Материалы для гибких и гибко-жестких печатных плат

В первую очередь, стоит рассмотреть, какие требования в целом предъявляются к базовому материалу. Несмотря на то, что ни один из известных материалов не способен отвечать всем конструктивно-технологическим требованиям, все же имеет смысл представить себе, как выглядит идеальная комбинация материалов, чтобы понимать те компромиссы, на которые, возможно, придется пойти при их выборе.

Идеальный гибкий фольгированный диэлектрик должен обладать исключительной стабильностью размеров. Усадка или расширение базового материала гибкой платы в процессе обработки вызывает проблемы в производстве, поскольку влияет на совмещение элементов межсоединений при изготовление печатной платы и при сборке. Особенно неприятно, если изменения размеров нельзя предсказать заранее.

Так как в сборочно-монтажном производстве применяются групповые процессы нагрева, такие как пайка оплавлением, крайне необходимо, чтобы выбранный материал был в состоянии, не деформируясь, устойчиво выдерживать высокие температуры пайки. В условиях неразумного и неоправданного с научной точки зрения перехода на бессвинцовую пайку, которая стала в Европе обязательной по директиве RoHS, требования к теплостойкости ужесточатся.

Так как многие конструкции гибких плат являются тонкими и неармированными, они уязвимы с точки зрения разрывов. Поэтому базовый материал для изготовления гибких плат должен иметь высокое сопротивление надрыву и разрыву.

С увеличением скорости передачи сигналов (более 100 МГц) становятся все более важными высокочастотные характеристики материалов. Материал должен иметь малую диэлектрическую проницаемость и низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь. Кроме того, для различных высоковольтных задач желательно иметь высокое сопротивление изоляции.

Часто принципиальным становится очевидное требование — гибкость. В зависимости от области применения гибкие платы могут подвергаться воздействию экстремальных температур: от горячей кухонной плиты до холода в криогенных системах. Поэтому крайне важна гибкость в широком диапазоне температур. Особое значение имеет гибкость при низких температурах, когда большинство материалов склонно к охрупчиванию.

Очевидно, что влагопоглощение нежелательно для любого гибкого основания. Накопленная влага может негативно сказаться как на производственном процессе, вызывая расслоение при температурных обработках или монтаже, так и на характеристиках готового изделия, увеличивая потери сигнала в линиях связи.

Способность материала гибкой платы противостоять воздействию ряда химических реагентов важна как для производителя плат, так и для последующей сборки. Множество различных агрессивных химических веществ, применяемых в производстве гибких печатных плат, заставляют производителя задуматься, насколько хорошо материал будет выдерживать его обработку. Также материал должен быть совместимым с широкой номенклатурой химических реагентов и типичных растворителей, используемых в процессах монтажа и последующей отмывки.

Колебания значений параметров — бич производства, поэтому повторяемость характеристик материала важна для хорошего управления процессом. Хотя требования к устойчивости показателей качества не всегда достижимы, высокая повторяемость всех характеристик материала, включая физические, механические и электрические, является ключевым фактором стабильности производства. Повторяемость характеристик материалов гарантирует, что настроенное производство ГП и ГЖП не будет требовать частых переналадок.

Важная проблема для производителя — ситуация, в которой поставки материала возможны только из одного источника. К сожалению, в этих условиях производитель оказываются незащищенными от возможного прекращения поставок материала, если используется только один поставщик, хотя данный материал во всем остальном может обладать отличными характеристиками. В большинстве случаев, необходимым условием при выборе материала является наличие второго поставщика, способного производить эквивалентный материал.

Стремление к недорогим решениям — повсеместная практика в области электроники. Бесконечный поиск более дешевого материала, чтобы немного увеличить прибыль, неизбежен. Однако нужно помнить, что реальная ценность материала определяется тем, как он влияет на общую стоимость производства и готового изделия, а не тем, сколько будет стоить его покупка и доставка.

Освежив в памяти желаемые характеристики материалов, можно перейти к обзору основных составляющих материалов гибких плат и некоторых типичных подструктур их конструкции и разобраться, где лежат ограничения в достижении поставленных целей.
Основных элементов структуры гибких печатных плат не так много, и ни один из них не может считаться маловажным.
Ниже приведены краткие описания основных элементов структуры гибких печатных плат и их функций.

