Многослойные печатные платы. Способы улучшения размерной стабильности материалов слоев

Методика испытаний, описанная в стандарте МЭК 61189-2, охватывает процедуру определения стабильности размеров слоистых материалов, фольгированных медью, используемых при изготовлении многослойных печатных плат (МПП).
Эта методика испытаний предоставляет информацию обо всех линейных изменениях размеров, возникающих во время изготовления многослойной печатной платы вплоть до этапа прессования.

Образцы для испытаний

Образцы должны быть вырезаны из листа на расстоянии не менее 25 мм от края.
Образцы должны быть вырезаны в различных областях листа тестируемого материала, как показано на рисунке 1. Одна сторона образца должна быть вырезана параллельно основе стеклоткани испытуемого материала, и помечена для дальнейшей идентификации.
Размер образцов должен быть как минимум 300 мм в длину и в ширину. Должны испытываться три образца.

Рис. 1. Расположение образцов на листе для проведения испытания на стабильность размеров (Left/Center/Right — левый/центральный/правый образцы)

Испытательное оборудование и материалы

Должно использоваться следующее испытательное оборудование и материалы:
– средства нанесения соответствующей маркировки (оборудование для сверления, маркировочные чернила);
– оптический или механический измерительный прибор с погрешностью измерения не более 10 мкм;
– термошкаф с циркуляцией воздуха, способный поддерживать температуру 150 ± 2 °C.

Порядок испытания

Порядок испытания включает в себя маркировку образцов, стабилизацию и кондиционирование перед измерением, измерения в начале и в конце процесса изготовления МПП и непосредственно процесс изготовления.
Нанести соответствующие маркировки (реперные знаки, просверлить отверстия) в каждом углу образца, на расстоянии не менее 20 мм от краев, так, чтобы они сформировали квадрат со сторонами 260 ± 5 мм. Нанесенные метки должны быть пронумерованы 1-2-3-4 (см. рис. 2).

Рис. 2. Расположение меток на образцах при проведении испытания на стабильность размеров

Стабилизировать образцы в печи в течение 180₀⁺¹⁰ минут при температуре 150 ± 5 °C и затем кондиционировать в течение, по крайне мере, 18 часов, как определено в разделе 5.2 стандарта МЭК 60068-1: температура 23 ± 1 °C и относительная влажность 50 ± 2%. Измерить начальные длины расстояния между метками (рис. 2) 1-2, 2-3, 3-4 и 4-1.
Далее снова стабилизировать образцы в печи в течение 180₀⁺¹⁰ минут при температуре 150 ±5 °C и охладить до комнатной температуры. Защитить измерительные метки квадратами из материала, устойчивого к следующим стадиям процесса, с длиной стороны не более 13 мм. Произвести травление оставшейся области, очистить, оксидировать согласно соответствующему процессу изготовления.
Провести прессование образцов, используя два слоя препрега и один слой медной фольги или односторонний слоистый материал, фольгированный медью, чтобы сформировать МПП с четырьмя слоями (рис. 3). Одна пресс-форма должна содержать, по крайней мере, три МПП, разделенные между собой разделительными стальными пластинами, прокладочными пленками и термобуфером (рис. 4).
Тип препрега (например, стеклоткань 2112 или 7628), тип внешнего медного слоя (фольга без подложки или фольгированный лист) и параметры цикла прессования должны быть согласован между покупателем и поставщиком.

Рис. 3. Структура МПП для испытания образца на размерную стабильность

Рис. 4. Схема пресс-формы при проведении испытания на стабильность размеров

Разобрать пресс-формы, удалить разделительные пластины, прокладочную пленку и термобуфер. Обрезать облой по первоначальному размеру образца и произвести травление медной поверхности.
Кондиционировать в печи в течение 180 минут при температуре 150 ± 5 °C и затем кондиционировать в течение 18 часов при условиях определенных в разделе 5.2 стандарта МЭК 60068-1: температура 23 ± 1°C и относительная влажность 50 ± 2%. Измерить конечные длины расстояний между метками (рис. 2): 1—2, 2—3, 3—-4, 4—1.

