Progettazione PCB - Tendenza industriale e importanza del substrato del circuito stampato

1. Innovazione continua della piastra FR-4

In breve, il substrato del circuito stampato comprende principalmente tre materie prime: foglio di rame, resina e materiale di rinforzo. Tuttavia, se studiamo ulteriormente il substrato attuale ed esaminiamo i suoi cambiamenti nel corso degli anni, scopriremo che la complessità del contenuto del substrato è inimmaginabile. A causa dei requisiti sempre più stringenti dei produttori di circuiti stampati per la qualità del substrato nell'era senza piombo, le prestazioni e le specifiche di resina e substrato diventeranno senza dubbio più complesse. La sfida per i fornitori di substrati consiste nel trovare il miglior equilibrio tra le diverse esigenze dei clienti al fine di ottenere i vantaggi più economici della produzione e fornire i loro dati di prodotto all'intera catena di fornitura come riferimento.

Prendendo una visione completa della storia di sviluppo della piastra FR-4, nel corso degli anni, alcuni operatori hanno sempre creduto che la piastra FR-4 fosse esaurita, quindi si rivolgono ad altri sostituti ad alte prestazioni. Ogni volta che i requisiti delle specifiche sono aumentati, il fornitore della piastra deve lavorare duro per soddisfare le esigenze dei clienti. Negli ultimi anni, la tendenza di sviluppo più evidente del mercato è il grande aumento della domanda di piastre ad alto Tg. Infatti, la comprensione di molti operatori sulle questioni TG sembra indicare che un elevato Tg ha un'elevata efficienza o una migliore affidabilità. Uno degli scopi principali di questo articolo è quello di spiegare che le caratteristiche richieste per la piastra FR-4 di prossima generazione non possono essere pienamente espresse dal TG, quindi è quello di presentare più nuove specifiche per una forte resistenza al calore per rispondere alla sfida della saldatura senza piombo.

2. Tendenze industriali principali specifiche del substrato

Una serie di tendenze industriali in corso promuoverà il mercato e l'adozione di lastre riformulate. Queste tendenze includono la tendenza alla progettazione di piastre multistrato, le normative di protezione ambientale e la domanda elettrica, che sono descritte di seguito:

2.1. tendenza di progettazione di multi piatto

Allo stato attuale, una delle tendenze di progettazione del PCB è migliorare la densità di cablaggio. Ci sono tre metodi per raggiungere questo obiettivo: in primo luogo, ridurre la larghezza della linea e la distanza della linea, in modo che un cablaggio sempre più denso possa essere ospitato per unità di area; Il secondo è quello di aumentare il numero di strati del circuito; Infine, il diametro dei pori e le dimensioni del cuscinetto di saldatura sono ridotti.

Tuttavia, quando più linee sono distribuite per unità di area, la temperatura di esercizio è destinata ad aumentare. Inoltre, con il numero crescente di strati del circuito stampato, la scheda finita è legata ad addensare sincrono. Altrimenti, può essere premuto solo con uno strato dielettrico più sottile per mantenere lo spessore originale. Più spesso il PCB, più lo stress termico della parete passante del foro causato dall'accumulo di calore aumenterà, il che aumenterà l'effetto di espansione termica nella direzione Z. Quando si seleziona uno strato dielettrico più sottile, significa che il substrato e la pellicola con più contenuto di colla devono essere utilizzati; Tuttavia, se il contenuto di colla è più alto, l'espansione termica e lo stress nella direzione Z del foro passante aumenteranno di nuovo. Inoltre, riducendo il diametro del foro passante aumenta inevitabilmente il rapporto di aspetto; Pertanto, al fine di garantire l'affidabilità dei fori placcati, il substrato deve avere una minore espansione termica e una migliore stabilità termica.

Oltre ai fattori di cui sopra, quando aumenta la densità dei componenti di assemblaggio del circuito stampato, il layout dei fori passanti sarà organizzato più da vicino. Tuttavia, questo renderà la perdita del fascio di vetro più tesa e persino il ponte nella fibra di vetro di base tra le pareti del foro, con conseguente cortocircuito. Questo fenomeno di perdita filamentosa anodica (CAF) è uno degli argomenti interessati alle piastre nell'era senza piombo. Naturalmente, la nuova generazione di substrati deve avere una migliore resistenza CAF per evitare condizioni frequenti nella saldatura senza piombo.

