Учебник по Технологии

3.2.Материалы печатных оснований

3.2.1.Требования к материалам печатных оснований

В качестве исходного материала для оснований печатных плат используют листовой одноили двусторонний фольгированный стеклотекстолит или гетинакс, серийно выпускаемый электротехнической промышленностью.

Фольгирование осуществляется созданием механически прочной связи поверхности медной или алюминиевой фольги с поверхностью листового диэлектрика с помощью склеивания полимеризующих веществ (клеев) под действием нагрева и давления (для бумаги – фенольная смола, для стеклоткани – эпоксидная).

Электрическая характеристика фольгированных оснований зависит от трех факторов: изоляционного основания, фольги и клея, которым фольга приклеена к основанию.

Требования к диэлектрику:

1)минимальная диэлектрическая проницаемость, чтобы не создавать значительных паразитных емкостей между печатными проводниками;

2)малые диэлектрические потери на высокой частоте, т.е. малый тангенс диэлектрических потерь в рабочем диапазоне частот;

3)необходимая диэлектрическая прочность;

4)большое удельное поверхностное и объемное сопротивление изоляции;

5)стабильные диэлектрические параметры в интервале рабочих температур;

6)хорошие механические свойства (сопротивляемость изгибу, ударная вязкость) и обрабатываемость сверлением, штамповкой и фрезерованием.

Изоляционный материал должен выдерживать также кратковременные (10– 15 с) воздействия температуры 200 ° С и выше, иметь высокую влагостойкость, высокие адсорбционные свойства к клею, которым приклеена фольга, иметь температурный коэффициент линейного расширения, близкий к значениям этого коэффициента фольги. ТКЛР меди в 6– 12 раз меньше, чем у гетинакса, и в 63 раза меньше, чем у стеклотекстолита.

151

Слоистые пластики с бумажным наполнителем, пропитанные фенольной или эпоксидной смолой (гетинакс), применяют тогда, когда основания должны обладать хорошей штампуемостью и средней влагостойкостью.

Слоистые материалы со стекловолокном, пропитанные кремниевой органической смолой (стеклотекстолит), используют при изготовлении оснований, обладающих хорошими диэлектрическими и механическими свойствами, высокой влагостойкостью. Если ПП предназначена для высокой термической нагрузки, то используют силиконовые стеклопластики. Стеклянная ткань в основании способствует сближению температурных коэффициентов линейного расширения пластмассы основания и фольги. Если имеется заметная разница между коэффициентами линейного расширения, то могут произойти коробление платы и обрыв узких проводников (как у гетинакса). Прочность на изгиб у стеклотекстолита в 4– 5 раз выше, чем у гетинакса. Ударная прочность в 1,5 выше, чем у гетинакса.

Фольгированный гетинакс на фенольной основе является самым дешевым и наиболее легко штампуемым материалом. Он имеет хорошие электрические характеристики в нормальных условиях, однако обладает плохой химической стойкостью в травильных растворах, низкой теплостойкостью и большим ТКЛР, он гигроскопичен, имеет малую влагостойкость.

Полистирол неприменим при пайке погружением из-за малой теплостойкости, но является хорошим материалом для ПП, работающих на СВЧ. Наиболее перспективным является применение для ПП фторопласта-4 (тефлона), но его применение ограничено сложностью прочной склейки тефлона с металлической фольгой. Гетинакс марки Ав обеспечивает нормальную работу для частот ниже 5 Мгц, а гетинакс марки Вв – до 1 Ггц.

Алюминиевая фольга легче клеится и дешевле, чем медная, но трудности пайки к алюминию заставляют покрывать ее электрохимическим слоем никеля, что влечет за собой дополнительные проблемы.

Плотность тока в ПП не должна превышать 20 А/мм2 и 15 А/мм2 – для внутренних слоев.

152

3.2.2. Конструктивно-технологическая характеристика ПП

По плотности проводящего рисунка печатные платы подразделяются на три класса.

