPC, FR1, FR2 — фольгированные гетинаксы (основа из целлюлозной бумаги, пропитанной фенольной смолой), широко применяется при изготовлении печатных плат для бытовой электроники, аудио-, видео техники, в автомобилестроении (расположены в порядке возрастания показателей свойств, и, соответственно, цены). Прекрасно штампуются.
• CEM-1 — ламинат на основе композиции целлюлозной бумаги и стеклоткани с эпоксидной смолой. Прекрасно штампуется.

Материалы для плат с повышенной теплоотдачей

Платы с металлическим основанием находят широкое применение в устройствах с мощными светодиодами, источниках питания, преобразователях тока, модулях управления двигателями.

Основанием платы служит металлическая пластина. В зависимости от требуемых характеристик выбирается материал. Наиболее часто используются алюминиевые сплавы:

• 1100 (отечественный аналог сплав АД) — из-за небольшого количества примесей материал обладает хорошей теплопроводностью (220 W/mK), пластичен, недостатками являются: невысокая механическая прочность и вязкость, что затрудняет механическую обработку контура печатных плат;
• 5052 (отечественный аналог сплав АМг2.5) — наиболее употребительны, несмотря на относительно не очень высокую теплопроводность (порядка 140 W/mK), хорошо обрабатываются, относительно дешевы;
• 6061 (отечественный аналог сплав АДЗЗ) — применяется, когда требуется повышенная коррозионная стойкость, помимо этого обладает повышенной механической прочностью. К недостаткам можно отнести более высокую цену по сравнению с вышеперечисленными сплавами.

В случаях, когда требуется очень высокая теплопроводность, в качестве металлического основания используется медь. Теплопроводность меди 390 W/mK, к недостаткам можно отнести высокую стоимость и затрудненность механической обработки фрезерованием вследствие высокой вязкости. Когда требуется высокая коррозионная стойкость и механическая прочность, в качестве металлического основания используется нержавеющая сталь.

Материалы для СВЧ печатных плат

При производстве СВЧ печатных плат применяются специальные диэлектрические материалы, характеризующиеся повышенной (в сравнении со стандартным FR4) стабильностью величины диэлектрической проницаемости и низкими потерями в широком диапазоне рабочих частот (от единиц МГц до десятков ГГц).

Спектр материалов для производства СВЧ печатных плат весьма широк: в качестве диэлектрика, как в чистом виде, так и в различных комбинациях (для придания необходимых характеристик, например термостабильности) применяют различные полимеры, керамику. В основном, диэлектрик армируется стекловолокном (различного плетения, что так же влияет на результирующие параметры материала). Неармированные материалы используются редко и, как правило, являются наиболее дорогостоящими и сложно обрабатываемыми (очень мягкие, либо очень хрупкие).

Многослойные конструкции СВЧ печатных плат выполняют как с применением только специализированных материалов, так и с применением стандартных материалов FR4. Например, с целью снижения стоимости, СВЧ диэлектрик используют только для разделения одного или двух внешних сигнальных слоёв, а для остальных — используют обычный FR4 (такие конструкции МПП называются гибридными).

Материалы для гибких печатных плат

Доминирующим базовым материалом для производства гибких ПП является полиимид. Хотя полиэтилентерефталат существенно дешевле, его применяют значительно реже в виду более узкого диапазона рабочих температур и недостаточной размерной стабильности. Несмотря на недостатки полиэтилентерефталата, он всё же обладает рядом преимуществ, таких, например, как хорошая химическая стойкость и низкое влагопоглощение, а также он легко формуется (низкотемпературный термопласт). Наибольшее применение находит для изготовления односторонних гибких плат для узлов автомобильной промышленности.

Проводящий материал – фольга

В качестве проводящих слоёв используют как обычную электросаждённую гальваностойкую медную фольгу, так и катанную отоженную, или специально обработанную для минимизации шероховатости. Так же существует фольга со специальным резистивным подслоем (NiCr) для изготовления встроенных тонкоплёночных резисторов.

Катаная фольга обладает более высокими механическими свойствами, чем электроосаждённая, поэтому применяется в основном для производства ПП, рассчитанных на динамическую нагрузку и ПП с последующей формовкой контактов. Материалы с алюминиевой фольгой встречаются реже, в основном, в экранирующих материалах.

Распространенные толщины фольги: 12, 18, 35, 70, 105 мкм.

