Conception électronique - Tendances de l'industrie et importance des substrats de carte de circuit imprimé

1. Innovation continue pour la feuille fr - 4

En bref, le substrat d'une carte de circuit imprimé comprend principalement trois matières premières: une feuille de cuivre, une résine et un matériau de renforcement. Cependant, si nous étudions davantage le substrat actuel et examinons comment il a changé au fil des ans, nous constatons que la complexité du contenu du substrat est inimaginable. En raison des exigences de plus en plus strictes des fabricants de cartes de circuits imprimés pour la qualité des substrats à l'ère sans plomb, les performances et les spécifications des résines et des substrats deviendront sans aucun doute plus complexes. Le défi pour les fournisseurs de substrats est de trouver le meilleur équilibre entre les différents besoins des clients afin d'obtenir les avantages de production les plus économiques et de fournir leurs données de produit à l'ensemble de la chaîne d'approvisionnement comme référence.

L'histoire du développement de la plaque fr - 4 Variety view, depuis de nombreuses années, certains opérateurs considèrent que la plaque fr - 4 est épuisée et se tournent donc vers d'autres alternatives hautes performances. Chaque exigence de spécification supplémentaire, les fournisseurs de plaques doivent s'efforcer de répondre aux besoins de leurs clients. Au cours des dernières années, la tendance la plus évidente du marché a été une forte augmentation de la demande de tôles à TG élevé. En effet, la compréhension du problème TG par de nombreux opérateurs semble indiquer qu'un TG élevé présente un rendement élevé ou une meilleure fiabilité. L'un des principaux objectifs de cet article est d'expliquer que les caractéristiques requises pour la prochaine génération de plaques fr - 4 ne peuvent pas être pleinement exprimées en TG, de sorte que de nouvelles spécifications avec une forte résistance à la chaleur sont proposées pour relever le défi du soudage sans plomb.

2. Spécifications du substrat leader de la tendance de l'industrie

Une série de tendances industrielles continues favorisera le marché et l'adoption de feuilles reformulées. Ces tendances comprennent les tendances en matière de conception de panneaux multicouches, les réglementations environnementales et les besoins électriques décrits ci - dessous:

2.1 Tendances en matière de conception multiplateforme

À l'heure actuelle, l'une des tendances de conception des PCB est l'augmentation de la densité de câblage. Il y a trois façons d'atteindre cet objectif: Tout d'abord, réduire la largeur et l'espacement des lignes afin que l'unité de surface puisse accueillir un câblage de plus en plus dense; Deuxièmement, augmenter le nombre de couches de la carte; Enfin, l'ouverture et la taille des plots sont réduites.

Cependant, lorsque plus de lignes sont distribuées par unité de surface, la température de fonctionnement augmente nécessairement. De plus, à mesure que le nombre de couches de la carte augmente, la carte finie s'épaissit nécessairement de manière synchrone. Sinon, il ne peut être pressé qu'avec une couche diélectrique plus mince pour conserver son épaisseur d'origine. Plus le PCB est épais, plus la contrainte thermique sur les parois du via causée par l'accumulation de chaleur augmente, ce qui augmentera l'effet de dilatation thermique dans la direction Z. Lorsque l'on choisit une couche diélectrique plus fine, il est nécessaire d'utiliser un substrat et un film contenant plus de colle; Cependant, si la teneur en colle est plus élevée, la dilatation thermique et les contraintes des Vias dans la direction Z augmenteront à nouveau. En outre, la réduction du diamètre du trou traversant augmente inévitablement le rapport d'aspect; Ainsi, pour assurer la fiabilité des trous métallisés, le substrat doit présenter une dilatation thermique plus faible et une meilleure stabilité thermique.

En plus des facteurs ci - dessus, lorsque la densité des composants assemblés de la carte augmente, la disposition des Vias sera alignée plus étroitement. Cependant, cela peut rendre la fuite du faisceau de verre plus tendue, voire pontée dans les fibres de verre de base entre les parois des trous, provoquant un court - circuit. Ce phénomène de fuite filamenteuse anodique (CAF) est l'une des préoccupations des gens à l'ère sans plomb. Bien sûr, les substrats de nouvelle génération doivent avoir une meilleure résistance CAF pour éviter les cas fréquents de soudage sans plomb.