Отчет

Отчет об испытаниях должен включать в себя:
– номер испытания и индекс ревизии;
– дату проведения испытания;
– обозначение типа испытываемого материала;
– размер образцов (направление основы);
– параметры процесса (включая цикл прессования);
– структуру МПП;
– тип, метод и погрешность измерений;
– среднее значение изменений размеров относительно начальных для каждого направления листа образца (выраженное в мм/мм и сопровождаемое комментарием «сжатие» или «расширение»);
– любое отклонение от данной методики испытаний.

Целесообразно разделять методы улучшения стабильности, применяемые при изготовлении материала и используемые в производстве МПП. При производстве базового материала конечная стабильность размеров зависит от множества факторов, которые закладывает производитель:
– тип армирующего наполнителя;
– тип связующего наполнителя;
– комбинация связующего и армирующего наполнителей;
– количество слоёв в композитном материале;
– режимы прессования материала.
В производстве МПП существуют следующие способы управления размерной стабильностью:
– термостабилизация заготовок;
– немеханические способы развития поверхности фольги;
– заполнение пустот на слоях медью;
– стабильность климатических параметров на протяжении всего цикла изготовления;
– подбор режимов прессования;
– выбор армирующих наполнителей композиционных материалов.

Существует множество армирующих наполнителей. Основные из них — это целлюлозная бумага, стеклоткань, кварцевая ткань, стеклянный шпон, арамидные волокна и огромное множество простых наполнителей.
Бумага из целлюлозы, получаемая в отечественном производстве из лиственных и хвойных пород деревьев, а за рубежом — из рисовой соломки, обладает очень низкой размерной стабильностью, и имеет склонность к сильному поглощению влаги, что делает материалы из неё непригодными для использования при производстве ПП с высокой плотностью межсоединений.
Из стеклянных нитей получают стеклянную пряжу, скрученную из отдельных волокон. Из пряжи ткут стеклянные ткани с различным видом плетения: «полотняное» (рис. 5), «сатиновое» (рис. 6), «саржевое» (рис. 7) и д.р. Наиболее распространена стеклоткань с «полотняным» плетением. Преимуществами стеклоткани является высокая теплостойкость, значительная механическая прочность, относительно низкая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Можно также утверждать, что чем рыхлее переплетение, тем меньше остаточных напряжений в диэлектрическом основании. Из-за змеевидной геометрии пряжи в стекловолокне она может вести себя как пружина при использовании ее в качестве армирования базового материала. Во время процесса обработки смолы и при выполнении операции прессования материала стеклоткань подвергается воздействию напряжений, которые могут накапливаться в материале по мере отверждения смолы. Эти напряжения могут высвободиться в процессе изготовления платы на этапах травления слоев или прессования пакета МПП, вызывая изменения размеров слоёв.

Рис. 5. Полотняное переплетение

Рис. 6. Сатиновое переплетение

Рис. 7. Саржевое переплетение

Нетканые материалы (стеклянный шпон или стеклянная бумага) могут избежать этих напряжений. В нетканых материалах короткие, случайным образом ориентированные волокна обрабатываются вместе с полимерной системой. Прямые нити стекловолокна укладываются равномерно диагонально друг относительно друга, что может противостоять последующим напряжениям.
Арамид — ароматический полиамид — аморфный полимер линейного строения, обладающий высокой прочностью в нитях, лентах и пленках. Для арамида характерны высокие температуры размягчения, достаточно высокая (до 220 °С) температура длительной эксплуатации, повышенная радиационная и химическая стойкость, низкая плотность и отрицательный коэффициент линейного расширения вдоль волокон. В смеси со смолами композиция может получить нулевой коэффициент линейного расширения.
Под простыми наполнителями имеются ввиду тонко измельченные материалы, которые добавляются в связующее для изменения его свойств. В ряду таких наполнителей, большей частью, неорганические материалы, начиная от каолина до стеклянных сфер. Ряд наполнителей (специальная керамика) уменьшает коэффициент линейного расширения, и тем самым, улучшает надежность плат.