Связующий материал – адгезив, препрег (акриловые, эпоксидные полимеры)

Адгезивы используются как для соединения медной фольги с базовой плёнкой, объединения слоёв многослойных конструкций, приклеивания защитных слоёв и ужесточителей, так и создания клеящих областей на поверхности ПП.

Препреги FR4 с температурой стеклования 135ºС, 140ºС и 170ºС используются для прессования МПП.

Защитное покрытие (покрывной материал)

Защитное покрытие — это диэлектрический материал, защищающий внешние проводящие слои от воздействия окружающей среды. Может быть как в виде полиимидной или ПЭТФ плёнки с нанесённом с одной стороны слоем адгезива, так и в виде жидкой фотопроявляемой композиции. Плёночные материалы в основном применяются при изготовлении гибких печатных плат, характеризуются хорошо согласованной гибкостью с базовыми материалами, высокой электрической и механической прочностью, но обрабатываются, в основном, механическими способами, поэтому топология защитных слоёв имеет низкое разрешение. Жидкие фотопроявляемые покрытия лишены этого недостатка, но также в большинстве своём лишены и описанных выше преимуществ плёночных покрытий.

Защитная паяльная маска служит для защиты участков печатных плат от воздействия припоя. Существует два типа масок — сухая пленочная и жидкая.

Сухая пленочная паяльная маска обеспечивает хорошие результаты по тентированию переходных отверстий, наносится методом ламинирования, но в настоящее время используется редко, т.к. не подходит для печатных плат выше 3 класса точности. Жидкая паяльная маска наносится методом сеткографии через сетчатый трафарет, причем существует два варианта нанесения. Через готовый трафарет, когда в сетке уже сформированы все окна вскрытия, и маска наносится только на защищаемые участки печатной платы (такой вариант имеет невысокое разрешение и применяется, как правило, на односторонних печатных платах ниже 3 класса точности), и сплошное нанесение маски с использованием фотошаблонов и последующим проявлением.

Требования к совмещению фотошаблонов маски ниже, чем к фотошаблонам топологии, поэтому окна вскрытия должны быть шире контактных площадок. Это нужно учитывать при создании компонентов, особенно в САПР, где этот параметр задается непосредственно в компоненте (например, Altium Designer). Как правило, размер вскрытия задается на 0,1 мм больше размера контактной площадки. Следует также отметить, что разрешение (мостики в маске) маски составляет не менее 0,10 мм, и это нужно учитывать для компонентов с шагом выводов 0,5 мм.

Следует подчеркнуть, что паяльная маска не должна играть роль диэлектрика, поскольку в покрытии маской допускаются сколы.

При выборе расстояния между элементами проводящего рисунка, с точки зрения электрической прочности, следует руководствоваться нормами ГОСТ 53429-2009.

Источник

Материалы для печатных плат

Наша компания изготавливает печатные платы из высококачественных импортных материалов, начиная от типового FR4 и заканчивая СВЧ-материалами и полиимидом. В данном разделе мы определяем основные термины и понятия, применяемые в области проектирования и изготовления печатных плат. Раздел повествует о совсем простых вещах, знакомых каждому инженеру-конструктору. Однако и тут есть ряд нюансов, которые многие разработчики не всегда принимают во внимание.

Конструкция многослойных печатных плат
Рассмотрим типовую конструкцию многослойной платы (рис. 1). В первом, наиболее распространенном, варианте внутренние слои платы формируются из двустороннего ламинированного медью стеклотекстолита, который называют «ядро». Наружные слои выполняются из медной фольги, спрессованной с внутренними слоями при помощи связующего — смолистого материала, называемого «препрег». После прессования при высокой температуре образуется «пирог» многослойной печатной платы, в котором далее сверлятся и металлизируются отверстия. Менее распространен второй вариант, когда внешние слои формируются из «ядер», скрепляемых препрегом. Это упрощенное описание, на основе данных вариантов существует множество других конструкций. Однако основной принцип состоит в том, что в качестве связующего материала между слоями выступает препрег. Очевидно, что не может быть ситуации, когда соседствуют два двусторонних «ядра» без прокладки из препрега, но структура фольга–препрег–фольга– препрег… и т. д. возможна, и часто используется в платах со сложными сочетаниями глухих и скрытых отверстий.