К классу А относятся платы с пониженной плотностью монтажа, имеющие ширину проводников 0,5–0,8 мм и зазоры между проводниками (в узких местах) – 0,5–0,8 мм. Максимально допустимые размеры плат этого класса – 470 ×479 мм2.

Кклассу Б относятся ПП с повышенной плотностью монтажа, т.е. имеющие ширину проводников 0,3–0,4 мм и зазоры (в узких местах) – 0,2–0,4 мм. Максимальные габариты ПП такого класса установлены 120×180 мм2.

Кклассу В относятся ПП с шириной проводника 0,2 мм.

Применяемые типоразмеры ПП и шаги координатной сетки регламентированы ГОСТ 10317–79, которым установлены три шага координатной сетки 0,5; 1,25; 2,5 мм. Размеры каждой стороны ПП при длине до 100 мм должны быть кратны 2,5 мм; при длине до 350 мм – 5,0 мм; при длине более 350 мм – 10,0 мм. Максимальный размер любой из сторон не должен быть более 470 мм.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает широкий ассортимент фольгированных материалов для печатных плат (ПП) – как жестких, так и гибких. В большинстве своем они не уступают зарубежным аналогам и могут удовлетворить практически любые потребности конструкторов радиоэлектронной аппаратуры.

Однако необходимо отметить, что негорючие материалы для производства ПП составляют всего лишь 10 % рынка материалов, так как отечественные производители не предъявляют должных требований к пожарной безопасности своих изделий. За рубежом на долю негорючих материалов приходится 95 %.

Фольгированный стеклотекстолит марки СФ по-прежнему остается одним из наиболее популярных материалов для печатных плат. Такая востребованность объясняется сочетанием хороших диэлектрических и адгезионных характеристик с низкой ценой. Материал применяется для изготовления одно- и двусторонних печатных плат в относительно несложной радио- и электроаппаратуре.

153

Выпускаемые промышленностью фольгированные диэлектрики на основе бумаги недорогие, по своим характеристикам пригодны для использования в бытовой и аналогичной аппаратуре.

Рассмотрим конструктивно-технологические особенности печатных плат.

Печатные платы реализуют функции системы взаимозависимых характеристик – монтажных, трассировочных, структурных, конструкционных, электрических, конструктивно-технологических, эксплуатационных, надежностных и экономических.

Конкретные значения характеристик ПП определяются требованиями к устройствам и технологическим уровням изготовления. Мотивацией увеличения сложности коммутации проводников, используемых для производства радиоэлектронных устройств, являются увеличение функциональной сложности и завершенности узлов на коммутационной плате; увеличение сложности и разнообразие форм электронных компонентов, монтируемых на плате.

Наблюдается стремление к минимизации габаритов ПП за

счет:

∙повышения плотности монтажа компонентов;

∙размещения компонентов на обеих сторонах платы;

∙уменьшения физической и электрической длины линий связи.

Во многих применениях имеется потребность в повышении быстродействия линий связи. Это достигается прежде всего уменьшением их длины, уменьшением искажения формы передаваемых сигналов и увеличением скорости распространения сигналов. Для этих целей используется материал с малой диэлектрической постоянной, и увеличивается плотность проводников и межслойных переходов. Требуемая плотность связей для корпусированных микросхем оценивается величиной 60–100 см/см2, а для микросхем в микрокорпусах – величиной 300–500 см/см2. Для монтажа кристаллов с шариковыми выводами плотность переходов должна быть не менее 310 шт./см2, для монтажа кристаллов на ленточном носителе (ТАВ) – 110 шт./см2, для монтажа керамического корпуса с шагом выводов 0,5 мм – 14 шт./см2.

Монтаж и коммутацию связями микросхем в корпусах со средним числом выводов и шагом выводов 0,5–0,625 мм могут обеспечивать ПП с 6–8 слоями сигнальных проводников шириной 125–150 мкм, а для монтажа микросхем в микрокорпусах с шагом

154

выводов 0,25–0,5 мм требуются сверхплотные многослойные печатные платы (МПП), которые могут быть созданы при реализации предельных возможностей техники печатного монтажа с шириной проводников от 50 мкм и микропереходами диаметром 0,1–0,2 мм.