Материал основания (базовый материал) представляет собой гибкую полимерную пленку, играющую роль основы фольгированного диэлектрика. В обычных обстоятельствах базовый материал гибкой платы обеспечивает большинство основных ее физических и электрических характеристик. Когда речь идет о безадгезивных конструкциях печатных плат, базовый материал определяет все их характерные свойства.
Хотя толщина пленки может варьироваться в широких пределах, большинство предлагаемых гибких материалов имеют сравнительно малые толщины в узком диапазоне от 12 до 125 мкм. Хотя из общих представлений очевидно, что более тонкие материалы обладают большей гибкостью, не следует забывать инженерное правило: жесткость гибких материалов пропорциональна кубу их толщины. Это означает, что если толщина материала удваивается, он становится в восемь раз жестче и при той же нагрузке прогнется в восемь раз меньше.

В качестве проводящего элемента структуры ГП и ГЖП используется металлическая фольга, из которой вытравливаются проводники платы. Хотя в типовых фольгированных диэлектриках для гибких плат применяется катаная и отожженная медь, на рынке присутствует большое разнообразие типов и толщин металлической фольги, из которого можно сделать выбор при изготовлении плат.

Фольгированные диэлектрики — основной вид материала, применяемого в большинстве конструкций гибких плат. Медная фольга является преобладающей, но возможно применение фольги и других типов.
Обычно фольгированный материал выполняется соединением нескольких слоев, включающих материал основания, адгезив и металлическую фольгу. Затем пакет нагревают и прессуют, получая в результате неразборную структуру из металлических и полимерных слоев.
В случае применения безадгезивных фольгированных диэлектриков, адгезив в конструкции отсутствует. В некоторых «безадгезивных» диэлектриках используется тонкий слой сверхвысокотемпературного адгезива, позволяющего создавать структуры, по существу, такие же, как и безадгезивные. Существуют также способы создания безадгезивных многослойных материалов без прессования. Более подробно это будет рассмотрено ниже.

Адгезивы используются в фольгированных диэлектриках в качестве связующего. Когда речь заходит о термостойкости, адгезив обычно также ограничивает характеристики фольгированного диэлектрика, особенно, когда базовым материалом является полиимид. Из-за сложностей при использовании полиимидных адгезивов, в настоящее время во многих полиимидных гибких платах применяются системы адгезивов из других групп полимеров. Тем не менее, некоторые новые термопластичные полиимидные адгезивы получают достаточно широкое распространение.
Выбор толщины адгезива, как правило, зависит от задуманной конструкции ГП и ГЖП. Например, адгезивы большой толщины применяются для выполнения покровных слоев на рисунке из медной фольги большой толщины.

Обычно покровный слой представляет собой двухслойный материал, состоящий из базового материала и подходящего термореактивного адгезива. Однако в покровных слоях также могут применяться термопластичные пленки из одного материала. Покровный слой служит для защиты проводников готовой гибкой платы и помогает увеличить гибкость. Материалы покровных слоев часто применяются для создания гибких фольгированных диэлектриков путем присоединения к ним металлической фольги. Это обычно делается, когда производитель гибких плат изготавливает свой собственный материал.

Еще один тип покровных слоев, применяющийся для изготовления гибких печатных плат, это фотопроявляемые покровные слои. Этот материал, который мы не упоминали при рассмотрении основных элементов структуры, подобен сухой пленочной паяльной маске. Как и паяльная маска, он наносится вакуумным способом, чтобы достичь хорошего прилегания в местах вокруг проводников. Затем, как и светочувствительная паяльная маска, материал экспонируется и проявляется, обеспечивая доступ к элементам рисунка платы, предназначенным для монтажа компонентов.

Термином «защитное покрытие» обозначаются различные тонкие покрытия, которые наносятся на поверхность проводников вместо покровного слоя. Обычно защитные покрытия применяются в случаях, когда динамический изгиб отсутствует или минимален.
В процессе изготовления плат защитные покрытия обычно наносятся в жидком виде методом трафаретной печати и затем отверждаются под воздействием тепла либо УФ-излучения.

Соединительные слои представляют собой элементы структуры гибких печатных плат, состоящие из пленочного базового материала с адгезивной пленкой, нанесенной на обе стороны методом полива. В качестве адгезива обычно применяется термопластичный материал.
Хотя соединительные слои могут применяться для создания фольгированных диэлектриков с двумя металлическими слоями, чаще всего они используются как конструкционные элементы при изготовлении некоторых более сложных структур, таких как многослойные гибкие и жестко-гибкие платы

Литьевые адгезивные пленки представляют собой отдельный класс адгезивных материалов. Эти пленки чаще всего являются термопластичными и наносятся методом полива на одноразовую подложку или съемную пленку.
Литьевые адгезивные пленки часто применяются для присоединения к гибкой плате усилений из жестких материалов. Также в некоторых случаях они применялись в качестве замены соединительных слоев.