2.2 règlements sur la protection de l'environnement

Les réglementations environnementales ont ajouté de nombreuses exigences supplémentaires pour les substrats, telles que les directives ROHS et WEEE de l'Union européenne, à la suite d'une intervention politique qui affectera l'élaboration des spécifications des plaques. Dans de nombreuses réglementations, ROHS limite la quantité de plomb dans le processus de soudage. La soudure étain - plomb est utilisée dans les usines d'assemblage depuis de nombreuses années. Son alliage a un point de fusion de 183 degrés Celsius, tandis que le processus de soudage par fusion a généralement une température d'environ 220 degrés Celsius. Les alliages étain - argent - cuivre (tels que sac305) de la soudure principale sans plomb ont un point de fusion d'environ 217 degrés Celsius, et généralement la température maximale pendant le soudage par fusion peut atteindre 245 degrés Celsius. L'augmentation de la température de soudage signifie que le substrat doit avoir une meilleure stabilité thermique pour résister aux chocs thermiques causés par plusieurs soudures par fusion.

La Directive RoHS interdit également certains retardateurs de flamme contenant des halogènes, notamment les biphényles polybromés et les PBDE. Cependant, le retardateur de flamme le plus couramment utilisé dans les substrats de PCB, le bisphénol tétra - aromatisé tbba, ne figure pas sur la liste noire ROHS. Néanmoins, certaines marques de machines envisagent d'adopter des matériaux sans halogène en raison de la réaction de grisonnement inappropriée des tôles contenant du tbba lorsqu'elles sont chauffées.

2.3 exigences électriques

L'application de la vitesse élevée, de la large bande et des radiofréquences oblige la carte à avoir de meilleures propriétés électriques, c'est - à - dire une constante diélectrique DK et un facteur de perte DF, qui doivent non seulement rester faibles, mais également stables dans toute la carte et qui doivent être contrôlables. Ceux qui répondent à ces exigences électriques doivent en même temps être désavantagés en termes de stabilité thermique. Ce n'est qu'alors que leur demande et leur part de marché seront acquises à mesure qu'elles augmenteront.

3. Propriétés importantes du substrat

Pour tenir compte de la stabilité thermique requise sur le marché sans plomb, les propriétés physiques à prendre en compte sont: la température de transition vitreuse (Tg) requise pour le soudage sans plomb à haute température, le coefficient de dilatation thermique ctes et la température de résistance à la fissuration TD,

La température de transition vitreuse est un indicateur important le plus souvent utilisé pour évaluer les propriétés des substrats en résine. Par TG de la résine, on entend que lorsque le polymère est chauffé dans une certaine plage de température, la résine passe d'un « état vitreux» dur à température ambiante (terme collectif désignant les substances solides non fixées) à un « état caoutchouteux» plastique et souple à haute température. Les différentes propriétés des différentes plaques avant et après TG varient considérablement.

Toutes les substances subissent des variations de dilatation et de contraction dues aux changements de température. Le taux de dilatation thermique du substrat avant TG est généralement faible et moyen. L'analyse thermomécanique (tma) permet d'enregistrer l'évolution de la taille du substrat en fonction de la température. Par extrapolation, l'intersection des lignes pointillées prolongées par deux courbes peut être utilisée pour indiquer la température, c'est - à - dire la TG du substrat. La grande différence de pente des courbes avant et arrière du TG montre que les taux de dilatation thermique sont différents pour les deux, appelés coefficients de dilatation thermique (CTE) Isla ± 1 et Isla ± 2. Étant donné que le Z - Cte de la tôle affecte la fiabilité de la tôle finie et est plus important pour l'assemblage en aval, il ne peut pas être ignoré par tous les opérateurs. Il est à noter qu'une paroi de cuivre traversant peu dilatée thermiquement présente également moins de contraintes et donc une meilleure fiabilité. Cependant, il est généralement admis que le TG est un point de température assez fixe. En fait, ce n'est pas le cas: selon la courbure curviligne, les propriétés physiques de la plaque commenceront à changer radicalement lorsque sa température s'élèvera au voisinage de TG.

Figure 1. Il s'agit de la description du TMA utilisé pour mesurer l'échantillon TG. Lorsque l'épaisseur de la plaque de l'axe Z augmente progressivement pendant le chauffage de l'échantillon, la courbe de dilatation thermique passe de l'état vitreux à température ambiante à une pente de 1 ° C à l'état de gomme à haute température. Pour une pente de 2 ° C, la plage de température correspondante à l'état de transition est TG.