Существует огромное множество различных типов связующих, используемых при изготовление композитных материалов. Большинство из них — это полимеры — органические вещества с чрезвычайно большими молекулами, содержащими иногда многие тысячи атомов. По химической природе, многие из искусственных высокомолекулярных структур представляют собой вещества, молекулы которых получаются при соединении друг с другом большого числа молекул более простых по составу веществ, так называемых мономеров. Реакция образования полимеров из мономеров носит общее название полимеризации.
Высокомолекулярные соединения — линейные или пространственные полимеры, при всем своем разнообразии их происхождения и свойств, характеризующиеся сходным строением и некоторыми общими физическими свойствами, получили название синтетических смол.
С точки зрения стабильности размеров, эпоксидные смолы имеют уникально малую усадку при полимеризации — 0,2…0,5%, и потому, минимальные внутренние напряжения. Для сравнения: усадка полиэфирмалеинатов достигает 15%, полиэфирных смол от 7% до 15%, для фенолоформальдегидной композиции — от 1% и выше, а для полиимида — 17%. Уникально малая усадка и хорошие физико-механические свойства эпоксидных смол предопределили их массовое применение в производстве фольгированных диэлектриков для печатных плат, композиционных материалов, масок и клеев.

Одна и та же толщина диэлектрика может быть получена многочисленными комбинациями стеклоткани и содержания смолы. Конструкции с относительно низким содержанием смолы часто являются предпочтительными, поскольку они дают меньшее расширение по оси Z и поэтому могут улучшить надежность трансверсальных межсоединений. Кроме того, низкое содержание смолы может также улучшить размерную стабильность, стойкость к короблению, а также возможность управления толщиной диэлектрика. С другой стороны, конструкции с высоким содержанием смолы приводят к низким значениям диэлектрической проницаемости, что иногда является предпочтительным для электрических характеристик. Кроме того, ограничение минимального содержания смолы необходимо для обеспечения адекватной пропитки смолой стеклоткани, чтобы предотвратить образование пустот внутри МПП. Способность полной пропитки смолой стеклянных нитей очень важна для сопротивляемости электромиграции (CAF — Conductive Anodic Filament по IPC 4101B). Для каждого типа стекловолокна существует оптимальное содержание смолы, при котором достигается баланс различных требований к рабочим характеристикам.

При толщине диэлектрика меньше 0,1 мм обычно используют однослойную стеклоткань. В том случае, когда толщина диэлектрика составляет 0,1…0,2 мм, существует вариант использования однослойной и многослойной структуры. При толщине диэлектрика больше 0,2 мм обычно приходиться использовать многослойную стеклоткань. В пределах каждого диапазона существуют комбинации использования многослойной ткани и удельного содержания смолы, которые могут обеспечить требуемую толщину диэлектрика. Выбор той или иной многослойной структуры может существенным образом повлиять как на стоимость, так и на рабочие характеристики платы. Выбор однослойной структуры как альтернативы многослойной, если это возможно, не так уж редок.
Однослойная структура дает возможность снизить затраты по сравнению с многослойной структурой. Величина этой экономии будет зависеть от конкретного типа используемого стекла и стоимости других материалов. Рабочие характеристики также необходимо принимать во внимание при определении используемой конструкции. Прежде всего, однослойные конструкции имеют меньшее содержание смолы. Другим основным преимуществом однослойных конструкций после удельного содержания смолы является контроль толщины диэлектрика. При прочих равных условиях, за счет использования однослойной конструкции может быть обеспечены меньшие допуски по толщине, поскольку вариации толщины одного слоя предварительно пропитанного стекловолокна будут меньше, чем в случае использования нескольких слоев. Тем не менее, если речь идет о размерной стабильности, однослойные конструкции менее устойчивы, чем многослойные.

