Материалы для изготовления печатных плат

Основой печатной платы является диэлектрическая подложка (твердая или гибкая), на поверхности которой находятся медные проводники (дорожки). В зависимости от назначения печатной платы в качестве базового материала используют различные типы материалов, которые отличаются между собой электрическими, механическими и температурными особенностями.

При производстве платы выделяют такие элементы, как базовый диэлектрический материал (core, он же ядро), армирующий материал (препрег – prepreg, используется в каче­стве диэлектрических слоев при сборке пакета мно­гослойной платы) и проводящая фольга.

Наиболее часто учитываемые при выборе диэлектрика параметры, являются температура стеклования Tg, диэлектрическая постоянная Dk и тангенс угла диэлектрических потерь Df (последние два параметра особенно важны для высокоскоростных и СВЧ печатных плат).

Температура стеклования – это температура перехода материала из твердого состояния в пластичное состояние. Обычно под температурой стеклования подразумевают интервал температур (например, 135 — 170 градусов для FR4). Чем выше температура стеклования смолы, тем меньше коэффициент линейного расширения диэлектрика, приводящего к разрушению проводников платы.

Следующей важной характеристикой является диэлектрическая постоянная (проницаемость) – отношение емкости конденсатора, где в качестве диэлектрика используется испытываемый материал, к емкости такого же воздушного конденсатора. 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.

Тангенс угла диэлектрических потерь в изоляционном материале определяется как отношение суммарных потерь мощности в этом материале к произведению напряжения и тока в конденсаторе, в котором этот материал используется как диэлектрик. Коэффициент потерь меняется с изменением частоты, содержания смолы, температуры и влажности. Чем меньше тангенс угла потерь, тем высококачественнее материал. При этом тангенс угла потерь, связанный с общими потерями мощности сигнала в линии, обычно всегда увеличивается с частотой. Чем больше частота и тангенс угла потерь, тем сильнее искажается сигнал.

Для печатных плат на металлическом основании основными параметрами являются теплопроводность (способность материала проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей к менее нагретым частям) и напряжение пробоя (это то напряжение, при котором резко снижается удельное сопротивление материала изделия, рабочее напряжение должно быть ниже напряжения пробоя в 2,5 – 4 раза).

Также Вы сможете ознакомиться с описаниями и типичными параметрами базовых материалов, применяемых на наших производствах и скачать техническую документацию для каждого из них.

Данный список материалов является базовым и, если Вы не нашли необходимый, по запросу мы сможем закупить его или поможем подобрать ближайший аналог.

1.1 Стеклотекстолит

Наиболее часто в настоящее время основой печатной платы выступает такой материал, как стеклотекстолит (вид композиционного материала, состоящий из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно) и связующих веществ (термореактивные и термопластичные полимеры)).

Рассмотрим основные виды стеклотекстолита, применяемые на нашем производстве:

• CEM1;
• FR4;
• FR4 HighTg;
• FR4 Halogen Free;
• FR4 High CTI.

CEM-1

Данные композитные материалы изготавливаются на целлюлозной основе с одним или двумя слоями стеклотекстолита снаружи, связующим веществом служат модифицированные эпоксидные смолы. Обычно имеет молочно-белый или молочно-желтый цвет.

Обладает хорошими механическими и электрическими свойствами. В силу невозможности выполнения металлизации сквозных отверстий данный материал может быть использован только для производства односторонних печатных плат. Диэлектрические характеристики CEM-1 и FR-4 отличаются несущественно, при этом механические характеристики у СЕМ-1 хуже, чем FR4 – материал является более хрупким.

Таким образом, CEM-1 является хорошей альтернативой FR-4 при производстве односторонних печатных плат, когда цена является определяющим фактором.

Базовые материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

FR-4

FR-4 – один из самых распространенных материалов для печатных плат. Он представляет собой слоистый пластик на основе диановых эпоксидных смол, армированный стеклотканью. FR в названии означает «огнестойкость» и исходит из системы оценок, разработанной Национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA) . Этот сорт означает, что материал соответствует стандарту UL94V-0.

