Препреги

Препрег — это просто слой изоляции. Изолировать требуется друг от друга либо два слоя базового материала, либо базовый материал (ядро) от медной фольги. Вторая важная функция препрега — объединение слоёв ядра или ядер между собой. Препрег (и иногда дополнительные адгезивы) связывает слои печатной платы в единое целое.

Но главная функция — это именно изоляция. Препреги представляют собой слой диэлектрического материала с различными добавками. При необходимости можно обеспечить проводимость отдельных областей или точек препрега (селективная проводимость) и создать электрическую связь между слоями платы. Чаще всего препреги используются при создании многослойных печатных плат.

Плотность монтажа печатной платы увеличивается, в связи с чем многослойные печатные платы становятся лучшим выбором в большом количестве проектов. Многослойные платы выигрывают у однослойных как раз за счёт высокой плотности, уменьшения веса и размера печатного узла. Многослойная конструкция позволяет использовать одну плату вместо нескольких за счёт использования вертикального стека (stack-up).

Стек печатной платы включает ядро, проводящие слои, подложку, ламинат, и препрег — это то, что связывает и удерживает ядро и слои.

Стек печатных плат

Сложные, но компактные схемы на многослойных платах стали популярны в последние полтора десятилетия из-за их эффективности и низкой суммарной стоимости производства. Стек печатных плат обеспечивает производство эффективных и недорогих печатных плат, минимизируя уязвимость схем к внешнему шуму и излучению, тем самым улучшая электромагнитную совместимость проектируемой системы.

Положение слоев в стеке

Грамотно выполненное наложение слоев в стеке печатных плат может уменьшить проблемы импеданса и перекрестных помех в высокочастотных сигнальных платах. Стек печатных плат включает в себя процесс размещения чередующихся слоев различных материалов в едином блоке печатной платы с использованием высокого давления и температуры в процессе прессования.

Один слой печатной платы, сконструированный таким образом, обеспечивает равномерную инкапсуляцию проводников без воздуха, захваченного между слоями, которые связаны вместе с помощью клея. В стеке печатных плат есть три основных слоя: внутренний сигнальный слой, заземляющий слой и силовой слой.

Многослойные платы основаны на стеках печатных плат. Стек печатных плат включает в себя слои меди вертикально, с целью объединить несколько электронных схем и сформировать одну печатную плату. Несколько слоев, либо взаимодействующих друг с другом, либо, наоборот, экранирующих один от другого, играют важную роль в улучшении распределения энергии внутри платы.

Ядра и препреги

Между этими слоями может быть либо ядро базового материала, либо препрег. Ядра или сердечники печатных плат представляют собой армированные стекловолокном эпоксидные ламинированные листы с медными дорожками. Препреги — это диэлектрический материал между соседними сердечниками или сердечником и слоем.

Ядро, по факту — это также просто слой препрега как диэлектрика основы. Исключение оставляют платы на металлическом основании, но и в них металлический сердечник покрыт слоем диэлектрика.

Для использования в качестве препрега стекловолокно пропитывается смолой перед тем, как его укладывают в пакет платы. После выравнивания пакет помещают в пресс и под нагревом спрессовывают в монолитную конструкцию. После охлаждения препрег затвердевает и связывает пакет в заготовку для многослойной печатной платы.

Несмотря на зачастую похожий состав и некоторые свойства, между ядром и препрегом есть существенная разница.

Ядро — это готовый ламинат из препрега и фольги или из основания, препрега и фольги. Ядро обычно состоит из базового материала, чаще всего это FR-4, это также стекловолоконный композит. Ядро жёсткое, оно состоит из твёрдого материала. Даже в случае гибкого материала :)

Второе отличие — меняющаяся Dk. Диэлектрическая проницаемость ядра не меняется в процессе производства, в то время как у препрега B-stage и отверждённого она различается. Это может быть важным в некоторых ответственных устройствах.

