Elektronisches Design - Branchentrend und Bedeutung von Leiterplattensubstrat

1. Kontinuierliche Innovation der FR-4 Platte

Kurz gesagt, das Substrat der Leiterplatte umfasst hauptsächlich drei Rohstoffe: Kupferfolie, Harz und Verstärkungsmaterial. Wenn wir jedoch das aktuelle Substrat weiter untersuchen und seine Veränderungen im Laufe der Jahre untersuchen, werden wir feststellen, dass die Komplexität des Substratgehalts unvorstellbar ist. Aufgrund der immer strengeren Anforderungen der Leiterplattenhersteller an die Qualität des Substrats in der bleifreien Ära, werden die Leistung und Spezifikationen von Harz und Substrat zweifellos komplexer werden. Die Herausforderung für Substratlieferanten besteht darin, das beste Gleichgewicht zwischen verschiedenen Kundenbedürfnissen zu finden, um die wirtschaftlichsten Produktionsvorteile zu erzielen und ihre Produktdaten der gesamten Lieferkette als Referenz zur Verfügung zu stellen.

Unter einem umfassenden Blick auf die Entwicklungsgeschichte der FR-4-Platte haben einige Betreiber im Laufe der Jahre immer geglaubt, dass die FR-4-Platte erschöpft ist, also wenden sie sich anderen Hochleistungssubstituten zu. Jedes Mal, wenn die Spezifikationsanforderungen erhöht werden, muss der Plattenlieferant hart arbeiten, um die Bedürfnisse der Kunden zu erfüllen. In den letzten Jahren ist der offensichtlichste Entwicklungstrend des Marktes der große Anstieg der Nachfrage nach hohen Tg-Platten. Tatsächlich scheint das Verständnis vieler Betreiber in TG-Fragen darauf hinzuweisen, dass hohe Tg eine hohe Effizienz oder eine bessere Zuverlässigkeit aufweist. Einer der Hauptziele dieses Papiers ist es, zu erklären, dass die für die nächste Generation FR-4 Platte erforderlichen Eigenschaften nicht vollständig von TG ausgedrückt werden können, so dass es ist, weitere neue Spezifikationen für starke Hitzebeständigkeit vorzulegen, um die Herausforderung des bleifreien Schweißens zu meistern.

2.Industry Trends führende Substratspezifikationen

Eine Reihe anhaltender industrieller Trends wird den Markt und die Einführung von neu formulierten Platten fördern. Diese Trends umfassen Mehrschichtplattendesign-Trend, Umweltschutzvorschriften und Strombedarf, die nachfolgend beschrieben werden:

2.1. Entwurfstrend der Multiplatte

Derzeit ist einer der Designtrends von PCB die Verbesserung der Verdrahtungsdichte. Es gibt drei Methoden, um dieses Ziel zu erreichen: Erstens, reduzieren Sie die Leitungsbreite und den Leitungsabstand, so dass mehr und mehr dichte Verkabelung pro Einheitsfläche untergebracht werden kann; Die zweite besteht darin, die Anzahl der Leiterplattenschichten zu erhöhen; Schließlich werden der Porendurchmesser und die Größe des Schweißpads reduziert.

Wenn jedoch mehr Leitungen pro Flächeneinheit verteilt sind, steigt die Betriebstemperatur zwangsläufig an. Darüber hinaus wird die fertige Platine mit der zunehmenden Anzahl von Leiterplattenschichten synchron verdickt. Andernfalls kann es nur mit einer dünneren dielektrischen Schicht gepresst werden, um die ursprüngliche Dicke zu erhalten. Je dicker die Leiterplatte, desto größer wird die thermische Spannung der Durchgangslochwand, die durch Wärmeakkumulation verursacht wird, zunehmen, was den Wärmeausdehnungseffekt in Z-Richtung erhöht. Bei der Auswahl einer dünneren dielektrischen Schicht bedeutet dies, dass Substrat und Film mit mehr Leimgehalt verwendet werden müssen; Wenn der Klebstoffgehalt jedoch höher ist, nehmen die thermische Ausdehnung und Spannung in Z-Richtung des Durchgangslochs wieder zu. Darüber hinaus erhöht die Verringerung des Durchgangsdurchmessers unweigerlich das Seitenverhältnis; Um die Zuverlässigkeit von plattierten Durchgangslöchern sicherzustellen, muss das Substrat daher eine geringere thermische Ausdehnung und eine bessere thermische Stabilität aufweisen.

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren wird das Layout der Durchgangslöcher enger angeordnet, wenn die Dichte der Leiterplattenkomponenten zunimmt. Dies wird jedoch das Lecken des Glasbündels verspannter machen und sogar in der Basisglasfaser zwischen den Lochwänden Brücken schlagen, was zu Kurzschluss führt. Dieses anodische Filamentleckagephänomen (CAF) ist eines der Themen, die sich mit Platten im bleifreien Zeitalter beschäftigen. Natürlich muss die neue Substratgeneration eine bessere CAF-Beständigkeit aufweisen, um häufige Bedingungen beim bleifreien Schweißen zu vermeiden.