2.2 Norme in materia di protezione dell'ambiente

Le normative ambientali aggiungono molti requisiti aggiuntivi per substrati con intervento politico, come le direttive RoHS e RAEE dell'Unione Europea, che influenzeranno la formulazione delle specifiche delle piastre. In molte normative, ROHS limita il contenuto di piombo durante la saldatura. La saldatura al piombo di stagno è stata utilizzata negli impianti di assemblaggio per molti anni. Il punto di fusione della sua lega è 183 gradi Celsius, mentre la temperatura del processo di saldatura di fusione è generalmente di circa 220 gradi Celsius. La lega di rame d'argento di stagno della saldatura principale senza piombo (come sac305) ha un punto di fusione di circa 217 gradi Celsius e solitamente la temperatura di picco durante la saldatura di fusione sarà alta fino a 245 gradi Celsius. L'aumento della temperatura di saldatura significa che il substrato deve avere una migliore stabilità termica per resistere allo shock termico causato dalla saldatura a fusione multipla.

La direttiva RoHS vieta anche alcuni ritardanti di fiamma contenenti alogeni, tra cui PBB poliodoroso bifenile e PBDE. Tuttavia, i ritardanti di fiamma più comunemente usati nei substrati PCB, tetraodorilbisfenolo TBBA, non sono nella lista nera RoHS. Tuttavia, a causa della reazione di lavaggio impropria delle piastre contenenti TBBA durante il riscaldamento, alcune marche di macchine considerano ancora l'adozione di materiali privi di alogeni.

2.3 Requisiti elettrici

L'applicazione dell'alta velocità, della banda larga e della radiofrequenza obbliga la piastra ad avere migliori prestazioni elettriche, cioè la costante dielettrica DK e il fattore di perdita DF, che non solo devono essere mantenuti bassi, ma anche stabili in tutta la scheda e dovrebbero essere ben controllabili. Coloro che soddisfano questi requisiti elettrici devono essere inferiori in termini di stabilità termica allo stesso tempo. Solo così la domanda e la quota di mercato possono essere ottenute con l'aumento.

3. Proprietà importanti del substrato

Al fine di considerare la stabilità termica richiesta dal mercato senza piombo, le proprietà fisiche che devono essere prestate attenzione includono: temperatura di transizione del vetro (TG), coefficiente di espansione termica CTE e temperatura di resistenza alla rottura TD necessaria per la saldatura senza piombo ad alta temperatura,

La temperatura di transizione del vetro è un indice importante più comunemente utilizzato per valutare le proprietà dei substrati resinici. Il cosiddetto Tg di resina si riferisce al fatto che quando il polimero viene riscaldato ad un certo intervallo di temperatura, la resina cambierà dallo "stato di vetro duro" (un termine generale per le sostanze solide non fisse) a temperatura ambiente allo "stato di gomma" plastico e morbido ad alta temperatura Le varie proprietà di varie piastre prima e dopo TG saranno abbastanza diverse.

Tutte le sostanze avranno variazioni di espansione e contrazione dovute a cambiamenti di temperatura. Il tasso di espansione termica del substrato prima del TG è solitamente basso e moderato. Analisi meccanica termica (TMA) Il cambiamento della dimensione del substrato corrispondente alla temperatura può essere registrato. Per estrapolazione, l'intersezione della linea tratteggiata estesa dalle due curve può essere utilizzata per indicare la temperatura, che è il Tg del substrato. La grande differenza nella pendenza della curva prima e dopo TG mostra i diversi tassi di espansione termica dei due, cioè il cosiddetto coefficiente di espansione termica α 1 e α 2 (CTE) Poiché lo z-cte della piastra influenzerà l'affidabilità della piastra finita ed è più importante per il montaggio a valle, non può essere ignorato da tutti gli operatori. Va notato che la parete di rame passante con piccola espansione termica mostrerà anche meno stress, quindi l'affidabilità deve anche essere migliore. Tuttavia, si ritiene generalmente che TG sia un punto di temperatura abbastanza fisso. Infatti, non è Secondo la curva radiante, quando la temperatura della piastra sale vicino a TG, le sue proprietà fisiche inizieranno a cambiare notevolmente.

