Технология изготовления печатных плат

Заготовки для жестких печатных плат представляют собой несколько  спрессованных слоев стекловолокна (обычно 8 слоев), покрытых медной фольгой. Пространство между слоями заполнено  наполнителем. Самый простой способ расположения стеклянных волокон - когда  они перпендикулярны друг другу. При различной ориентации волокон  в слоях прочностные характеристики материала становятся одинаковыми  по всем направлениям. Толщина материала  оценивается без учета медной фольги. Толщина фольги одинакова  с обеих сторон.

Основа: бумага, стекловолокно, керамика, арамид. Наполнитель:фенольная смола, эпоксидная смола, полиэстер, полиимидная смола, бисмалеинимид-триазин, эфир цианата, фторопласт.

Существует множество материалов для печатных плат. Они выполняю роль диэлектрика и различаются своими электрическими , механическими итемпературными особенностями. Наиболее важные характеристики, которые учитываются при выборе диэлектрика, являются диэлектрическая постоянная (особенно для высокоскоростных пп) и температура стеклования Tg.

обозначение

состав

температура стеклования

диэлектрическая постоянная

относительная стоимость

примечание

FR2

бумага и фенольная смола

105

4,7

0,73

FR3

бумага и эпоксидная смола

110

4,9

0,85

FR4

фольгированный эпоксидный стеклотекстолит

135 - 170

4,7

1

Это наиболее распространенный материал для печатных плат. FR4 толщиной 1.6мм состоит из 8 слоев стеклоткани  № 7628. Логотип производителя / обозначение  класса горючести красного цвета  расположен в середине (4 слой). Температура  использования этого материала  — 120 - 130°C.

FR5

то же с уменьшенным диаметром  стекловолокна

160

4,6

1,4

Это стеклотекстолит подобный FR4, но температура использования этого  материала 140 — 170°C.

BT

бисмалеинимид-триазиновая смола со стеклом

180-220

3,9-4,9

5,3

CE

цианат-эфир со стеклом

230

3,6

4,5

CEM1

бумага с эпоксидной смолой, на которую напрессованы листы стеклоткани

130

4,7

0,95

Из за бумажной основы в материале CEM1 невозможна металлизация отверстий, поэтому он применяется для односторонних  плат.

CEM3

стеклотекстолит, облицованный с двух сторон FR4

130

5,2

0,95

CEM3 наиболее похож на FR4. Материал  легко сверлится и штампуется. Это полная замена FR4 и у этого  материала очень большой рынок  в Японии.

PD

полиимидная смола

260

4,2-4,6

6,5

PTFE

фторопласт

240-280

2,2-10,2

32-78

CHn

смесь гидрокарбоната и керамики

300

4,5-9,8

90

При проектировании печатных плат необходимо учитывать диэлектрические свойства материала (диэлектрическая проницаемость  и тангенс угла диэлектрических  потерь). От правильного выбора материала  зависит исправная работа платы.

Диэлектрическая постоянная (проницаемость) - отношение емкости конденсатора, где в качестве диэлектрика используется испытываемый материал, к емкости такого же воздушного конденсатора. Она существенно зависит от типа вещества и от внешних условий (температуры, давления, влажности и частоты).

Эту характеристику необходимо учитывать (особенно для высокочастотных пп) по той причине, что высокое быстродействие современных пп предъявляет особые требования к таким параметрам, как время задержки сигналов и емкость. Скорость передачи сигналов в проводниках зависит главным образом от диэлектрической проницаемости. Ее значения для современных диэлектриков для печатных плат лежат в пределах 2,2 - 10,2. Задержка сигнала в линии может превышать 6 нс/м.

Так же задержка увеличивается с  увеличением частоты подаваемого  напряжения. Если на проводник подать идеальное, прямоугольное, напряжение (1) (см. рис.), то на выходе сигнал "размывается" (2), появляется сдвиг фаз. Чем больше частота и тангенс угла потерь, тем сильнее искажается сигнал.

Тангенс угла диэлектрических потерь в изоляционных материалах определяется отношением общих потерь мощности в материале к произведению напряжения и тока в конденсаторе, в котором исследуемый материал работает в качестве диэлектрика. Диэлектрические потери обусловлены нагревом диэлектрика. Их составляющими являются потери на электропроводность, поляризацию диэлектрика, резонансные потери (при частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов), потери, обусловленные неоднородностью (слоистостью, проводящими и газовыми включениями). Чем меньше тангенс угла потерь, тем высококачественее радиоэлемент. Обычно через тангенс угла потерь характеризуют добротность конденсаторов.

Использование диэлектриков с улучшенными  диэлектрическими параметрами дает незначительный выигрыш в задержке. Поэтому в общем случае задержка зависит от длины печатных проводников.

В высокочастотных печатных платах из-за разной длины проводников в  конечные точки сигнал приходит в  разное время и в разной фазе. Чтобы этого избежать, форму проводника корректируются таким образом, чтобы их длина была одинаковой.