Препрег не ламинируется. Все препреги — материалы B-стадии (B-stage). Стеклоткань пропитывается смолой и высушивается только частично или полностью, но без отверждения смолы. Количество нитей основы определяет количество смолы, которое может удержать стеклоткань. Выше упоминались различия в количестве смолы — SR, MR, HR. Конкретный тип препрега выбирается в зависимости от необходимой толщины и других условий. Чем выше содержание смолы в препреге, тем выше его цена. Тем не менее, выбор препрега обусловлен не стоимостью, дороже не значит, что препрег лучше. Основным требованием к выбору марки препрега является достижение проектных толщин и заполнения. Пример расчёта препрега будет приведён ниже.

Материал препрега зависит от условий проекта и выбирается в зависимости от количества слоёв, толщины, структуры слоёв, электрических характеристик, таких как импеданс и других свойств.

Чаще всего препрег представляет собой композитный материал из фибергласа и смоляной пропитки (название, собственно, от этого и происходит — ткань заранее импрегнируется смолой). В зависимости от количества смолы в материале, выделяют три основных вида препрегов:

• Высокосмолистый HR (High Resin);
• Среднесмолистый MR (Mid Resin);
• Стандартный SR (Standart Resin).

В большинстве случае армирование выполняется из стекловолокна, а пропитка представляет собой эпоксидную смолу в разных модификациях, в виде термореактивной и термопластичной смол. Оба варианта выполняют одну и ту же функцию препрега, но технологически — это две разные вещи. Также это могут частично отверждённые полиимиды.

Чаще всего препрег состоит из армирующего волокна и пропитки. Многоволоконная ткань обеспечивает механическую прочность и стабильность размеров. Количество нитей, тип их переплетения и объём влияют на общую толщину препрега, количество удерживаемой смолы и, в итоге, на электрические (диэлектрические) характеристики.

Для создания слоев армирования в препреге используется несколько различных материалов:

• Стекло является наиболее распространенным волокнистым материалом. Обеспечивает хорошие механические свойства и диэлектрические характеристики по низкой стоимости.
• Арамид — твердые синтетические волокна, такие как кевлар или номекс. Используются для высокопрочных гибких схем.
• Керамические — для высокочастотных применений. Стабильная диэлектрическая проницаемость. Дорогостоящие.
• Углеродные (карбоновые) — высокая прочность и жесткость. Углеродное волокно — специфический материал и нечасто используются из-за высокой проводимости.
• Композитные материалы — PTFE со стекловолокном, полиимид. PTFE имеет экстремально низкую Dk, а полиимид показывает высокую термостойкость.

Стеклянные ткани являются самым используемым волокнистым материалом в коммерческих печатных платах с низкой и средней стоимостью. Диаметр стекловолокна составляет 5–15 мкм, тонкие волокна обеспечивают более гладкую поверхность. Арамид также используется относительно часто. Керамические препреги с пропиткой — экзотика, чаще керамика используется в виде наполнителя в композитных материалах, например, в полиимидных препрегах.

Доминирующий материал для основы препрега. Стекловолокно получают путём расплава различных оксидов, основную массу которых составляет оксид кремния (SiO₂) — до 65%, до 25% оксида бора B₂O₃, от 8 до 16% оксида алюминия Al₂O₃, до 10% оксидов кальция CaO и магния MgO и по несколько процентов оксида натрия Na₂O, калия K₂O, лития Li₂O, титана TiO₂ и железа Fe₂O₃. Также в составе может быть до 2% по весу фтора F₂ и огромное количество различных добавок содержащих барий, свинец, бериллий, цирконий и других (до 5% веса): BaO, BeO, CaF_2, CdO, Mn₂O_3, P₂O_5, PbO, SO_3, Sb₂O_3, SrO, ZnO, и ZrO₂.

Каждая нить может сплетаться из нескольких полых волокон.

В зависимости от химического состава меняются и физико-механические и электрические характеристики. По совокупности характеристик фиберглас делится на несколько основных классов, из которых в электронике применяются преимущественно три E-стекло, S-стекло, D-стекло.