En plus de la méthode de test TMA, il existe également une calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et une analyse dynamique du moteur thermique. La TG peut être mesurée par deux méthodes. Contrairement au TMA, l'analyse DSC mesure le flux de chaleur de la plaque qui correspond à la variation de température. Une réaction endothermique ou exothermique modifiera l'élévation de température de la résine dans la gamme TG. Quant à la TG mesurée par DSC, elle est généralement supérieure d'environ 5 degrés Celsius aux résultats des mesures TMA. Une autre méthode d'analyse thermomécanique dynamique DMA est la mesure de la relation entre le module de la plaque et la température. Il sera supérieur à 15 degrés Celsius et les spécifications IPC sont plus cohérentes avec les mesures de TMA.

En plus de mesurer la TG de la plaque finie, l'instrument d'analyse thermique TMA ci - dessus peut également placer la plaque finie dans son disque d'essai à haute température et surveiller la durée de résistance à la fissuration thermique dans la direction Z de diverses plaques finies dans un environnement à haute température de 260 degrés Celsius, 288 degrés Celsius ou 300 degrés Celsius (appelé t260), T288 et t300 sont abrégés pour simuler l'apparition de couches d'éclatement et de fissuration de tôle lors de plusieurs soudures sans plomb. À l'heure actuelle, IPC - 4101b les trois pratiques susmentionnées figurent sur la liste des spécifications, ce qui peut être considéré comme une réforme majeure de la plaque fr - 4 en raison de son absence de plomb.

3.2 interprétation du coefficient de dilatation thermique (CTE)

De nombreux documents montrent qu'une TG élevée représente une bonne qualité de résine, mais ce n'est pas toujours le cas pour le soudage sans plomb. En général, une TG élevée retarde sans aucun doute la température initiale avant la dilatation thermique rapide de la résine, dont la dilatation thermique globale varie selon le type de plaque. La dilatation thermique globale des plaques à faible TG est également moindre. De plus, l'ajout d'une certaine charge à la résine permet également d'abaisser la température. Les Cte des trois matériaux résineux représentés sur la figure 2 ci - dessus montrent que la TG du matériau c est supérieure à celle du matériau a, mais que la cte du matériau C augmente rapidement après TG, de sorte que la dilatation thermique globale est beaucoup plus importante et pire que celle du matériau A. Prenons par example A et B, Si les cte avant et après TG sont identiques pour les deux matériaux, la dilatation thermique totale du matériau B à TG plus élevée sera encore inférieure à celle du matériau A. Enfin, bien que les TG des matériaux B et c soient identiques, le CTE après TG est plus faible à cause de B et la dilatation thermique globale de b est donc relativement faible.

On voit également que la TG des trois plaques est de 175 degrés Celsius, mais que les coefficients de dilatation thermique de l'axe isoz sont différents, ce qui entraîne des taux de dilatation thermique différents. La principale différence entre les trois matériaux de la figure 3 réside dans le fait que les coefficients de dilatation thermique après îlot TG ± - 2 CT diffèrent les uns des autres. En conclusion, plus le coefficient global de dilatation thermique de la plaque est faible, cela contribuera à améliorer la fiabilité des parois en cuivre traversantes.

En fait, ce n’est pas toujours le cas! Avant de passer aux autres propriétés importantes de la matrice, nous devons d'abord expliquer la relation entre Tg et cte. L'un des avantages des plaques à TG élevée est le faible coefficient de dilatation thermique de l'axe Z et donc la faible dilatation thermique globale. Il permet ainsi de retarder les phénomènes défavorables de dilatation thermique rapide après Tg et de réduire les contraintes résiduelles dans les parois en cuivre.

Cependant, dans quelques cas particuliers, le Cte d'une plaque de TG élevée peut être supérieur à celui d'une plaque de TG faible. Le cte doit donc être pris en compte lors du choix des plaques. Bien que la TG de chaque plaque soit la même, son cte peut également être différent. Les contraintes ressenties par les parois en cuivre du trou traversant peuvent également varier lorsque des essais de cyclage thermique sont effectués. Le matériau C de la figure 3 présente simultanément le double avantage d'une TG élevée et d'un cte faible.