В процессе изготовления композиционных материалов производители не имеют возможности доводить связующее до полной полимеризации — для этого требуется гораздо больше времени нагрева, чем это позволяют условия массового производства. Вместо этого многие производители слоистых материалов уменьшают давление в определенной точке цикла прессования, что уменьшает нагрузки, деформирующие тонкие слои материалов.
Новые технологические методы изготовления материалов тонких слоев могут также способствовать улучшению стабильности размеров. Равномерный температурный профиль по всему прессуемому пакету позволяет применять низкое давление при прессовании. Оптимизация этих параметров может привести к улучшению однородности в стабильности размеров.
Контроль других процессов, используемых при изготовлении материалов, также очень важен для стабильности размеров. Контроль сырья, особенно стеклоткани, может способствовать стабильности размеров. Натяжение в ткани, создающееся в процессе ее пропитки, повышение температуры и давления при прессовании материала, а также методика сложения слоев при изготовлении слоистого материала, также могут оказывать существенное влияние на стабильность размеров. Согласованность этих параметров обычно улучшает эффективность процесса изготовления печатных плат.

При изготовлении фольгированных диэлектриков производители никогда не доводят полимеризацию связующего до окончательного состояния, так этот процесс длительный, существенно сказывающийся на объеме выхода продукции. Производители рассчитывают на то, что при изготовлении печатных плат диэлектрическое основание подвергается дополнительному нагреву и поэтому процесс полимеризации продолжится. Однако при этом нагрев не является целенаправленным и однородным. Поскольку при полимеризации происходит усадка (изменение линейных размеров), необходимо этот процесс выполнять в однородных условиях для получения однозначно стабильных результатов.
Смысл термостабилизации состоит в окончательной полимеризации (отверждении) связующего вещества и частичного удаления летучих веществ (влаги и растворителя) из базового материала. Это делается для улучшения электрических и механических свойств стеклотекстолита.
Степень полимеризации — это число мономерных единиц в молекуле полимера — безразмерная величина, измеряемая в %. Количественно её можно определить, измеряя массу образца до и после удаления мономерных и маломолекулярных структур. Они отличаются относительно хорошей растворимостью. Поэтому их извлечение производится при помощи аппарата Сокслета (рис. 8), в котором пары ацетона, проходя через материал, растворяют имеющиеся в нём мономеры (F. R. Soxhlet, 1848 — 1926, нем. химик).

Рис. 8. Аппарат Сокслета

Прежде чем поместить образец в аппарат Сокслета, с него стравливают всю медь, сушат в течении 2 часов при температуре 105° С, а затем взвешивают. После чего образцы измельчают, а связующее (полимер) отделяют от стеклоткани. Порошок связующего помещают в аппарат Сокслета на полчаса, подвергают обработке парами растворителя, а затем снова взвешивают. Вычисляют степень полимеризации (Р) следующим образом: 
 

(где m₁ — масса образца до прогонки в аппарате Сокслета; m₂ — масса образца после прогонки в аппарате Сокслета; m_СВ — доля массы связующего в образце).
Для каждой марки материала существует своя оптимальная степень полимеризации, т.к. низкое содержание летучих веществ и слишком сильное отверждение могут приводить к расслоению, понижению теплостойкости и уменьшению прочности базового материала.
По изменению температуры стеклования (Tg) базового материала также можно определить полноту полимеризации. Имеется ряд методов измерения Tg, такие как спектральный ИК-анализ, измерение электрических характеристик и методы термодинамического анализа. Наиболее широко используются последний, т.к. применение первых двух ограничено и затратно. К трем методам термодинамического анализа относятся:
– дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC);
– термомеханический анализ (TMA);
– динамометрический анализ (DMA).
Более подробное описание этих методов можно найти в IPC-TM-650. Для определения полноты полимеризации следует проводить как минимум два измерения Tg базового материала. Если значение Tg в первом измерение существенно меньше, чем во втором (Tg1 << Tg2; ∆Tg > 3° С), это означает, что степень полимеризации недостаточна, и требуется термостабилизация. Если же наоборот первое измерение Tg значительно превышает второе (Tg1 >> Tg2; ∆Tg > 5 °С), то это может указывать на то, что материал образца приближается к состоянию, характерному для температуры разложения (Td).
Процесс термостабилизации имеет следующие параметры:
– температура;
– длительность;
– давление на заготовку по оси Z;
– давление воздуха в печи.
Обычно, температуру устанавливают на 5° С выше указанной в паспорте температуры стеклования Tg. Длительность нахождения материала в печи (или прессе) при температуре Tg + 5 °С составляет 3 часа, с последующим постепенным охлаждением до температуры окружающего воздуха в течении 5—8 часов. Вакуум при процессе термостабилизации желателен, но не является необходимым. Давление по оси Z можно обеспечить в прессе, выставив значение равное
2 кг/см², но наличие этого давления также не является обязательным.