Повышение плотности ПП идет в направлении повышения плотности:

∙проводников внутренних сигнальных слоев;

∙проводников наружных монтажных слоев;

∙рисунка проводников экранных (земли, питания) слоев;

∙межслойных переходов в двусторонних сигнальных слоях;

∙межслойных переходов к контактным площадкам для присоединения выводов микросхем, самих контактных площадок для присоединения выводов микросхем.

Серийно освоенный уровень технологии изготовления МПП с отношением толщины платы к диаметру сквозных отверстий 5/1 позволяет изготавливать МПП с числом слоев от 4 до 10.

При увеличении функциональной сложности для обеспечения надежности ПП используют следующие принципы:

∙изготовление проводников минимально достижимой ширины;

∙формирование межслойных переходов предельно малого размера;

∙использование простых конструкций соединений и межслойных переходов.

Кроме того, выполняются следующие условия: сигнальные связи размещаются на наружных и близких к поверхности слоях; соединения через торцевые контакты сквозных переходов резервируются, как правило, в цепях подключения к шинам земли и питания. Принятые принципы и условия в полной мере реализуются в ПП с ограниченным числом сигнальных слоев, т.е. в малослойных МПП (4–6 слоев).

Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные представля-

ют собой слоистые прессованные пластики, изготовленные на основе бумаги (гетинакс) или ткани из стеклянного волокна (стеклотекстолит), пропитанные термореактивными смолами и облицованные с одной или двух сторон медной электролитической фольгой. Предназначены для изготовления печатных плат. Гетинакс и стеклотекстолит изготовляют следующих марок (табл. 9). Толщина листа и предельные отклонения гетинакса и стеклотекстолита при-

155

ведены в табл. 9. Условное обозначение фольгированного гетинакса толщиной 2 мм, облицованного с одной стороны медной электролитической фольгой толщиной 35 мкм, – гетинакс ГФ-1-35-2

ГОСТ 10316–78.

156

Диэлектрик фольгированный тонкий изготовляют из стек-

лоткани, пропитанной термореактивной смолой и облицованной с одной или двух сторон электролитической фольгой. Фольгированный диэлектрик предназначен для изготовления МПП и микроэлектронных устройств. Диэлектрик фольгированный в зависимости от свойств изготовляют следующих марок (табл. 10). Условное обозначение диэлектрика фольгированного тонкого марки ФДМ-2 класса А, толщиной 0,25 мм, облицованного с двух сторон фольгой, – диэлектрик фольгированный ФДМ-2А-0,25 ТУ 16-503.084–77.

Таблица 10

Марка и характеристика диэлектрика фольгированного тонкого

Стеклотекстолит фольгированный травящийся представ-

ляет собой листовой слоистый прессованный пластик, изготовленный из стеклоткани, пропитанной искусственной термореактивной смолой и облицованной с одной или двух сторон электролитической фольгой с гальваностойким покрытием или медной электролитической оксидированной фольгой. Предназначен для изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий. Фольгированный травящийся стеклотекстолит в зависимости от свойств изготовляют следующих марок (табл. 11).

Таблица 11

Марка и характеристика травящегося фольгированного стеклотекстолита

157

Стеклотекстолит фольгированный травящийся всех марок, кроме марки ФТС-2-35-Б, со сплошным покрытием должен допускать воздействие температуры от –60 до +120 °С, а марки ФТС-2-35-Б – от –60 до +110 °С. Условное обозначение фольгированного травящегося текстолита толщиной 0,18 мм, облицованного с одной стороны гальваностойкой фольгой толщиной 20 мкм, клас-

са А, – стеклотекстолит ФТС-1-20-А-0,18 ТУ 16-503.154–76.

Стеклотекстолит фольгированный нагревостойкий (СФПН)

представляет собой слоистый прессованный материал повышенной нагревостойкости, изготовленный из стеклоткани, пропитанной термореактивной смолой и облицованный с одной или двух сторон медной электролитической оксидированной фольгой. Предназначен для изготовления печатных плат. Стеклотекстолит нагревостойкий в зависимости от свойств изготовляют следующих марок (табл. 12).

