Diseño electrónico - Tendencias e importancia de la industria de los sustratos de placas de circuito

1. innovación continua de las placas FR - 4

En resumen, el sustrato de la placa de circuito incluye principalmente tres materias primas: lámina de cobre, resina y refuerzo. Sin embargo, si estudiamos más a fondo la matriz actual y examinamos sus cambios a lo largo de los años, encontraremos que la complejidad del contenido de la matriz es inimaginable. En la era sin plomo, debido a los requisitos cada vez más estrictos de los fabricantes de placas de circuito para la calidad de los sustratos, las propiedades y especificaciones de la resina y los sustratos sin duda se volverán más complejas. El desafío para los proveedores de sustratos es encontrar el mejor equilibrio entre las diversas necesidades de los clientes para obtener los beneficios de producción más económicos y proporcionar datos de sus productos a toda la cadena de suministro como referencia.

Mirando el desarrollo de las tablas FR - 4, algunos operadores han creído durante muchos años que las tablas FR - 4 están agotadas, por lo que han recurrido a otras alternativas de alto rendimiento. Cada vez que se añaden los requisitos de especificación, el proveedor de placas debe esforzarse por satisfacer las necesidades del cliente. En los últimos años, la tendencia de desarrollo más obvia del mercado es el aumento sustancial de la demanda de placas de alta tg. De hecho, la comprensión de muchos operadores del problema de los Tg parece indicar que los Tg altos tienen alta eficiencia o mejor fiabilidad. Uno de los principales objetivos de este artículo es explicar que las características necesarias para la próxima generación de placas FR - 4 no se pueden expresar completamente con tg, por lo que se proponen nuevas especificaciones más resistentes al calor para hacer frente al desafío de la soldadura sin plomo.

2. las tendencias de la industria lideran las especificaciones del sustrato

Una serie de tendencias industriales continuas impulsarán el mercado y la adopción de placas reformuladas. Estas tendencias incluyen las tendencias de diseño de los paneles multicapa, las regulaciones ambientales y las necesidades eléctricas, que se describen a continuación:

2.1. Tendencias del diseño de múltiples tablas

En la actualidad, una de las tendencias de diseño de los PCB es aumentar la densidad de cableado. Hay tres maneras de lograr este objetivo: primero, reducir el ancho y la distancia de la línea para que la unidad de área pueda acomodar un cableado cada vez más denso; El segundo es aumentar el número de capas de placas de circuito; Finalmente, se redujeron el tamaño del agujero y el tamaño de la almohadilla.

Sin embargo, cuando se distribuyen más líneas por unidad de superficie, la temperatura de funcionamiento inevitablemente aumentará. Además, con el aumento del número de capas de placas de circuito, las placas terminadas inevitablemente se engrosarán simultáneamente. De lo contrario, solo se puede suprimir con una capa dieléctrica más delgada para mantener el espesor original. Cuanto más grueso sea el pcb, mayor será el esfuerzo térmico de la pared del agujero causado por la acumulación de calor, lo que aumentará el efecto de expansión térmica en la dirección Z. Al seleccionar una capa dieléctrica más delgada, significa que se deben usar sustratos y películas con mayor contenido de pegamento; Sin embargo, si el contenido de pegamento es mayor, la expansión térmica y el estrés del agujero a través en la dirección Z aumentarán nuevamente. Además, la reducción del diámetro del agujero aumenta inevitablemente la relación vertical y horizontal; Por lo tanto, para garantizar la fiabilidad del agujero de chapado, el sustrato debe tener una expansión térmica más baja y una mejor estabilidad térmica.

Además de los factores anteriores, cuando aumenta la densidad de los componentes de montaje de la placa de circuito, la disposición de los agujeros a través se alineará más estrechamente. Sin embargo, esto hace que las fugas de los haces de vidrio sean más tensas e incluso se puente entre las paredes de los agujeros de fibra de vidrio de la base, lo que provoca un cortocircuito. Este fenómeno de fuga de alambre de ánodo (caf) es una de las preocupaciones de la gente en la era sin plomo. Por supuesto, la nueva generación de sustratos debe tener una mejor resistencia CAF para evitar condiciones frecuentes en la soldadura sin plomo.