Применение фольги с заранее обработанной поверхностью обычно дает возможность исключить процедуру создания шероховатостей при формировании рисунка дорожек на внутренних слоях. Создание шероховатостей поверхности обычно достигается путем механической зачистки (крацевание), которая может вытянуть или искривить тонкие материалы. Большая часть деформаций, вносимых этим процессом, относится к упругим, так что слоистые материалы обычно возвращаются к своим первоначальным размерам. Но этому процессу возвращения требуется некоторое время. Если рисунок наносится до момента, когда материал полностью восстановит свой размер после механической зачистки, то может произойти некоторое смещение рисунка после его нанесения. Кроме того, изменение самой процедуры механической зачистки со временем может привести к изменениям деформаций от партии к партии, что неблагоприятно повлияет на возможности совмещения. Фольга RTF, которая дает возможность отказаться от механических процедур создания микрошероховатостей благодаря усиленной адгезии фоторезиста, может способствовать улучшению точности совмещения.

При проектировании сигнальных слоев, разработчики зачастую не заполняют пустоты, остающиеся между проводниками (рис. 9). При производстве двусторонних или низкопрецизионных ПП, это оправдывает себя, т.к. снижает конечную массу печатной платы. Но при проектировании МПП начиная с класса 5, незаполненное медью пространство может серьезно влиять на точность совмещения площадок межслойных соединений, особенно на тонких основаниях. Медь, по сути, армирует тонкое основание, снижая коробления слоя и не давая высвободиться всем внутренним напряжениям материала на этапе травления.

Рис. 9. Слева — слой с заполненными медью пустотами, справа — исходный слой с проводниками

Требования по стабильности температуры и влажности относятся ко всем производственным помещениям, где выполняются операции, связанные с обеспечением размерной точности. Стандартным требованием к температурному режиму является соблюдение в помещениях температуры 21 ± 1 °С, а по режиму влажности — поддержание её на уровне 50 ± 5 %.

Основная часть изменений размеров материала происходит во время цикла прессования, когда температура превышает Tg смолы материала. Выше температуры Тg смола в материале размягчается и поток смолы создает напряжения, накапливаемые в армирующем материале, которое впоследствии будут высвобождены в виде деформаций.
Понимание реологии (наука, изучающая деформации и текучесть вещества) смолы в препреге очень важно! Температура, при которой смола начинает плавиться, и температура, при которой она начинает твердеть, а также связь между нагревом и вязкостью смолы имеют большое значение. Что касается вязкости, то значение имеет не только достигаемая минимальная вязкость, но и время, в течение которого у смолы вязкость ниже определенного уровня, что позволяет смоле течь и заполнять внутренние элементы профиля печатных проводников. Понимание этих факторов дает возможность проектировать циклы «сжатия» или циклы «размягчения», когда профили давления и температуры проектируются соответствующим образом для улучшения получаемых характеристик, включая стабильность размеров.
Кроме того, можно использовать такую смолу в материале препрега, которая твердеет при температуре ниже Tg. Однако на практике это применяется редко, хотя и может помочь избежать плавления смолы в материале и тем самым предотвратить большую часть смещения. Противодействие использованию этой методики обычно возникает из-за желания иметь одинаковую систему полимера в пределах всей многослойной печатной платы.

Зачастую производители ПП доверяются производителю базового материала, исключая из техпроцесса операции по улучшению геометрической стабильности, т.к. эти операции затратны и не дают ощутимого прироста выхода годной продукции при производстве ПП низкого класса точности. Однако, при высоких требованиях к плотности межсоединений, и производитель базового материала и производитель МПП обязаны использовать весь набор методов по улучшению размерной стабильности, чтобы обеспечить возможность совмещения элементов межсоединений в платах высокого класса точности.