Figura 1. Questa è la descrizione di TMA per misurare Tg del campione. Quando lo spessore della piastra dell'asse z aumenta gradualmente durante il riscaldamento del campione, quando la curva di espansione termica cambia dallo stato di vetro della temperatura ambiente α- 1cte pendenza, transizione allo stato di gomma ad alta temperatura α- Per la pendenza 2cte, l'intervallo di temperatura corrispondente allo stato di transizione è TG

Oltre al metodo di prova TMA, ci sono anche la calorimetria differenziale a scansione (DSC) e l'analisi dinamica del motore termico TG può essere misurata in due modi. Diversamente dal TMA, l'analisi DSC misura il flusso termico della piastra corrispondente al cambiamento di temperatura. La reazione endotermica o esotermica cambierà l'aumento della temperatura della resina nell'intervallo TG. Per quanto riguarda il TG misurato da DSC, di solito è di circa 5 gradi Celsius superiore ai risultati di misurazione TMA. DMA di un altro metodo di analisi termomeccanica dinamica è quello di misurare la relazione tra modulo della piastra e temperatura Sarà superiore a 15 gradi Celsius e la specifica IPC è più coerente con la misura di TMA.

Oltre a misurare il Tg della piastra finita, lo strumento di analisi termica TMA di cui sopra può anche posizionare la piastra finita nel suo piatto di prova ad alta temperatura e monitorare il tempo di rottura resistente al calore di varie piastre finite nella direzione Z nell'ambiente ad alta temperatura impostato di 260 gradi Celsius, 288 gradi Celsius o 300 gradi Celsius, denominato T260, t288 e T300 in breve, in modo da simulare se ci sarà la rottura del piatto e lo strato di crepa in saldatura multipla senza piombo. Attualmente, ipc-4101b Le tre pratiche di cui sopra sono state incluse nell'elenco delle specifiche, che può essere considerato come una riforma importante della piastra FR-4 a causa della mancanza di piombo.

3.2 Interpretazione del coefficiente di espansione termica (CTE)

Molte letterature hanno indicato che l'alto Tg rappresenta una buona qualità della resina, ma questo non è sempre il caso della saldatura senza piombo. Generalmente, l'alto Tg ritarda senza dubbio la temperatura iniziale prima della rapida espansione termica della resina e la sua espansione termica complessiva varia a seconda del tipo di piastra. Anche l'espansione termica complessiva della piastra con basso Tg è inferiore. Inoltre, l'aggiunta di un certo riempitivo in resina può anche ridurre la temperatura Il CTE dei tre materiali di resina mostrati nella figura 2 mostra che il Tg del materiale C è superiore a quello del materiale a, ma il CTE del materiale C aumenta rapidamente dopo TG, quindi l'espansione termica complessiva è molto più grande e peggiore di quella del materiale A. prendere a e B come esempio, se la CTE dei due materiali è la stessa prima e dopo TG, l'espansione termica totale del materiale B con Tg superiore sarà ancora inferiore a quella del materiale A. infine, anche se il Tg del materiale B e C sono gli stessi, a causa di B La CTE dopo TG è bassa, quindi l'espansione termica complessiva di B è relativamente piccola.

Si può anche vedere che il Tg delle tre piastre è 175 gradi Celsius, ma il coefficiente di espansione termica dell'asse z uguale è diverso, con conseguente differenza del tasso di espansione termica. La differenza principale dei tre materiali nella figura 3 è il coefficiente di espansione termica dopo che TG α- 2cte è diverso l'uno dall'altro. In una parola, più basso è il coefficiente di espansione termica globale della piastra contribuirà a migliorare l'affidabilità della parete di rame passante.

Infatti, questo non è sempre il caso! Prima di continuare a discutere di altre proprietà importanti del substrato, dobbiamo prima spiegare la relazione tra TG e CTE. Uno dei vantaggi della piastra alta Tg è che il coefficiente di espansione termica dell'asse z è basso, quindi ha una bassa espansione termica complessiva. Pertanto, può ritardare il fenomeno avverso di rapida espansione termica dopo TG e ridurre lo stress residuo nella parete di rame.

Tuttavia, in alcuni casi speciali, il CTE della piastra alta Tg può essere più grande di quello della piastra bassa Tg. Pertanto, la CTE deve essere presa in considerazione quando si sceglie la piastra. Anche se il Tg di ogni piastra è lo stesso, il suo CTE può anche essere diverso. Quando viene effettuata la prova termica del ciclo, anche lo sforzo sentito dalla parete di rame passante del foro sarà diverso. Il materiale C nella figura 3 presenta i doppi vantaggi di alto Tg e basso CTE allo stesso tempo.