Область применения данного материала очень широка: от бытовой электроники до военных и авиакосмических разработок. Однако важно отметить, что FR4 не рекомендуется для высокочастотных схем, которые становятся все более распространенными.

В зависимости от свойств и области применения FR-4 разделяется на следующие подклассы:

— стандартный, с температурой стеклования Tg ≈ 130°C. Наиболее распространенный и широко используемый тип, одновременно наименее дорогой из FR-4;

— со средней температурой стеклования, Tg ≈ 150°C

— с высокой температурой стеклования, Tg ≈ 170°C-185°C;

— безгалогенный;

— с нормируемым трекинг-индексом, ≥600;

Материалы со стандартной температурой стеклования не рекомендуется применять для многослойных печатных плат с количеством слоев 6 и более, в этом случае необходимо использовать материал с повышенной температурой стеклования (FR4 HighTg).

Базовые материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

FR4 HighTg

Стеклотекстолит на основе смесей диановых и многофункциональных эпоксидных смол. Обладает повышенной термостойкостью и более высокой стабильностью параметров при высоких температурах. При изготовлении стеклотканей применяются особые типы плетения полотна.

Для повышения надежности многослойных печатных плат (при изготовлении от шести слоёв и более) применяем материалы с повышенной температурой стеклования HighTg170, так как процесс прессования, при формировании многослойной структуры, происходит при высокой температуре. Кроме того, использование материалов с повышенным параметром температуры стеклования обеспечивает отличную ремонтопригодность многослойной печатной платы.

В случае, если печатная плата будет эксплуатироваться при экстремально высоких температурах мы рекомендуем использовать группу материалов на основе жестких полиимидов. Данные материалы сочетают в себе жесткость сравнимую со стандартными стеклотекстолитами и экстраординарную термостойкость с высокой стабильностью параметров при высоких температурах. Данные материалы являются лучшим выбором для аэрокосмической, военной, космической и других областей применения, где требуется надежная термическая стабильность.

Базовые материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

FR4 Halogen Free

Ламинаты FR4 своей огнестойкостью обязаны содержанию в нем брома, инертного галогена, обычно используемого в промышленности из-за его огнезащитных свойств. Однако бром – галоген, высокотоксичное химическое вещество, которое выделяется в окружающую среду при сжигании материала. Чтобы сократить использование таких веществ применяются ламинаты без содержания галогенов. Такие материалы представляют собой стеклотекстолит на основе модифицированных эпоксидных смол (данные материалы не содержат галогенов, сурьмы, фосфора).

Базовые материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

FR4 High CTI

CTI — Comparative Tracking Index. Индекс трекинга представляет собой относительное сопротивление электроизоляционных материалов образованию проводящей дорожки, когда поверхность, находящаяся под электростатическим напряжением, подвергается воздействию загрязнителей, содержащих воду.

Показывает наибольшее рабочее напряжение для данного ламината. Чем выше значение CTI, тем выше стойкость к пробою и тем меньше значения минимального пути утечки допустимы при прочих равных условиях. Это становится важным в изделиях, работающих в условиях высокой влажности, как например, в посудомоечных машинах или автомобилях. Больший индекс означает лучшую защиту.

Базовые материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

1.2 Материалы для СВЧ плат

Для эффективного функционирования устройств в условиях высоких рабочих частот применяются СВЧ платы – изделия, у которых коэффициент проницаемости (диэлектрической) составляет от 3. При этом диэлектрические потери находятся на невысоком уровне. Характерной особенностью таких плат является то, что гармонические сигналы распространяются по линиям в широком спектре. Это обстоятельство накладывает специальные требования к параметрам диэлектриков, используемых для таких печатных плат.

Для производства СВЧ печатных плат используются специализированные высокочастотные ламинаты с малым тангенсом угла диэлектрических потерь. В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ, применяются композитные PTFE (фторопласты), термостойкие материалы с керамическим наполнением, а также на керамической подложке.

Эти изделия устанавливаются в приёмниках, радарах, передатчиках и т. п. Их также применяют в системах, обеспечивающих контроль периметра и уровня доступа.