Липкие пленки — семейство адгезивных пленок для разборных или неразборных соединений на отслаиваемых подложках, которые могут переноситься непосредственно на поверхность гибкой платы или другого материала для последующего его присоединения к другой поверхности. После нанесения такого адгезива на плату можно выполнить соединение практически с любой поверхностью, однако, отверждаемые под давлением адгезивы в изготовлении гибких плат преимущественно применяются для скрепления с жестким элементом.
Также в семействе отверждаемых под давлением адгезивов существует особая подгруппа, которая может наноситься трафаретной печатью непосредственно на обратную сторону гибкой платы и затем отверждаться УФ-излучением для создания клейкого покрытия, когда такое покрытие необходимо. Этот метод может использоваться для повышения эффективности при очень больших объемах производства, или когда необходимо поддерживать себестоимость ГП и ГЖП на минимальном уровне.

Хотя жесткие конструкции ГЖП не являются непосредственно частью гибкой печатной платы, они — важный элемент конструкции ГЖП. Материалы жестких оснований применяются для упрочнения гибкой платы там, где это необходимо. Чаще всего жесткие элементы предназначены для установки электронных компонентов или для выполнения печатных разъемов. Они служат конструкционным основанием компонентов при сборке и при эксплуатации.
Жесткие основания могут изготавливаться практически из любого материала, включая металл, пластик, фольгированные стеклопластики и даже дополнительные слои материала покровного слоя. Использование материала защитной маски для упрочнения отдельных областей в настоящее время является весьма распространенной практикой.

Рассмотрев основные элементы материалов гибких печатных плат (пленочный базовый материал, адгезивный слой и металлическая фольга), а также их сочетания, можно получить полное представление об их характеристиках на примере материалов компании Hitachi Chemical.
Компания Hitachi Chemical является одним из самых успешных мировых лидеров в производстве и поставках на рынок фольгированных диэлектриков. На рис. 1 и 2 изображены наиболее ходовые конструкции безадгезивных базовых материалов MCF-5000ID (двухсторонний диэлектрик) и MCF-5000IS (односторонний диэлектрик) соответственно. В таблице 1 представлены основные параметры этих материалов.
Материалы MCF-5000IS и MCF-5000ID облицованы медной фольгой с низким профилем, что позволяет получать более точную геометрию топологии проводящего рисунка без ущерба для качества сцепления.

Рис. 1. Двусторонний фольгированный полиимид

Рис. 2. Односторонний фольгированный полиимид

Немаловажным фактором является размерная стабильность применяемых материалов в современных конструкциях ГЖП, так как брак по причине несовмещения тонких слоев является неисправимым или приводит к последующим отказам соединений, если брак не был вовремя распознан. На рис. 3 представлены сравнительные характеристики изменения геометрических размеров.

Рис. 3. Изменения размеров слоев полиимида после травления и термообработки (сушки)

Материалы MCF-5000IS и MCF-5000ID поставляются с толщиной медной фольги от 9 до 35 мкм и толщиной диэлектрика в пределах 5 до 25 мкм (данные значения являются стандартными у компании Hitachi Chemical, поэтому другие толщины уточняются при получении заказа).
Чтобы объединить все слои ГЖП или многослойного гибкого кабеля поставляются адгезивы MCF-5000IA (рис. 4). Преимущество данных адгезивов заключается в том, что при наличии стандартного технологического оборудования для производства МПП на диэлектриках типа FR-4 можно изготавливать сложные ГЖП. Другим важным преимуществом материалов Hitachi Chemical является определенное значение текучести, что позволяет изготавливать между жесткими МПП шлейфы с разделенными слоями (рис. 5) без применения специальных вставок регулирующих растекание смолы. Электрические и химические свойства адгезива MCF-5000IA близки к основному фольгированному диэлектрику, что делает конструкцию единым целым (таблица 2).

Рис. 4. Адгезивная пленка

Рис. 5. Жесткие многослойные платы, соединенные гибкими разделенными шлейфами

Все материалы отвечают требованиям негорючести V-0 по UL94.
Другим оригинальным решением компании Hitachi Chemical является применение материала MCF-5000IR в конструкциях ГЖП и гибких кабелях в качестве наружного слоя или в качестве покрывной пленки, показанных на рис. 6.

Рис. 6. Гибкий фольгированный полиимид с адгезионным подслоем

Материал выпускается с толщиной медной фольги 9,12,18 мкм, которая получена на подслое из полиимида со свойствами, как у материала MCF-5000IS, и снабженного адгезивным слоем. Если данный материал используется в качестве гибкой защиты поверхности внешних слоев ГЖП, то верхний медный слой полностью стравливается. В тех случаях, когда необходимо применить материал MCF-5000IR для образования рисунка проводников на наружном слое, после процесса прессования вытравливают рисунок внешних слоев. Такое применение материала позволило улучшить массогабаритные показатели ГЖП. На рис. 7 и 8 показан пример реализации конструкций из этого материала в сравнении с традиционной технологией ГЖП. Функциональность двух конструкций жестко-гибких печатных плат идентична, но они имеют разную технологию изготовления в зависимости от базовых материалов. Рассмотрим сводную таблицу конструкций (таблица 3).