Глухие и скрытые отверстия
Термин «глухие отверстия» означает переходы, связывающие внешний слой с ближайшими внутренними слоями и не имеющие выхода на второй внешний слой. Он происходит от английского слова blind, и является аналогичным термину «слепые отверстия». Скрытые, или погребенные (от английского buried), отверстия выполнены во внутренних слоях и не имеют выхода наружу. Простейшие варианты глухих и скрытых отверстий показаны на рис. 2. Их применение оправдано в случае очень плотной разводки или для плат, очень насыщенных планарными компонентами с обеих сторон. Наличие этих отверстий приводит к удорожанию стоимости платы от полутора до нескольких раз, но во многих случаях, особенно при трассировке микросхем в корпусе BGA с маленьким шагом, без них не обойтись. Есть различные способы формирования таких переходных отверстий, они более подробно раскрываются в разделе Платы с глухими и скрытыми отверстиями , а пока рассмотрим более подробно материалы, из которых конструируется многослойная плата.

Таблица 1. Виды и параметры материалов, применяемых для многослойных печатных плат

Вид	Состав	Tg	Dk	Стоимость
FR4	Слоистый эпоксидный материал из стекловолокна	> 130°C	4.7	1 (базовая)
FR4 High Tg, FR5	Материал со сшитой сеткой, повышенная термостойкость (RoHS-совместимый)	> 160°C	4,6	1,2…1,4
RCC	Эпоксидный материал без стеклянной тканой основы	> 130°C	4,0	1,3…1,5
PD	Полиимидная смола с арамидной основой	260°C	3,5–4,6	5…6,5
PTFE	Политетрафлуор-этилен со стеклом или керамикой (СВЧ)	240–280°C	2,2–10,2	32…70

Tg — температура стеклования (разрушения структуры)
Dk — диэлектрическая постоянная

Базовые диэлектрики для печатных плат
Основные виды и параметры материалов, применяемых для изготовления МПП, приведены в таблице 1. Типовые конструкции печатных плат основаны на применении стандартного стеклотекстолита типа FR4, с рабочей температурой, как правило, от –50 до +110 °C, температурой стеклования (разрушения) Tg около 135 °C. Диэлектрическая постоянная Dk у него может быть от 3,8 до 4,5, в зависимости от поставщика и вида материала. При повышенных требованиях к термостойкости или при монтаже плат в печи по бессвинцовой технологии (t до 260 °C) применяется высокотемпературный FR4 High Tg или FR5. При требованиях к постоянной работе на высоких температурах или при резких перепадах температур применяется полиимид. Кроме того, полиимид используют для изготовления плат повышенной надежности, для военных применений, а также в случаях, когда требуется повышенная электрическая прочность. Для плат с СВЧ-цепями (более 2 ГГц) применяются отдельные слои СВЧ-материала, или плата целиком делается из СВЧ-материала (рис. 3). Наиболее известные поставщики специальных материалов — фирмы Rogers, Arlon, Taconic, Dupont. Стоимость этих материалов выше, чем FR4, и условно показана в последнем столбце таблицы 1 относительно стоимости FR4. Примеры плат с разными видами диэлектрика показаны на рис. 4, 5.

Толщина материала
Знание доступных толщин материалов важно инженеру не только для формирования общей толщины платы. При проектировании МПП разработчики сталкиваются с такими задачами, как:
— расчет волнового сопротивления проводников на плате;
— расчет величины межслойной высоковольтной изоляции;
— выбор структуры глухих и скрытых отверстий.
Доступные варианты и толщины различных материалов приведены в таблицах 2–6. Следует учитывать, что допуск на толщину материала обычно составляет до ±10%, поэтому и допуск на толщину готовой многослойной платы не может быть менее ±10%.

Таблица 2. Двусторонние «ядра» FR4 для внутренних слоев печатной платы

Толщина диэлектрика и толщина меди 5 мкм 17 мкм 35 мкм 70 мкм 105 мкм 0,050 мм • • • з з 0,075 мм м • • з з 0,100 мм • • • з з 0,150 мм 0,200 мм м • • з з 0,250 мм 0,300 мм 0,350 мм м • • з з 0,400 мм • • • з з 0,450 мм 0,710 мм м • • з з 0,930 мм м • • • з 1,000 мм • • • • з Более 1 мм • • • • з

• — Как правило, в наличии;
з — По запросу (имеется в наличии не всегда)
м — Можно изготовить;
Примечание: для обеспечения надежности готовых плат важно знать, что для внутренних слоев зарубежные мы предпочитаем использовать ядра с фольгой 35 мкм, а не 18 мкм (даже при ширине проводника и зазора 0,1 мм). Это повышает надежность печатных плат.
Диэлектрическая проницаемость ядер FR4 может составлять от 3.8 до 4.4 в зависимости от марки.