2.2 regulación de la protección del medio ambiente

Las regulaciones ambientales añaden muchos requisitos adicionales a los sustratos bajo intervención política, como las directivas RoHS y WEEE de la ue, lo que afectará el desarrollo de las especificaciones de las placas. En muchas regulaciones, el RoHS limita el contenido de plomo durante el proceso de soldadura. La soldadura de estaño y plomo se ha utilizado en plantas de montaje durante muchos años. El punto de fusión de su aleación es de 183 grados centígrados, mientras que la temperatura del proceso de soldadura por fusión suele ser de unos 220 grados centígrados. Las aleaciones de estaño, plata y cobre (como sac305) de soldadura convencional sin plomo tienen un punto de fusión de unos 217 grados centígrados, y la temperatura máxima en la soldadura por fusión suele ser tan alta como 245 grados centígrados. El aumento de la temperatura de soldadura significa que el sustrato debe tener una mejor estabilidad térmica para soportar el impacto térmico causado por múltiples soldadura por fusión.

La directiva RoHS también prohíbe algunos retardantes de llama que contengan halógenos, incluidos los bifenilos polibromados polibromados y los polibromados. Sin embargo, el retardante de llama más utilizado en los sustratos de pcb, el bptbba de cuatro sabores, no está en la lista negra de rohs. Sin embargo, algunas marcas de máquinas consideran el uso de materiales libres de halógenos debido a la reacción inadecuada de incineración de las placas que contienen tbba durante el calentamiento.

2.3 requisitos eléctricos

Las aplicaciones de alta velocidad, banda ancha y radiofrecuencia obligan a las placas a tener un mejor rendimiento eléctrico, es decir, constante dieléctrica DK y factor de pérdida df, que no solo deben mantenerse bajas, sino también estables en toda la placa, y deben tener una buena controlabilidad. Aquellos que cumplan con estos requisitos eléctricos deben tener una mala estabilidad térmica Al mismo tiempo. Solo de esta manera, su demanda y cuota de mercado se pueden obtener a medida que crecen.

3. propiedades importantes del sustrato

Para considerar la estabilidad térmica necesaria para el mercado sin plomo, las propiedades físicas a las que hay que prestar atención incluyen: la temperatura de transición vítrea (tg), el coeficiente de expansión térmica Ctes y la temperatura anti - agrietamiento TD necesarios para la soldadura sin plomo a alta temperatura.

La temperatura de transición vítrea es un indicador importante para evaluar las propiedades de los sustratos de resina. El llamado Tg de resina se refiere a que cuando el polímero se calienta a un cierto rango de temperatura, la resina cambiará de un "estado de vidrio" duro a temperatura ambiente (término general para sustancias sólidas no fijas) a un "estado de caucho" plástico y suave a alta temperatura. las diversas propiedades de las diversas placas antes y después de Tg serán muy diferentes.

Todas las sustancias experimentan cambios de expansión y contracción debido a los cambios de temperatura. La tasa de expansión térmica del sustrato antes del Tg suele ser baja y media. El análisis termomecánico (tma) puede registrar los cambios en el tamaño del sustrato con la temperatura. Por extrapolación, la intersección de las líneas punteadas que se extienden por dos curvas se puede utilizar para indicar la temperatura, es decir, el Tg del sustrato. La gran diferencia en la pendiente de la curva antes y después del Tg indica que la tasa de expansión térmica es diferente entre los dos, el llamado coeficiente de expansión térmica (etc). dado que el z - Cte de la placa afecta la fiabilidad de la placa terminada, es más importante para el montaje aguas abajo, no puede ser ignorado por todos los operadores. Cabe señalar que las paredes de cobre a través de agujeros con menor expansión térmica también mostrarán menor tensión, por lo que la fiabilidad también debe ser mejor. Sin embargo, en general se considera que el Tg es un punto de temperatura bastante fijo. De hecho, esto no se basa en el arco de la curva, cuando la temperatura de la placa sube cerca del tg, sus propiedades físicas comienzan a cambiar mucho.