2.2 Umweltschutzvorschriften

Umweltvorschriften fügen viele zusätzliche Anforderungen an Substrate mit politischer Intervention hinzu, wie RoHS- und WEEE-Richtlinien der Europäischen Union, die die Formulierung von Plattenspezifikationen beeinflussen werden. In vielen Vorschriften begrenzt ROHS den Bleigehalt beim Schweißen. Zinnbleitlöt wird seit vielen Jahren in Montageanlagen eingesetzt. Der Schmelzpunkt seiner Legierung ist 183 Grad Celsius, während die Temperatur des Schmelzschweißprozesses im Allgemeinen etwa 220 Grad Celsius ist. Zinn-Silber-Kupferlegierung des bleifreien Mainstream-Lots (wie sac305) hat einen Schmelzpunkt von etwa 217 Grad Celsius, und normalerweise ist die Spitzentemperatur beim Schmelzschweißen so hoch wie 245 Grad Celsius. Der Anstieg der Schweißtemperatur bedeutet, dass das Substrat eine bessere thermische Stabilität haben muss, um dem thermischen Schock zu widerstehen, der durch Mehrfachschweißen verursacht wird.

Die RoHS-Richtlinie verbietet auch einige halogenhaltige Flammschutzmittel, darunter polygeruchsiges Biphenyl PBB und PBDE. Die am häufigsten verwendeten Flammschutzmittel in PCB-Substraten, Tetraodorylbisphenol TBBA, stehen jedoch nicht auf der RoHS-Blacklist. Aufgrund der unsachgemäßen Aschereaktion von TBBA-haltigen Platten beim Aufheizen erwägen jedoch einige Maschinenmarken nach wie vor halogenfreie Materialien.

2.3 elektrische Anforderungen

Die Anwendung von Hochgeschwindigkeits-, Breitband- und Hochfrequenz zwingt die Platte, eine bessere elektrische Leistung zu haben, das heißt, die dielektrische Konstante DK und den Verlustfaktor DF, die nicht nur niedrig gehalten werden muss, sondern auch stabil in der gesamten Platine sein und gut kontrollierbar sein sollte. Wer diese elektrischen Anforderungen erfüllt, muss gleichzeitig in der thermischen Stabilität unterlegen sein. Nur so können ihre Marktnachfrage und ihre Marktanteile mit zunehmendem Wachstum erreicht werden.

3.Wichtige Eigenschaften des Substrats

Um die vom bleifreien Markt geforderte Wärmestabilität zu berücksichtigen, müssen folgende physikalische Eigenschaften beachtet werden: Glasübergangstemperatur (TG), Wärmeausdehnungskoeffizient CTEs und Rissfestigkeitstemperatur TD, die für bleifreies Hochtemperaturschweißen erforderlich ist,

Die Glasübergangstemperatur ist ein wichtiger Index, der am häufigsten verwendet wird, um die Eigenschaften von Harzsubstraten zu bewerten. Das sogenannte Tg des Harzes bezieht sich darauf, dass, wenn das Polymer auf einen bestimmten Temperaturbereich erhitzt wird, das Harz bei Raumtemperatur vom harten "Glaszustand" (ein allgemeiner Begriff für nicht feste feste Substanzen) in den plastischen und weichen "Gummizustand" bei hoher Temperatur wechselt. Die verschiedenen Eigenschaften verschiedener Platten vor und nach TG werden ganz unterschiedlich sein.

Alle Substanzen haben Expansions- und Kontraktionsänderungen aufgrund von Temperaturänderungen. Die Wärmeausdehnungsrate des Substrats vor TG ist in der Regel niedrig und moderat. Thermische mechanische Analyse (TMA) Die Änderung der Substratgröße entsprechend der Temperatur kann aufgezeichnet werden. Durch Extrapolation kann der Schnitt der gepunkteten Linie um die beiden Kurven verlängert werden, um die Temperatur anzuzeigen, die die Tg des Substrats ist. Der große Unterschied in der Steigung der Kurve vor und nach TG zeigt die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsraten der beiden, das heißt der sogenannte α 1 und α 2 Koeffizient der thermischen Ausdehnung (CTEs). Da das z-kte der Platte die Zuverlässigkeit der fertigen Platte beeinflusst und für die nachgelagerte Montage wichtiger ist, kann es nicht von allen Bedienern ignoriert werden. Es sollte beachtet werden, dass die Durchgangskupferwand mit geringer thermischer Ausdehnung auch weniger Stress zeigt, so dass die Zuverlässigkeit auch besser sein muss. Es wird jedoch allgemein angenommen, dass TG ein ziemlich fester Temperaturpunkt ist. Gemäß der radialen Kurve, wenn die Temperatur der Platte in der Nähe von TG ansteigt, beginnen sich ihre physikalischen Eigenschaften stark zu ändern.