PTFE

Материалы на основе фторуглеродных соединений, армированных стеклотканью – тефлон (PTFE). Печатные платы, изготавливаемые на таких материалах, имеют повышенную надежность, обладают повышенной электрической прочностью, влагостойкостью, возможностью эксплуатации в режимах высоких температур (температура стеклования Tg, у данных материалов выше 240°C)  и резких перепадов температур. Данные материалы широко применяются в производстве линейных усилителей мощности и антенн для систем сотовой и персональной связи, малошумящих усилителей спутниковых систем связи, фазированных антенных решеток, оборудования радиолокационных станций и других компонентов радиосвязи. Кроме того, материалы нашли свое применение в высокоскоростных цифровых приложениях, где целостность и безошибочность сигнала является приоритетом.

Эти материалы имеют стабильную диэлектрическую проницаемость (Dk) и низкий тангенс угла диэлектрических потерь (Df), которые необходимы для хорошей целостности сигнала на высоких частотах.

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

СВЧ с керамическим наполнением

Полимеры на основе поликарбонатов (карбоновых смол) с мелкодисперсным керамическим наполнителем, армированные стеклотканью. Данный тип СВЧ-материалов был разработан, чтобы, с одной стороны, обеспечить качественные СВЧ-характеристики, как у материалов на основе PTFE, а, с другой стороны, сделать ее совместимой с традиционной технологией обработки армированных текстолитов (FR-4). Материалы представляют собой армированное стекловолокно с высокой температурой стеклования с наполнением из термореактивного полимера с добавлением керамики.

Керамические платы в некоторых отношениях хуже альтернатив, но их сравнительно высокая теплопроводность дает им преимущества в теплонагруженных конструкциях. Из-за серьезных усадочных явлений и большой шероховатости проводящей поверхности область их применения ограничена мелкими изделиями: корпуса микросхем, подложки микросборок и т. п.

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

СВЧ на керамическом основании

Композитный материал на основе керамики, с органическим связующим. Данные ламинаты сочетают в себе преимущества керамических и фторопластовых материалов. Материалы обладают высокой электрической и механической стабильностью в широком диапазоне температур. Все это делает данные материалы идеальным решением для изготовления многослойных конструкций, используемых в подверженном резким изменениям температуры аэрокосмическом оборудовании, где предъявляются жесткие требования к надежности металлизированных переходных отверстий, а также необходимы малые диэлектрические потери. Кроме того, данные материалы применяются при производстве антенн для беспроводной связи и GPS, в устройствах спутниковых систем связи и при создании СВЧ компонентов (усилители мощности, сумматоры, ответвители и фильтры).

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

FR4 High Frequency

В тех случаях, когда значения таких характеристик как диэлектрическая постоянная (проницаемость) и тангенс угла диэлектрических потерь для печатной платы важны, а значения стандартных материалов на основе стеклотекстолита недостаточны, и при этом использование специализированных высокочастотных материалов излишне (в силу избыточности параметров и высокой стоимости СВЧ материалов) в таком случае имеет смысл рассмотреть группу высокочастотных модифицированных стеклотекстолитов.

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

1.3 Материалы для гибких и гибко-жестких печатных плат

Гибкие и гибко-жесткие платы становятся все более популярными благодаря их уникальному применению. Использование таких плат позволяет повысить надежность соединений, встраивать в корпуса различной сложной формы, а также уменьшить габариты и массу устройств.

В качестве материалов для жестких части используются такие же материалы, как и для обычных многослойных печатных плат.

Полиимид (Polyimide)

Доминирующим материалом для изготовления гибких и гибко-жестких печатных плат является полиимид.

Полиимидная пленка с медной фольгой обладает рядом преимуществ:

• отличная гибкость при всех температурах;
• хорошие электрические свойства;
• отличная химстойкость (за исключением горячей концентрированной щелочи);
• очень хорошая устойчивость к разрыву (но плохое распространение разрыва);
• определенные типы полиимидов имеют дополнительные преимущества, (коэффициент расширения, согласованный с медью; уменьшенное напряжение в ламинатах и др.);
• полиимид можно химически травить;
• рабочая температура от -200 °С до +300 °С.