Таблица 12

158

СФПН-1-50 Стеклотекстолит, облицованный с одной стороны фольгой толщиной 50 мкм, предназначенный для изготовления печатных плат, допускающих работу при относительной влажности до 98 % и температуре не выше 40°С, а также при температуре

до 160 °С в течение суммарного или непрерывного времени 100 ч

СФПН-2-50 То же, облицованный с двух сторон фольгой толщиной 50 мкм

Условное обозначение фольгированного стеклотекстолита нагревостойкого 1,5 мм, облицованного с двух сторон фольгой толщиной 50 мкм, – стеклотекстолит СФПН-2-50-1,5 ТУ 6-05-1776–76.

Стеклотекстолит теплостойкий фольгированный марок СТФ-1 и СТФ-2 представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный из стеклоткани, пропитанной термореактивной эпоксидной смолой, облицованной с одной или двух сторон медной электролитической фольгой. Предназначен для изготовления обычных и многослойных печатных плат методом металлизации сквозных отверстий или другими. В исходном состоянии (со сплошным покрытием фольгой) стеклотекстолит допускает воздействие температур от –60 до +150 °С в течение 150 ч. Стеклотекстолит в зависимости от свойств изготовляют следующих марок (табл. 13). Условное обозначение стеклотекстолита марки СТФ-2 толщиной

0,5 мм – стеклотекстолит СТФ-2-0,5 ТУ 16.503.161–77.

Таблица 13

Марка и характеристика стеклотекстолита марок СТФ-1 и СТФ-2

Диэлектрик фольгированный серии «Д» представляет со-

бой слоистый прессованный материал, изготовленный из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой и облицованный с одной или двух сторон медной электролитической фольгой. Диэлектрик не расслаивается, и на поверхности не появляются пузыри после выдержки при температуре 130 °С в течение 15 ч. Диэлектрик изготовляют марок ДФС-1 и ДФС-2. Условное обозначение фольгиро-

159

ванного самозатухающего диэлектрика марки ДФС толщиной 0,5 мм, облицованного с двух сторон медной электролитической фольгой, – диэлектрик ДФС-2-0,5 ТУ 16-503.202–80.

Стеклотекстолит теплостойкий марок СТПА-5-1 и СТПА-5-2

представляет собой слоистый прессованный материал, изготовленный из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой. Предназначен для изготовления печатных плат как однослойных, так и многослойных с увеличенной плотностью монтажа по полуаддитивной технологии. Стеклотекстолит в зависимости от свойств изготовляют следующих марок (табл. 14). Условное обозначение стеклотекстолита марки СТПА-5-1 толщиной 0,1 мм, облицованного с одной стороны медной электролитической фольгой толщиной 0,005 мм с гальваностойким покрытием, защищенной снаружи медной или алюминиевой фольгой (протектором) толщиной 0,05–0,07 мм, –

стеклотекстолит СТПА-5-1-0,1 ТУ 16-503.200–80.

Таблица 14

Марка и характеристика стеклотекстолита СТПА-5-1 и СТПА-5-2

Листы фторопластовые неармированные и армированные фольгированные предназначены для изготовления печатных плат, работающих при температуре от –60 до +250 °С. Фторопластовые листы марок ФФ-4, ФАФ-4Д облицованы с двух сторон медной электролитической хромированной и гальваностойкой фольгой толщиной 0,035 и 0,05 мм. Условное обозначение фольгированных неармированных фторопластовых листов толщиной 2 мм, облицованных медной электролитической хромированной фольгой толщиной

0,035 мм, – лист ФФ-4-0,035Хр-2 ГОСТ 21000–81.

Стеклотекстолит фольгированный марок Ш и ШУ пред-

ставляет собой слоистый пластик, изготовленный из стеклоткани, пропитанной термореактивной эпоксидной смолой, облицованной с одной или двух сторон медной электролитической фольгой с гальваностойким покрытием.

160