Рис. 7. Многослойный кабель выполненный из материалов MCF-5000IR и MCF-5000ID

Рис. 8. ГЖП традиционной конструкции

Конструкция
Материал	Наименование	Толщина (мкм)	Наименование	Толщина (мкм)
Внешний слой 1	MCF-5000IR	25	Односторонний ламинат	85
Адгезивный слой	Нет необходимости		Не текучий препрег	50
Покрывная пленка			Покрывная пленка	37
Внутренний слой (2,3)	MCF-5000ID	20	Фольгир. полиимид	25
Покрывная пленка	Нет необходимости		Покрывная пленка	37
Не текучий препрег			Не текучий препрег	50
Внешний слой 4	MCF-5000IR	25	Односторонний ламинат	85
Общая толщина	–	95	–	395

В результате, многослойная ГП из материала Hitachi Chemical имеет толщину 95 мкм против ГЖП толщиной 395 мкм, изготовленной по традиционной технологии. При этом изготовление многослойной ГП гораздо проще, так как нет необходимости во фрезеровании нетекучего препрега и одностороннего ламината (стандартная технология) и меньше на одну операцию прессования, так как по традиционной технологии требуется прессовать еще и покрывную пленку.
В полной мере возможности материалов Hitachi Chemical раскрываются в такой конструкции, как гибко-жесткая печатная плата на рис. 8. Реализация такого варианта изображена на рис. 9 и 10, где отчетливо видна многоуровневая конструкция гибкой части с двухсторонней защитой покрывным материалом. На этих рисунках изображена ГЖП с конструкцией из четырех двухсторонних гибких кабелей, на жестких концах которой распаяны микроразъемы. Очевидно, что данная конструкция более надежно противостоит вибрациям и изгибным нагрузкам. На рис. 9 хорошо просматривается селективная защита из покрывной пленки — материал MCF-5000IR. В настоящее время началась продажа модифицированной конструкции материала MCF-5000IR, где в качестве медной фольги применяется алюминиевая фольга (MCF-5000IC). В результате при фрезеровании материал имеет точный обработанный край, а после процесса прессования фольга не травится, а удаляется простым механическим способом — подцепил и снял.

Рис. 9. Гибко-жесткая печатная плата с разъемами, распаянными на жестких основаниях ГЖП

Рис. 10. ГЖП, как основание для распайки разъемов

Завершает список базовых материалов Hitachi Chemical армированные стеклянной сеткой фольгированные полиимиды серии MCL-I-671. На базе MCL-I-671 можно изготавливать жесткие и гибкие ДПП и МПП, так как толщина диэлектрика поставляется в диапазоне от 60 мкм до 2 мм, а набор фольги — от 12 до 70 мкм. Главное отличие данного материала заключается в отсутствии в связующем такого вещества как метилендианилин, что позволяет увеличить стабильность диэлектрических и физических свойств электронных изделий. Для изготовления МПП производятся стандартные и нетекучие препреги, что значительно удешевляет стоимость продукции и делает полностью совместимой данного материала с серией 5000I.
Уже два года Предприятие Остек представляет на отечественном рынке продукцию компании Hitachi Chemical. Благодаря нашему сотрудничеству с компанией Hitachi Chemical мы своевременно получаем полную технологическую поддержку и оперативную техническую информацию.
Каждая поставляемая единица товара тщательно упаковывается с соблюдением всех норм по сбережению товара при транспортировке и хранении (рис. 11). Независимо от количества заказанной продукции Заказчик получает индивидуальный сертификат на товар, который подтверждает прохождение инспекции на заводе-изготовителе и соответствие технической документации на материал (рис. 12).

Рис. 11. Упаковка продукции

Рис. 12. Примеры упаковки и маркировки материалов Hitachi Chemical для отечественных потребителей.

В производстве гибких плат применяется большое разнообразие материалов, включая пленки, фольгу и адгезивы. Помимо базовых материалов, в конструкциях на их основе может применяться широкая номенклатура адгезивов и множество типов металлической фольги. Выбор применяемых материалов в большой степени зависит от того, как и где плата будет собираться и эксплуатироваться.
Японская компания Hitachi Chemical полностью отвечает всем запросам материалов, используемым в производстве печатных плат. Гарантией их качества является высокий уровень многообразных изделий электроники, производимый в Японии, в которых широко используются материалы компании Hitachi Chemical.