Таблица 3. Препрег («связующий» слой) для многослойных печатных плат

Тип препрега Толщина после прессования Возможное отклонение Основные 1080 0,066 мм –0,005/+0,020 мм 2116 0,105 мм –0,005/+0,020 мм 7628 0,180 мм –0,005/+0,025 мм Дополнительно 106 no flow 0,050 мм –0,005/+0,020 мм 1080 no flow 0,066 мм –0,005/+0,020 мм 2113 0,100 мм –0,005/+0,025 мм

Диэлектрическая проницаемость препрега FR4 может составлять от 3.8 до 4.4 в зависимости от марки.
Уточняйте этот параметр для конкретного материала у наших инженеров по email pcb@pcbtech.ru

Таблица 4. Материалы СВЧ фирмы Rogers для печатных плат

Материал Dk* Потери Толщина диэлектрика, мм Толщина фольги, мкм Ro4003 3,38 0,2 18 или 35 0,51 18 или 35 0,81 18 или 35 Ro4350 3,48 0,17 18 или 35 0,25 18 или 35 0,51 18 или 35 0,762 18 1,52 35 Препрег Ro4403 3,17 0,1 — Препрег Ro4450 3,54 0,1 —

* Dk — диэлектрическая проницаемость

Таблица 5. Материалы СВЧ фирмы Arlon для МПП

Материал Диэлектрическая
проницаемость (Dk) Толщина
диэлектрика, мм Толщина
фольги, мкм AR-1000 10 0,61±0,05 18 AD600L 6 0,787±0,08 35 AD255IM 2,55 0,762±0,05 35 AD350A 3,5 0,508±0,05
0,762±0,05 35
35 DICLAD527 2,5 0,508±0,038
0,762±0,05
1,52±0,08 35
35
35 25N 3,38 0,508
0,762 18 или 35 25N 1080pp
pre-preg 3,38 0,099 — 25N 2112pp
pre-preg 3,38 0,147 — 25FR 3,58 0,508
0,762 18 или 35 25FR 1080pp
pre-preg 3,58 0,099 — 25FR 2112pp
pre-preg 3,58 0,147 —

Примечание: СВЧ-материалы не всегда есть на складе, и срок их поставки может доходить до 1 месяца. При выборе конструкции платы надо уточнить состояние склада производителя МПП.

Таблица 6. Полиимидные материалы для МПП

Материал Tg Dk Электрическая прочность, В/мм Arlon 85N > 250 °C 4,4 48000

Dk — Диэлектрическая проницаемость
Tg — температура стеклования

Хочется отметить важность следующих моментов:
1. В принципе доступны все номиналы ядер FR4 от 0,1 до 1,0 мм с шагом 0,1 мм. Однако при проектировании срочных заказов следует заранее уточнять наличие материалов на складе у производителя ПП.
2. Когда речь идет о толщине материала — у материалов, предназначенных для изготовления двусторонних плат, толщина материала указывается включая медь. Толщины «ядра» для внутренних слоев МПП задаются в документации без толщины меди.
Пример 1: материал FR4, 1,6/35/35 имеет толщину диэлектрика: 1,6–(2×35 мкм)=1,53 мм (с допуском ±10%).
Пример 2: ядро FR4, 0,2/35/35 имеет толщину диэлектрика: 200 мкм (с допуском ±10%) и полную толщину: 200 мкм+(2×35 мкм)=270 мкм.
3. Обеспечение надежности. Допустимое количество смежных слоев препрега вМПП — не менее 2 и не более 4. Возможность же использования одиночного слоя препрега между «ядрами» зависит от характера рисунка и от толщины смежных слоев меди. Чем толще медь и чем насыщенней рисунок проводников, тем сложнее заполнить смолой пространство между проводниками. А от качества заполнения зависит надежность платы.
Пример: медь 17 мкм — можно использовать 1 слой 1080, 2116 или 106; медь 35 мкм — можно использовать 1 слой только для 2116.