Часто на печатной плате выполняются конденсаторы. Это накладывает ограничение  на допустимые колебания диэлектрической  постоянной, т.к. в партии конденсаторов  их величина их емкостей должна колебаться в пределах заданной величины. Для FR4 на частоте 1 МГц значение диэлектрической  проницаемости не должно превышать 5,4, а типовое значение составляет 4,5. Тангенс угла диэлектрических  потерь на этой частоте должен быть не более 0,035, а его типовое значение 0,017.

Так же при проектировании печатных плат мы вынуждены считаться с  полным сопротивлением, возникающим  между проводниками и "землей". Ниже приведены значения сопротивлений  для двухсторонних печатных плат с разными значениями ширины проводника и толщины диэлектрика.

толщина стеклотекстолита, мкм

ширина проводника, мкм

100

250

460

300

33,2

57,7

77,2

200

41,7

68,1

88,2

150

47,9

75,3

95,6

120

52,8

80,6

101,0

Подложка является основой для  крепления элементов печатной платы, в свою очередь сама плата закрепляется в корпусе прибора. Поэтому материалы  для ПП должны обладать определенной несщей способностью и прочностью, а так же обеспечивать качественное крепление в корпус прибора.

Прочность на изгиб - это разрушающее  усилие для бруска, закрепленного  на концах и нагруженного в центре. Ниже приведены значения прочности  на изгиб (кг/см2) для некоторых видов материалов.

Материал

FR3

FR4

FR5

прочность вдоль волокон

при толщине 1,5 мм

1400

3850

3850

при толщине 3 мм

1400

3500

3500

прочность поперек волокон

при толщине 1,5 мм

1100

3150

3150

при толщине 3 мм

1100

2800

2800

Деформация под нагрузкой - процентное изменение толщины при воздействии  нагрузки. Этот параметр определяет способность  жесткого пластика в сборке с другими  элементами, прикрепленными болтами, заклепками или другими крепежными приспособлениями, сохранять постоянной силу сжатия, не обнаруживая текучести или  ослабления жесткости сборки.

Материал

FR3

FR4

FR5

изменение толщины, %

1,50

0,25

0,1

Модуль эластичности при изгибе может быть определен для сжимающих, изгибающих и разрывающих нагрузок.

Модуль упругости - это отношение (в пределах упругости материала) действующего усилия к соответствующей  величине деформации.

Предел упругости - самое большое  растягивающее напряжение, которое  выдерживает материал без остаточной деформации.

Напряжение - усилие на единицу площади  первоначального поперечного сечения, которое выдерживает испытываемый образец в данный момент.

Растяжение - отношение удлинения  к первоначальной длине, т.е. безразмерная величина, определяющая изменение длины  на единицу первоначальной длины.

Материал

Модуль эластичности, кг/см2

FR3

FR4

FR5

вдоль волокон

91000

188000

196000

поперек волокон

70000

154000

161000

Наиболее часто употребляемые  материалы для печатных плат созданы  на основе стекловолокна с полимерным наполнителем. Это обусловлено прежде всего размерной устойчивостью стеклянного волокна в широком диапазоне температур, а так же большой механической прочностью и нагревостойкостью. Область применения таких материалов ограничена температурой стеклования Tg.

При низких температурах движение молекул  в полимерах происходит медленно или почти отсутствует, так что  аморфный полимер хрупок и тверд, как стекло, жесткий и труднорастворимый. Нагревание ускоряет движение молекул, поэтому по мере повышения температуры материал из твердого и хрупкого превращается в достаточно мягкий и пластичный. Температура такого перехода называется температурой стеклования. Она тем выше, чем выше степень полимеризации полимера.

Температура стеклования для полимеров  в силу неоднородности их состава  не имеет какого-то конкретного значения. Обычно под температурой стеклования  подразумевают интервал температур (например, 135 - 170 градусов для FR4). Температура  стеклования - это не температура  плавления, при которой материал переходит в жидкое состояние. Так  как при достижении Tg полимер становится пластичным, то он уже не может обеспечить размерную точность печатной платы и ее элементов.

В производстве печатных плат широко используется стеклотекстолит (ГОСТ 26246.5-89). Это упругий, износостойкий, высокоомный слоистый пластик на основе стеклоткани и полимерного связующего. Стеклоткань формируют из расплавленной стекломассы вытягиванием через фильтры (непрерывное волокно длиной более 20 км и диаметром 3 - 100 мкм) или разделением струи расплавленного стекла паром, воздухом и др. (штапельное волокно длиной 1 - 50 см и диаметром 0,1 - 20 мкм). Обладает высокой теплостойкостью, химической стойкостью, высокими диэлектрическими свойствами, механической прочностью, низкой теплопроводностью и малым коэффициентом термического расширения. Недостатки: хрупкость, низкая износостойкость, плохая адгезия.