Некоторые классы стекловолокна

Химический состав стекла (процент по массе)

Стандартный используемый чаще всего вариант — E-стекло (электротехническое стекло). Оно изготавливается из оксидов кремния, алюминия, кальция, магния и бора.

Оно обладает следующими механическими свойствами:

• Плотность: 2,54 г/см³
• Прочность на разрыв: 3400 МПа
• Модуль упругости: 72 ГПа
• Процентное удлинение до разрыва: 4,5-4,9
• Dk борного стекла: 5,86-6,66
• Dk безборного стекла: 7,0

Е-стекло обеспечивает хороший баланс между характеристиками и стоимостью.

Преимущества E-стекла

• Прочность и жесткость. E-стекло демонстрирует превосходную прочность и жесткость.
• Хорошая устойчивость. Оно также имеет хорошую устойчивость к химикатам, влаге и теплу.
• Хороший диэлектрик. Поскольку E-стекло было разработано специально для использования в электротехнических приложениях, одной из его ключевых характеристик является способность изолировать электричество.

Чаще всего встречается в виде простого полотна (перекрёстное плетение) или саржи (диагональное плетение с двумя волокнами утка).

S-стекло — это высокоэффективное стекловолокно, отличающееся от E-стекла более высоким содержанием кремния. Оно обычно содержит оксиды кремния, алюминия и магния со следующими механическими свойствами:

Характеристики S-стекла

• Плотность: 2,16 г/см³
• Прочность на разрыв: 4600 МПа
• Модуль упругости: 89 ГПа
• Процентное удлинение до разрыва: 5,4-5,8
• Dk: 4,53-4,6

Преимущества S-стекла

• Высокая прочность на разрыв и модуль упругости. S-стекло обеспечивает гораздо более высокую прочность на разрыв и модуль упругости, чем E-стекло.
• Большая жесткость. Примерно на 10% больше, чем у E-стекла.

Применения S-стекла

• Аэрокосмическая промышленность. S-стекло часто используется в аэрокосмической промышленности.
• Сложные условия.

Варианты плетения включают простое полотно, розеточное, лено, сатин и другие.

Миниатюризация подталкивает отрасль к использованию специальных волокон с более низкими диэлектрическими проницаемостями и более низкими тангенсами угла диэлектрических потерь. Известно несколько вариантов D-стекла. Все они имеют очень высокие уровни содержания B₂O₃ (от 20 до 26%) и, следовательно, гораздо более низкие диэлектрические проницаемости, чем E-стекло (от 4,10 до 3,56 по сравнению с 6,86 до 7,00).

D-стекло — это самый лучший вариант для армирования ламинатов, но и самый дорогой. Поэтому, несмотря на отличные электрические характеристики, оно применяется редко, при специальных требованиях к проектам.

• Плотность: 2,16 г/см³
• Прочность на разрыв: 2410 МПа
• Процентное удлинение: 2,9 10^-6/°C
• Dk: 3,56-3,62

По совершенно разным причинам сверхчистые кварцевые волокна, полые волокна E-стекла, S-стекло и другие высокотемпературные волокна имеют более низкие диэлектрические постоянные, чем сплошное E-стекло.

Они также могут и используются для армирования ламинатов печатных плат (PCB) и препрегов. Однако кварцевые волокна имеют низкий модуль Юнга и, следовательно, менее эффективны в качестве армирующих волокон. Полые волокна, хотя изначально и эффективны из-за своей низкой диэлектрической постоянной, теряют свои диэлектрические свойства при повышенной влажности.

Арамидное волокно или арамид. Самые известные торговые марки, под которыми встречаются арамиды — Kevlar, Nomex, Arlon и Twaron. Арамидные волокна изготавливаются полимеризацией синтетических полиамидов. Химический состав параарамида — полипарафенилентерефталамид (PPTA). Этот полимер состоит из чередующихся бензольных колец и амидных групп, образующих жесткую стержнеобразную структуру. Арамидные волокна устойчивы ко многим растворителям и солям, слабо устойчивы к сильным кислотам.  