Покрытия площадок печатной платы
Рассмотрим, какие бывают покрытия медных площадок. Наиболее часто площадки покрываются сплавом олово-свинец, или ПОС. Способ нанесения и выравнивания поверхности припоя называют HAL или HASL (от английского Hot Air Solder Leveling — выравнивание припоя горячим воздухом). Это покрытие обеспечивает наилучшую паяемость площадок. Однако на смену ему приходят более современные покрытия, как правило, совместимые с требованиями международной директивы RoHS. Эта директива требует запретить присутствие вредных веществ, в том числе свинца, в продукции. Пока что действие RoHS не распространяется на территорию нашей страны, однако помнить о ее существовании небесполезно. Проблемы, связанные с RoHS, будут описаны нами в одном из последующих разделов, пока же давайте ознакомимся с возможными вариантами покрытия площадок МПП в таблице 7. HASL применяется повсеместно, если нет иных требований. Иммерсионное (химическое) золочение используется для обеспечения более ровной поверхности платы (особенно это важно для площадок BGA), однако имеет несколько более низкую паяемость. Пайка в печи выполняется примерно по той же технологии, что и HASL, но ручная пайка требует применения специальных флюсов. Органическое покрытие, или OSP, защищает поверхность меди от окисления. Его недостаток — малый срок сохранения паяемости (менее 6 месяцев). Иммерсионное олово обеспечивает ровную поверхность и хорошую паяемость, хотя тоже имеет ограниченный срок пригодности для пайки. Бессвинцовый HAL имеет те же свойства, что и свинец-содержащий, но состав припоя — примерно 99,8% олова и 0,2% добавок. Контакты ножевых разъемов, подвергающихся трению при эксплуатации платы, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота. Для обоих видов золочения применяется никелевый подслой для предотвращения диффузии золота.

Таблица 7. Покрытия площадок печатной платы

Тип Описание Толщина HASL, HAL
(hot air solder leveling) ПОС-61 или ПОС-63,
оплавленный и выровненный горячим воздухом 15–25 мкм Immersion gold, ENIG Иммерсионное золочение по подслою никеля Au 0,05–0,1 мкм/Ni 5 мкм OSP, Entek Органическое покрытие,
защищает поверхность меди от окисления до пайки При пайке
полностью растворяется Immersion tin Иммерсионное олово, более плоская поверхность, чем HASL 10–15 мкм Lead-free HAL Бессвинцовое лужение 15–25 мкм Hard gold, gold fingers Гальваническое золочение контактов разъема по подслою никеля Au 0,2–0,5 мкм/Ni 5 мкм

Примечание: все покрытия, кроме HASL, совместимы с директивой RoHS и подходят для бессвинцовой пайки.

Защитные и другие виды покрытий печатной платы
Для полноты картины рассмотрим функциональное назначение и материалы покрытий печатной платы.
— Паяльная маска — наносится на поверхность платы для защиты проводников от случайного замыкания и грязи, а также для защиты стеклотекстолита от термоударов при пайке. Маска не несет другой функциональной нагрузки и не может служить защитой от влаги, плесени, пробоя и т. д. (за исключением случаев применения специальных видов масок).
— Маркировка — наносится на плату краской поверх маски для упрощения идентификации самой платы и расположенных на ней компонентов.
— Отслаиваемая маска — наносится на заданные участки платы, которые надо временно защитить, например, от пайки. В дальнейшем ее легко удалить, так как она представляет собой резиноподобный компаунд и просто отслаивается.
— Карбоновое контактное покрытие — наносится в определенные места платы как контактные поля для клавиатур. Покрытие имеет хорошую проводимость, не окисляется и износостойко.
— Графитовые резистивные элементы — могут наноситься на поверхность платы для выполнения функции резисторов. К сожалению, точность выполнения номиналов невысока — не точнее ±20% (с лазерной подгонкой— до 5%).
— Серебряные контактные перемычки — могут наноситься как дополнительные проводники, создавая еще один проводящий слой при недостатке места для трассировки. Применяются в основном для однослойных и двусторонних печатных плат.

Таблица 8. Покрытия поверхности печатной платы

Тип Назначение и особенности Паяльная маска Для защиты при пайке
Цвет: зеленый, синий, красный, желтый, черный, белый Маркировка Для идентификации
Цвет: белый, желтый, черный Отслаиваемая маска Для временной защиты поверхности
При необходимости легко удаляется Карбон Для создания клавиатур
Имеет высокую износостойкость Графит Для создания резисторов
Желательна лазерная подгонка Серебряное покрытие Для создания перемычек
Используется для ОПП и ДПП

Заключение
Выбор материалов велик, но, к сожалению, часто при изготовлении малых и средних серий печатных плат камнем преткновения становится наличие нужных материалов на складе завода — производителя МПП. Поэтому перед проектированием МПП, особенно если речь идет о создании нетиповой конструкции и применении нетиповых материалов, надо обязательно договориться с производителем об используемых в МПП материалах и толщинах слоев, а может быть, и заказать эти материалы заблаговременно.

Источник