Недостатки:

• высокое водопоглощение (до 3% по весу);
• относительно высокая стоимость.

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

Лавсановые пленки

В качестве гибких материалов может использоваться также лавсан (полиэтилентерефталат, PET), однако из-за невысокой температуры плавления возможности пайки на данном материале сильно ограничены. PET — хороший диэлектрик, обладает высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, имеет повышенную устойчивость к действию водяного пара. Механические свойства лавсановой пленки, покрытой медью, лучше по прочности на разрыв, диэлектрической проницаемости и сопротивлению изоляции. Такие пленки также обладают следующими преимуществами:

• это низкотемпературный термопласт (легко формуется).
• очень хорошая гибкость.
• хороший баланс электрических характеристик.
• рабочий диапазон температур от -60 °С до +105 °С.

Недостатки:

• ограниченность к пайке (имеет низкую точку плавления),
• нельзя использовать при очень низких температурах (становится хрупким),
• недостаточная размерная стабильность (применяют термостабилизацию).

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

1.4 Al-base

Для увеличения теплоотвода вместо FR4 может быть использован иной базовый материал с более высокой теплопроводностью – материал с металлическим основанием (алюминий), покрытым диэлектриком. Их применяют в теплонагруженных печатных платах для улучшения отвода теплоты от электрорадиоизделий и монтируемых компонентов, в электронной аппаратуре с большой токовой нагрузкой, работающей при высоких температурах.

К основным параметрам материалов на алюминиевом основании относят теплопроводность (λ), Вт/(м*К (зависит от характеристик используемых компонентов, так, для мощных светодиодов, требующих повышенное требование к отводу тепла, должен использоваться материал с повышенным параметром теплопроводности) и напряжение пробоя изоляции (BR), кВ (определяет максимальное значение напряжения, которому может подвергаться материал до того, как произойдет пробой).

Мы можем предложить изготовление как однослойных, так и многослойных печатных плат на алюминиевом основании (от 2-х слоев и выше), на различных значениях теплопроводности (1,0 и более) и напряжениях пробоя.

Ниже представлены материалы, применяемые на наших производствах и их типичные параметры (по ссылке Вы можете скачать техническую документацию для указанных материалов):

*  По умолчанию при оценке печатной платы на алюминиевом основании используется материал с тепловодностью 0,8-1,0 W/m*K.

Для сохранения паяемости печатных плат после хранения, обеспечения надежного монтажа электронных компонентов и сохранения при эксплуатации свойств паяных или сварных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной платы паяемым поверхностным покрытием, так называемым финишным покрытием. Мы предлагаем Вашему вниманию широкий перечень финишных покрытий, который позволяет оптимальным образом сделать выбор в пользу одного или даже одновременно нескольких из них при производстве Ваших печатных плат.