Разница между мета- и параарамидами заключается в выстраивании их химических связей. Параарамиды имеют связи, которые проходят по длине волокна, что способствует их высокой прочности на разрыв. Метаарамиды имеют связи, расположенные зигзагообразно, что приводит к более низкой прочности на разрыв по сравнению с параарамидами.

Арамиды плохо окрашиваются, они чувствительны к ультрафиолетовому излучению, практически негорючи. Арамидное волокно не плавится, а разлагается при высокой температуре.

• Плотность: 1,44-1,47 г/см³
• Прочность на разрыв: 2400-3000 МПа
• Модуль упругости: 45-160 ГПа
• Процентное удлинение до разрыва: 1,9-4,5
• Dk: 4,5

Преимущества арамидных волокон

• Высокая прочность на растяжение
• Низкий КТР (минимальный риск отказа паяного соединения)
• Высокий модуль упругости
• Отличный коэффициент гашения вибрации
• Низкая плотность, печатные платы армированные арамидом в среднем на 25% легче стекловолоконных
• Не поддерживает горение, не плавится
• Обугливание при 425 °C
• Хорошая устойчивость к усталости материала
• Отличные диэлектрические свойства
• Хорошая химическая стойкость к растворителям и морской воде, но не к сильным кислотам и основаниям.

Типичные области применения:

• Военная и коммерческая авионика, ракеты и противоракетная оборона, спутники и другие высоконадёжные SMT сборки, требующие низких значений КТР в плоскости X/Y.
• Другие устройства, требующие низких значений КТР в плоскости X/Y, включая подложки чипов и многочиповые сборки, где подложка чипа служит в качестве интерпозера для крепления к базовой печатной плате.
• Печатные платы, которые подвергаются воздействию повышенных температур во время обработки, например, бессвинцовой пайки.

Армирующий материал препрега может быть как тканым, так и нетканым, в виде переплетения волокон или плёнки в случае, к примеру, полиимида.

Расположение нитей в полотне определяет такие свойства как количество удерживаемой смолы, стабильность размеров и анизотропия.

В тканом материале волокна переплетены друг с другом упорядоченно, в повторяемом рисунке:

• Полотняное переплетение — рисунок сверху и снизу. Наиболее распространено.
• Саржевое переплетение — диагональный рисунок.
• Сатиновое переплетение — переплетение над несколькими нитями.

Тканые материалы имеют более высокую прочность, но меньшую способность к поглощению смолы. Направленность нитей может привести к перекосу по плоскости материала.

В нетканых материалах (матах) волокна расположены случайным образом и не переплетены.

Волокна могут быть короткими, распределёнными беспорядочно или длинными и выровненными по объёму материала.

Нетканые материалы поглощают смолу сильнее и равномернее, но имеют более низкую прочность и не дают проблем перекоса.

Плотность ткани («воздушный вес» — Aerial Weight) измеряется в г/м² и показывает, сколько весит квадратный метр ткани. В среднем, вес стеклоткани лежит в пределах 20 — 100 грамм на метр. Больший вес даёт большее количество удерживаемой материалом смолы, её меньшую текучесть и большую стабильность геометрии за счёт снижения гибкости и ухудшения диэлектрических свойств.

Сравнительная таблица диэлектрических тканей препрегов и базовых материалов (IPC)

В разрезе препрегов «смола» — собирательное понятие. Это могут быть разные по химическому составу и свойствам вещества. В общем случае — это субстрат, который покрывает армирующий слой если он есть и связывает слои ламината в единое целое.

Наиболее распространённое и универсальное вещество для препрегов и ядер печатных плат.

Эпоксидные смолы (или полиэпоксиды), которые используются в производстве печатных плат делятся на две основные группы:

• Глицидиловые (эфиры и амины)
• Неглицидиловые (алифатические и циклоалифатические)

Глицидиловый эфир — самый популярный тип для получения эпоксидных смол в производстве, в основном — бисфенольной эпоксидной смолы.

