Материалы для многослойных плат

Многослойные платы (PCB) позволяют сэкономить место за счет уплотнения компоновки элементов печатной платы. До недавнего времени такой вид плат больше ассоциировался с цифровыми устройствами, однако в настоящее время широко используются в коммерческих, военных и испытательных приложениях, требующих большого количества функций и компактные размеры. В связи с повышением плотности упаковки возникают жесткие требования к материалам печатных плат, таким как ламинаты и препрег, используемые при изготовлении плат.

Материалы высокочастотных печатных плат для однослойных или двухслойных конструкций обычно определяются в соответствии с различными параметрами, такими как диэлектрическая проницаемость, коэффициент рассеяния и теплопроводность. Для многослойных схем помимо этих параметров, также критически важными являются параметры, связанные с размерной и электрической стабильностью.

Поскольку импеданс линий передачи является функцией диэлектрической проницаемости подложки, существенными требованиями к материалу многослойной печатной платы являются чрезвычайно жесткие допуски и стабильность диэлектрической проницаемости и теплового коэффициента диэлектрической проницаемости (степени изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры). Кроме того, коэффициент теплового расширения (CTE), особенно по оси z (перпендикулярная поверхности платы ось), имеет особое значение в многослойных конструкциях, где для соединения различных цепей используются сквозные металлизированные отверстия (PTHS) соединяющие проводники на разных слоях платы, поэтому коэффициент теплового расширения влияет на надежность, что определяется критерием ожидаемой надежности ptH.

Материал, традиционно выбираемый из-за его низкой диэлектрической проницаемости и малых потерь, политетрафторэтилен (PTFE), хорошо подходит для микроволновых цепей с малыми потерями, но не идеален для многослойных схем из-за его размеров и диэлектрических изменений с температурой. PTFE считается «мягким» диэлектрическим материалом и может потребовать специальных этапов обработки при сверлении и подготовке PTHS, хотя подложки из чистого PTFE доступны у некоторых поставщиков, большинство ламинатов на основе PTFE структурно армированы такими «наполнителями», как тканое стекловолокно, стекловолокно или керамические материалы. Армирование обеспечивает температурную стабильность геометрии платы (по оси x и y), но в результате подложки на основе PTFE, как правило, имеют относительно высокие значения CTE в направлении z (по толщине материала). Любые изменения по оси z может повлиять на надежность ptH.

В качестве примера рассмотрим ламинат с превосходным CTE по оси Z, равным +50 ppm/c. Учитывая, что расширение медного проводника и покрытия для ptH составляет около +18 ppm/c, а также, факт разного температурного расширения меди и диэлектрического материала, можно прогнозировать проблемы связанные с медным покрытием в отверстиях, просверленных в диэлектрическом слое. Используя более реалистичные значения CTE по оси Z для PTFE, такие как +150 или +200 ppm/cit, легко увидеть, что нагрузка на PTHS увеличивается, особенно при высоких рабочих температурах.

Печатные платы должны выдерживать циклические изменения температуры на различных этапах обработки, включая травление и нанесение покрытия, а PTHS могут подвергаться различным нагрузкам еще до того, как они попадут к потребителю. поскольку диэлектрический материал расширяется и сжимается со значительно большей скоростью, чем медь, на этих этапах обработки, медное покрытие в PTHS может деградировать от усталости металла, а металлизация переходных отверстий, образующие PTHS, может трескаться. Надежные многослойные печатные платы должны выдерживать большие перепады температур на этих этапах обработки с минимальной нагрузкой на медные проводники и покрытие PTH.

Чтобы обеспечить необходимые электрические свойства PTFE в многослойных печатных платах, а также улучшить его структурную целостность, разработчики материалов экспериментировали с технологией изготовления PTFE для достижения стабильность по оси Z. Добавляя стекловолокно, стекло или керамику к основным материалам, таким как PTFE, материаловедам удалось обеспечивать низкие потери в материале, сохраняя хорошую структурную целостность.

Например, подложки из tlc и tle компании Taconic сочетают в себе электрические характеристики PTFE и механические свойства полиимидных материалов, что делает их более подходящими для многослойных печатных плат, чем традиционные микроволновые материалы на основе PTFE. Подложки TLC и TCE, которые включают наполнитель из тканого стекла для структурной целостности, имеют диэлектрическую проницаемость 2,95 с разбросом от 2,75 до 3,20 соответственно.

Чтобы помочь разработчикам, работающим с многослойными печатными платами, фирма также предлагает связующий материал HT1.5 для объединения слоев этих подложек. HT1.5 представляет собой эффективный клей для соединения слоев. Он имеет несколько иную диэлектрическую проницаемость, чем ламинаты TLC или TCE, а именно 2,35, что необходимо учитывать при выполнении соединений (соответствии импеданса) между слоями схемы. Фирма также предлагает недорогие керамические подложки TRF-41, TRF-43 и TRF-45 с диэлектрической проницаемостью 4,1, 4,3 и 4,5 соответственно, что ставит их в один ряд с материалами FR-4.

Чтобы обеспечить простоту обработки материала FR-4, пригодном для многослойных плат, подразделение Advanced Circuit Materials Division корпорации Rogers разработало свои микроволновые ламинаты серии RO4000. Эти термореактивные материалы имеют низкий температурный коэффициент диэлектрической проницаемости для минимизации фазовых изменений, а также коэффициент теплового расширения по оси z, близкий к медному. Компания предлагает учебное пособие по выбору высокочастотных ламинатов для однослойных и многослойных приложений «Вопросы при выборе высокочастотных ламинатов».

Традиционно FR-4 и материалы подложки с более высокими характеристиками совместно используются при изготовлении многослойных печатных плат, чтобы использовать преимущества низкой стоимости подложек на основе эпоксидной смолы, обеспечивая при этом более высокие характеристики там, где это необходимо. Этот «гибридный» многослойный подход к печатным платам позволяет сочетать более дорогие ламинаты (например, материалы на основе PTFE) для критически важных цепей и функций, таких как линии передачи ВЧ/СВЧ, и более дешевые ламинаты (например, FR-4) для таких функций, как подключение линий электропитания.

При изготовлении многослойных печатных плат обычно обходятся без использования дискретных резисторов за счет включения встроенных резисторов, таких как резистивная фольга. Известные как плоские или заглубленные резисторы, они состоят из тонкой резистивной фольги, ламинированной на слой диэлектрика. Эти резистивные включения должны обеспечивать согласованные значения резисторов с температурой и выдерживать экстремальные температуры типичных этапов обработки печатных плат.

 

 

Источник:

1. mwrf.com
2. zubelzu.com
3. tspcb.pl