Figura 1. Esta es la descripción del TMA utilizado para medir la muestra tg. Cuando el espesor de la placa del eje Z aumenta gradualmente durante el calentamiento de la muestra, cuando la curva de expansión térmica cambia de Estado de vidrio a temperatura ambiente a pendiente de 1 ° c, se cambia a Estado de caucho de alta temperatura. para la pendiente de 2 ° c, el rango de temperatura correspondiente al Estado de transformación es tg.

Además del método de prueba tma, hay dos métodos para medir tg, el método térmico de escaneo diferencial (dsc) y el método de análisis térmico dinámico del motor. A diferencia del tma, el análisis DSC mide los cambios de temperatura correspondientes al flujo de calor de la placa. La reacción de absorción o liberación de calor puede cambiar el aumento de la temperatura de la resina dentro del rango de tg. En cuanto a los Tg medidos a través del dsc, generalmente son unos 5 grados centígrados más altos que los resultados de las mediciones del tma. Otro método de análisis termomecánico dinámico de la DMA es medir la relación entre el módulo de la placa y la temperatura. será superior a 15 grados centígrados y la especificación IPC será más consistente con la medición de tma.

Además de medir el Tg de la placa terminada, el analizador térmico TMA mencionado anteriormente también puede colocar la placa terminada en su disco de prueba de alta temperatura y monitorear el tiempo de agrietamiento térmico de varias placas terminadas en la dirección Z en un ambiente de alta temperatura establecido de 260 grados celsius, 288 grados Celsius o 300 grados celsius, conocido como t260, t288 y t300, para simular si habrá grietas y grietas en la placa en varias soldadura sin plomo. En la actualidad, las tres prácticas mencionadas en el IPC - 4101b se han incluido en la lista de normas, lo que puede considerarse una reforma importante de la Junta FR - 4 debido a la sin plomo.

3.2 interpretación del coeficiente de expansión térmica (ctes)

Muchas literaturas han demostrado que el alto Tg representa una buena calidad de resina, pero la soldadura sin plomo no siempre es así. Por lo general, el alto Tg sin duda retrasa la temperatura inicial antes de la rápida expansión térmica de la resina, y su expansión térmica general varía según el tipo de placa. La expansión térmica general de las placas con bajo Tg también es menor. Además, añadir algunos rellenos a la resina también puede reducir la temperatura. el coeficiente de expansión térmica de los tres materiales de resina que se muestra en la figura 2 anterior muestra que el material C tiene un Tg superior al material a, pero el índice de expansión térmica del material C aumenta rápidamente después del tg, por lo que la expansión térmica general Es mucho mayor y peor que el material A. en el caso de A y b, si la tasa de expansión térmica de los dos materiales es la misma antes y después del tg, la tasa de expansión térmica total del material B con un Tg más alto seguirá siendo inferior a la del material A.

También se puede ver que el Tg de las tres placas es de 175 grados celsius, pero el coeficiente de expansión térmica del eje Z es diferente, lo que resulta en una tasa de expansión térmica diferente. La principal diferencia entre los tres materiales en la figura 3 es que el coeficiente de expansión térmica después de Tg Island - 2ct es diferente. En resumen, cuanto menor sea el coeficiente de expansión térmica general de la placa, ayudará a mejorar la fiabilidad de la pared de cobre a través del agujero.

¡De hecho, ¡ la situación no siempre es así! Antes de seguir discutiendo otras propiedades importantes de la matriz, primero debemos explicar la relación entre Tg y cte. Una de las ventajas de las placas de alta Tg es el bajo coeficiente de expansión térmica del eje z, por lo que la expansión térmica general es baja. Por lo tanto, puede retrasar los efectos adversos de la rápida expansión térmica después del Tg y reducir las tensiones residuales en las paredes de cobre.

Sin embargo, en unos pocos casos especiales, el CTE de las placas de Tg alto puede ser mayor que el de las placas de Tg bajo. Por lo tanto, el CTE debe considerarse al seleccionar la placa. Aunque el Tg de cada placa es el mismo, su Cte también puede ser diferente. Cuando se realiza una prueba de ciclo térmico, el estrés sentido en la pared de cobre a través del agujero también será diferente. El material C de la figura 3 tiene la doble ventaja de un alto Tg y un bajo Cte al mismo tiempo.