Одной из самых популярных эпоксидных смол для коммерческого производства печатных плат из эпоксидной смолы является DGEBA (диглицидиловый эфир бисфенола-А — Bisphenol-A diglycidyl ether).

Для его получения необходимо подвергнуть эпихлоргидрин воздействию бисфенола-А в присутствии стандартного катализатора для запуска реакции. Смола, получающаяся в результате, имеет самую низкую молекулярную плотность.

Для получения новолачной эпоксидной смолы (Novolac Epoxy Resin) используется реакция с метанолом и фенолом. Эта смола отличается высокой прочностью и силой адгезии.

Глицидиламиновая эпоксидная смола образуется в результате реакции между эпихлоргидрином и ароматическими аминами. При обычной комнатной температуре эта смола имеет низкий уровень вязкости, поэтому она проста в работе по сравнению с другими видами, имеющими высокую вязкость. Это происходит в результате использования в процессе разбавителей, таких как полиолы и алифатические спирты.

Реакция с участием эпихлоргидрина приводит к образованию алифатической эпоксидной смолы. В этой смоле нет хлора. Её отличительные качества:

• Высокая Tg;
• Низкая вязкость;
• Низкая диэлектрическая проницаемость;

Галогенированная эпоксидная смола — специфическая смола для специальных применений с вовлечением галогенов, таких как фтор и бром. Наиболее распространенным субстратом является бромированный бисфенол-А, поскольку он огнестоек и полезен для использования в электрике. Эти смолы дороги в производстве и имеют низкую Tg, поэтому используются ограничено.

Эпоксидная смола обеспечивает:

1. Хорошую адгезию, простую обработку и хорошие электрические свойства.
2. Температурный диапазон 130–180 °C в зависимости от состава. Модифицированные эпоксидные смолы, такие как БТ (бисмалеимид триазин, BT), еще больше повышают термостойкость.
3. Экономически эффективный выбор для материалов класса FR-4.

Полиимиды представляют собой полимеры, состоящие из имидных мономеров.

Это широкая и разнообразная группа полимеров, она включает в себя различные материалы, как натуральные, так и синтетические. Например, натуральные полиимиды включают шелк и шерсть. В производстве печатных плат натуральные полиимиды не используются, только синтетические.

Производство синтетических полиимидов

Синтетические полиимида производятся путем полимеризации различных химических веществ, содержащих имидные структуры. Чаще всего в этом процессе используются бисмалеимиды и малеиновый ангидрид.

Улучшение свойств

Различные химикаты и добавки, используемые в этом процессе, могут давать различные результаты, создавая различные типы полиимидов. Некоторые примеры перечислены ниже:

• Чистый полиимид. Чистые полиимиды, также известные как полиимиды 2-го поколения, производятся без бромированных антипиренов и других добавок. Имеют самую высокую термостойкость.
• Полиимиды 3-го поколения. Эти полиимида включают добавки, которые улучшают устойчивость к воспламеняемости, но при этом менее устойчивы к высоким температурам.
• Наполненные полиимиды. Наполненные полиимиды состоят из полиимида и наполнителя, например керамического. Наполнитель обеспечивает низкую усадку при отверждении, лучшую теплопроводность и т.д.
• Низкотекучие полиимиды. Эти полиимиды содержат различные смолы и добавки, снижающие текучесть и уменьшающие гибкость материала.

Общая проблема полиимидов — крайне низкая адгезия, в том числе — к меди, а также высоко влагопоглощение.

Основные свойства:

• Гибкость. Чаще всего используется для производства гибких печатных плат.
• Прочность на разрыв. Низкий КТР по оси Z. Отличная размерная стабильность.
• Термостойкость свыше 300 °С.
• Устойчивость к химикатам.
• Относительно высокая стоимость.

Цианатный эфир

• Жестко контролируемая, низкая диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь.
• Низкое влагопоглощение.
• Хорошая химическая стойкость.

Высокочастотные применения, такие как антенны и радары.

Композиты ПТФЭ

ПТФЭ, армированный керамическими или стеклянными микрочастицами.

