Высокопроизводительные покрытия. Часть 2.

автор Автор: Карл Дитц (Karl Dietz) |

Стандарты приемлемости/производительности и методы тестирования меняются для разных ПП, и наиболее широко применяемые стандарты и методы разрабатываются и публикуются в IPC.

Вот список наиболее часто учитываемых параметров производительности для диэлектриков:

  • Низкие потери (низкий Df, тангенс угла диэлектрических потерь или коэффициент затухания), например, материал диэлектрика, который очень мало способствует ослаблению электрического сигнала во время его передачи
  • Низкая Dk (диэлектрическая постоянная)
  • Низкий КТЭ (коэффициент теплового разрушения)
  • Высокая Tg (температура стеклования)
  • Стабильность размеров, жесткость
  • Хорошая теплопроводность (рассеивание тепла)
  • Огнестойкость
  • Химическая стабильность
  • Сопротивление проводящей анодной нити (CAF)

Может быть один драйвер, требующий одного из этих свойств, или же одно свойство производительности может быть продиктовано несколькими требованиями – требования, которые могут быть обусловлены потребностями полупроводников, потребностями сборки или потребностями конечного использования. Или же единственное требование конечного использования может влиять на несколько параметров производительности. Следующий список пытается объяснить эти требования к базовому материалу.

Низкие диэлектрические потери – наиболее важны при высоких частотах и там, где есть длинный путь электрической схемы. Последнее очевидно, так как потери зависят от длины линии передачи и обычно определяется в децибелах на единицу длины, обычно это дБ/см, при этом децибел представляет собой отношение логарифмов силы сигнала в начале и конечную точку единичной длины. Предыдущее (высокая частота) не так очевидно. Во-первых, тенденция к более высокой тактовой частоте и большей пропускной способности для достижения более высоких скоростей передачи данных хорошо документирована. Проблема в том, что тангенс угла диэлектрических потерь (Df) диэлектрика из усиленного стекла является не постоянной, а функцией частоты сигнала и, к сожалению, потери увеличиваются с частотой. Следовательно, важно выбрать такой диэлектрик, который имеет низкий Df, который остается разумно плоским при разных частотах.

Df диэлектрической смолы изменяется в зависимости от частоты: величина Df может быть достаточно плоской или показывать увеличение при определенном уровне частоты, или, что чаще встречается, слегка снижаться при более высоких частотах, отражаясь на активации химических связях, зависящих от частоты. Мы встречаем такие диэлектрики с низкими потерями на микроволновых, радио частотах ((RF), и в радарных платах и модулях, таких как передатчики базовых станций сотовой связи, и RF модулях ресиверов или сотовых телефонов. Без диэлектриков с низкими потерями передатчики будут терять большую часть своих сигналов в форме тепла, а ресиверы не смогут поддерживать слабый входящий сигнал выше уровня фонового шума. Подобная проблема есть и в цифровых приложениях, где есть тенденция в сторону низких напряжений. Материал диэлектрика с очень низкими потерями, такой как PTFE (политетрафторэтилен) может также использоваться в высокотехнологичных корпусах.

Интересно изучить, почему FR-4 имеет относительно высокие потери, тогда как PTFE является материалом с низкими потерями. Это связано с молекулярной структурой смолы, композита или керамики. Если смола имеет большинство химических связей, характеризующихся разделением заряда (то есть полярными связями или ионными связями в противоположность ковалентным связям), и если эти дипольные заряды могут легко перемещаться из-за термальной или другой активации, то такая смола будет иметь высокую диэлектрическую постоянную и высокий тангенс угла диэлектрических потерь. С другой стороны, смола с высоким количеством углеводородных доменов (алифатическая и/или ароматическая) без или с несколькими полярными связями скорее всего имеет более низкую Dk и более низкий Df.

Смолы с малыми потерями состоят из таких материалов как ПТФЭ (PTFE), полифениленоксиды, функционализированные простые полиэфиры, такие как аллилированный полиметиленовый эфир, строительные блоки, такие как бутадиен, стирол и малеиновый ангидрид, и ароматические полиэфиры, такие как LCP (жидкокристаллические полимеры). Проблема в том, что без функционализации эти материалы являются термопластиками (не термоотверждаемыми), поэтому многослойный прессинг по типу FR-4 с препрегом невозможен. Решением этой дилеммы может быть функционализация чистой смолы (например, с аллельными группами) и/или создание составов препрега, которые содержат некоторую смолу или похожий термоотверждаемый материал; однако, такие маневры в некоторой степени разбавят желаемые электрические свойства. Есть еще один щекотливый момент: поскольку смола становится более похожей по природе на углеводород, адгезия к меди или даже обработанной меди становится более проблематичной. Не только то, что смола сама по себе более склонна к когезионному разрушению (то есть связи между молекулами смолы слабее, чем полярные связи и водородные мостиковые связи, обнаруженные в FR-4). Конечно, возможно создать многослойные платы с неподдельными неполярными смолами, приблизившись к точке плавления в расплавленном покрытии, которые изготовители, которые используются для обработки FR-4, не охватывают.

Низкое влагопоглощение базового материала желательно с нескольких точек зрения. Влагопоглощение связано с нарушениями паяных соединений в поверхностном монтаже («попкорн» при климатических испытаниях при повышенных давлении и температуре). Поглощение влаги также де факто снижает Tg, что вредно для стабильности размеров и проблемы с бессвинцовыми составами припоя с более высокой температурой плавления. Это еще не конец списка проблем. Влагопоглощение обычно приводит к ухудшению электрических свойств (например, Dk и Df увеличиваются с увеличением содержания влаги). Химический подход к решению этой проблемы не для того, чтобы получить лучшие показатели Dk и Df в первую очередь: предпочтение отдается гидрофобными углеводородным структурам. Полезными являются поперечно связанные, плотные структуры или кристаллические фрагменты с низкой смачиваемостью и низкой скоростью диффузии влаги (например, LCP).

Необходимость высокотемпературной стабильности размеров (высокий Tg) вытекает из прихода бессвинцовых высокотемпературных эвтектических припоев. Другим драйвером является использование устройств, которые генерируют большое количество тепла, такие как чипы, которые работают при высоких тактовых частотах, чипы большего размера или оптоэлектронные компоненты с лазерными диодами, генерирующими тепло. Способность рассеивать тепло также становится важным свойством в этом контексте. Керамические материалы показывают здесь преимущество перед органическими материалами.

Источник: журнал The PCB Magazine Январь 2016

Рис. 1: Взаимоотношения электрических и размерных параметров.
k= диэлектрическая постоянная
t = толщина диэлектрика
L = индуктивность
V = напряжение
А = площадь меди
Z0 = характеристика импеданса
С = емкость
I = ток
F = фактор

Назад