Abbildung 1. Dies ist die Beschreibung von TMA zur Messung von Tg der Probe. Wenn die Plattendicke der z-Achse während der Probenwärmung allmählich zunimmt, wenn sich die Wärmeausdehnungskurve vom glasigen Zustand der Raumtemperatur α- 1cte Neigung ändert, Übergang zum Gummizustand der hohen Temperatur α- Für 2cte Neigung ist der Temperaturbereich, der dem Übergangszustand entspricht, TG

Neben der TMA-Testmethode gibt es auch Differenzkalorimetrie (DSC) und dynamische thermische Motorenanalyse TG kann auf zwei Arten gemessen werden. Anders als TMA misst die DSC-Analyse den Wärmestrom der Platte entsprechend der Temperaturänderung. Endotherme oder exotherme Reaktionen verändern den Temperaturanstieg des Harzes im TG-Bereich. Bei TG, gemessen mit DSC, ist es in der Regel etwa 5 Grad Celsius höher als TMA-Messergebnisse. DMA einer anderen dynamischen thermomechanischen Analysemethode ist, die Beziehung zwischen Plattenmodul und Temperatur zu messen. Es wird höher als 15° Celsius sein, und die IPC-Spezifikation ist konsistenter mit der Messung von TMA.

Zusätzlich zur Messung des Tg der fertigen Platte kann das obige TMA-Wärmeanalysegerät die fertige Platte auch in seine Hochtemperaturprüfschale legen und die hitzebeständige Rissdauer verschiedener fertiger Platten in Z-Richtung in der eingestellten Hochtemperaturumgebung von 260 Grad Celsius, 288 Grad Celsius oder 300 Grad Celsius überwachen, bezeichnet als T260, t288 und T300 kurz, um zu simulieren, ob es Plattenburst- und Rissschicht beim mehrfachen bleifreien Schweißen gibt. Derzeit ipc-4101b Die oben genannten drei Verfahren wurden in die Spezifikationsliste aufgenommen, die aufgrund der bleifreien Eigenschaften als eine wesentliche Reform der FR-4-Platte angesehen werden kann.

3.2 Interpretation des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTEs)

Viele Literaturen weisen darauf hin, dass hohe Tg eine gute Harzqualität darstellt, aber dies ist nicht immer der Fall für bleifreies Schweißen. Im Allgemeinen verzögert hohe Tg zweifellos die Anfangstemperatur vor der schnellen thermischen Ausdehnung des Harzes, und seine allgemeine thermische Ausdehnung variiert je nach Plattentyp. Die allgemeine thermische Ausdehnung der Platte mit niedrigem Tg ist ebenfalls geringer. Die CTE der drei Harzmaterialien, die in Abbildung 2 oben gezeigt werden, zeigt, dass die Tg des Materials C höher ist als die des Materials a, aber die CTE des Materials C steigt schnell nach TG, so dass die allgemeine thermische Ausdehnung viel größer und schlechter als die des Materials A. Nehmen Sie a und B als Beispiel, Wenn die CTE der beiden Materialien vor und nach TG gleich ist, wird die gesamte thermische Ausdehnung des Materials B mit höherem Tg immer noch niedriger sein als die des Materials A. Schließlich, obwohl die Tg des Materials B und C die gleichen sind, aufgrund B. Die CTE nach TG ist niedrig, so dass die allgemeine thermische Ausdehnung von B relativ klein ist.

Es kann auch gesehen werden, dass die Tg der drei Platten 175 Grad Celsius beträgt, aber der thermische Ausdehnungskoeffizient der gleichen z-Achse ist unterschiedlich, was zu der Differenz der Wärmeausdehnungsrate führt. Der Hauptunterschied der drei Materialien in Abbildung 3 ist der Wärmeausdehnungskoeffizient, nachdem TG α- 2cte unterschiedlich ist. Mit einem Wort, je niedriger der Gesamtwärmeausdehnungskoeffizient der Platte hilft, die Zuverlässigkeit der Durchgangskupferwand zu verbessern.

In der Tat ist dies nicht immer der Fall! Bevor wir weitere wichtige Eigenschaften des Substrats diskutieren, müssen wir zunächst die Beziehung zwischen TG und CTE erklären. Einer der Vorteile der hohen Tg-Platte ist, dass der z-Achsen-Wärmeausdehnungskoeffizient niedrig ist, so dass es eine geringe thermische Gesamtausdehnung hat. Daher kann es das ungünstige Phänomen der schnellen thermischen Ausdehnung nach TG verzögern und die Restspannung in der Kupferwand reduzieren.

In einigen speziellen Fällen kann die CTE der hohen Tg-Platte jedoch größer sein als die der niedrigen Tg-Platte. Daher muss CTE bei der Auswahl der Platte berücksichtigt werden. Obwohl die Tg jeder Platte gleich ist, kann ihre CTE auch unterschiedlich sein. Wenn der thermische Zyklustest durchgeführt wird, wird die Spannung, die durch die Durchgangskupferwand gefühlt wird, auch unterschiedlich sein. Material C in Abbildung 3 hat die doppelten Vorteile von hoher Tg und niedriger CTE gleichzeitig.