• HAL или HASL (от английского Hot Air Leveling или Hot Air Solder Leveling — выравнивание горячим воздухом) с использованием припоев на основе сплава олово-свинец (Sn-Pb), например, ПОС61, ПОС63, и выравниванием воздушным ножом. Это покрытие, на данный момент самое распространенное, является классическим, наиболее известным и давно используемым. Обеспечивает отличную паяемость печатных плат даже после длительного хранения. Покрытие HAL технологично и недорого. Совместимо со всеми известными методами монтажа и пайки — ручной, пайки волной, оплавлением в печи и пр. К минусам данного вида финишного покрытия можно отнести наличие свинца — одного из наиболее токсичных металлов, запрещенного к использованию на территории Европейского Союза директивой RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directives — директива о запрете на использование опасных и токсичных веществ), а также то, что покрытие HAL не удовлетворяет условиям плоскостности контактных площадок для монтажа микросхем с очень высокой степенью интеграции. Покрытие непригодно для технологии разварки кристаллов на плату (COB — Chip on board). Данное покрытие не наносится на платы толщиной 0,5мм и менее.
• HAL бессвинцовый (LF HAL) — вариант покрытия HAL, но с использованием бессвинцовых припоев, например, Sn100, Sn96,5/Ag3,5, SnCuNi, SnAgNi. Покрытие полностью удовлетворяет требованиям RoHS и имеет очень хорошую сохранность и паяемость. Это финишное покрытие наносится при более высокой температуре чем HAL на основе ОС, что накладывает повышенные требования к базовому материалу печатной платы и электронным компонентам по температуре. Покрытие совместимо со всеми способами монтажа и пайки как с использованием бессвинцовых припоев (что наиболее рекомендуемо), так и с использованием оловянно-свинцовых припоев, но требует внимательного отношения к температурному режиму пайки. Данное покрытие не наносится на платы толщиной 0,5мм и менее.
• Immersion Gold (ENIG, IG) — иммерсионное золото по подслою гальванического никеля (покрытие семейства Ni/Au). Толщина покрытия: Ni 3-7 мкм, Au 0,05-0.1 мкм. Наносится химическим способом. Высокотехнологичное покрытие с хорошими сохраняемостью и паяемостью. Обеспечивает высокую плоскостность печатных площадок платы, что делает его незаменимым при применении микросхем высокой степени интеграции. Покрытие полностью удовлетворяет требованиям RoHS. Совместима со всеми способами монтажа и пайки.
• Immersion Tin (ImTin) — иммерсионное олово химическое покрытие, удовлетворяющее требованиям RoHS и обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок платы. Технологичное покрытие совместимое со всеми способами пайки. Из-за чрезвычайной чувствительности иммерсионного олова следует соблюдать осторожность при обращении и условиях хранения. На каждом этапе обработки рекомендуется работать только в перчатках. Выполнение условий хранения при температуре < 25°C и относительной влажности < 50 % обеспечивает пайку в течение 6 месяцев. Покрытие иммерсионное олово из-за своей агрессивности, может привести к отслоению паяльной маски, поэтому рекомендуется использовать с осторожностью данное покрытие при применении микросхем с высокой степенью интеграции, либо на платах с высокой плотностью компонентов, где «мостики» маски между соседними контактными площадками составляет менее чем 0.125mm.
• Immersion Silver (ImAg) — иммерсионное серебро лучше всего подходит как покрытие в ВЧ-устройствах из-за отсутствия никеля в своем составе. Серебро является лучшим проводником чем золото или медь. Обеспечивает высокую плоскостность печатных площадок платы за счет толщины Ag всего 0,1um, обладает хорошей паяемостью.
• Gold Fingers (HardGold) — покрытие семейства Ni/Au. Толщина покрытия: Ni 5-9 мкм, Au 0,2-1,0 мкм. Наносится электрохимическим осаждением (гальваника). Используется для нанесения на концевые контакты и ламели. Имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.
• ENEPIG — иммерсионное золото по подслою гальванического никеля и палладия. Благодаря наличию в данном покрытии подслоя палладия (Pd) между никелем и золотом, в отличае от иммерсионного золота, ENEPIG не способствует образованию „black pads” как результата коррозии Au и Ni. По сравнению с ENIG имеет более высокую химическую стойкость. Выдерживает несколько циклов оплавления, обеспечивает лучшую ремонтопригодность платы.
• OSP (от английского Organic Solderability Preservatives) — группа органических финишных покрытий, наносимых непосредственно на медь контактных площадок и обеспечивающих защиту медной поверхности от окисления в процессе хранения и пайки. Дешевое финишное покрытие, имеет ровную, плоскую поверхность, хорошо подходит для поверхностного монтажа и удовлетворяет требованиям RoHS. Дешевая альтернатива HAL. Имеет ограниченный срок хранения (месяцы) и не поддерживает многопроходную пайку. В конце пайки слой OSP, выполнив свою функцию, теряет способность обеспечивать последующие процессы пайки.
• Carbon (графитовое покрытие) – стойкое к механическим нагрузкам покрытие на основе графита. Применяется для нанесения на контактные площадки кнопок и т.д. Минимальное расстояние между элементами площадок разных цепей должно быть не менее 0,4mm.