• Сверхнизкая диэлектрическая проницаемость до 2,2.

Для высокоскоростных цифровых и радиочастотных устройств. Например, Rogers RO3003.

Другие

Полифениленоксид (PPO) — материал с низкими потерями.

Полиэфирная или фенольная смола — более низкая производительность и стоимость, дешёвая замена эпоксидной смолы в FR4-подобных материалах.

В полимерную основу препрега неорганические наполнители добавляются для модификации его свойств.

Наполнители предназначены для улучшения следующих характеристик:

• КТР. Наполнители снижают КТР, что способствует размерной стабильности.
• Теплопроводность. Некоторые наполнители повышают теплопроводность, что делает их полезными для различных применений.
• Диэлектрические характеристики. Наполнители могут влиять на диэлектрические свойства полимерной основы.
• Плотность и текучесть. Форма и распределение размеров частиц наполнителя влияют на плотность и текучесть или вязкость смолы.
• Адгезия. Наполнители могут улучшать адгезию полимерной основы с другими материалами. Это особенно критично для полиимидов.
• Стоимость. Некоторые наполнители снижают стоимость препрега.

Типичные используемые наполнители

• Кремний. Кремний является наиболее распространенным наполнителем, снижая КТР. Обычно представлен в виде кварца.
• Оксид алюминия. Повышает теплопроводность.
• Карбонат кальция. Снижает стоимость, используется для заполнения объёма.
• Гидроксид алюминия. Гидроксид алюминия является непроводящим и химически стойким наполнителем.
• Нитрид бора. Нитрид бора имеет высокую теплопроводность и улучшает теплоотвод.

Форма и распределение размеров частиц наполнителя влияют на плотность и текучесть смолы. Доля наполнителей варьируется от 15% до более 50% по весу, в зависимости от требований конкретного применения.

Большинство препрегов печатных плат содержат огнестойкие добавки для достижения UL 94 V-0 или аналогичного стандарта.

Распространенные варианты:

• Соединения брома, например, тетрабромбисфенол А.
• Фосфорсодержащие добавки, например, DOPO, фосфаты.
• Гидроксиды металлов, такие как гидроксид алюминия.
• Наночастицы — глина, углеродные нанотрубки.

Огнестойкие добавки действуют как за счет физических, так и химических механизмов в смоле.

Рассмотрим наиболее часто применяемые типы препрегов в производстве печатных плат.

Стеклоэпоксидный препрег FR-4 — это универсальный, стандартный и наиболее часто используемый материал в производстве печатных плат.

Характеристики ФР-4:

• Система на основе эпоксидной смолы. Основная система состоит из эпоксидной смолы с армированием стеклотканью.
• Огнестойкость. Класс огнестойкости UL 94 V-0 обеспечивает безопасность при работе с электронными компонентами.
• Низкая стоимость. FR-4 отличается сравнительно низкой стоимостью, что делает его хорошим вариантом для коммерческих печатных плат.

Преимущества ФР-4:

• Температурная стабильность. Tg составляет 130–170 °C в зависимости от состава.
• Лёгкая обработка. Превосходные характеристики обработки позволяют использовать FR-4 для различных типов печатных плат.

Применение ФР-4:

• Низкочастотная цифровые и аналоговые печатные платы. FR-4 подходит для низкочастотных приложений с частотой до нескольких ГГц.
• Контроллеры, бытовая электроника, приборы и средства связи. Основные электрические и тепловые характеристики делают его идеальным для различных типов электронной техники.

Препрег с повышенной температурой стеклования (высокотемпературный).

• Материал на основе модифицированных эпоксидных смол (например BT) или полиимидов.
• Tg выше 170 °С, есть варианты с Tg > 200 °C.
• Часто безгалогеновый (Halogen Free).

Примерами являются Arlon 85N, Nelco 4000-13 и Panasonic Megtron 6. Препреги с высокой температурой стеклования позволяют производить бессвинцовую пайку, монтаж компонентов и проверку качества без проблем с короблением или расслоением.

• Материал на основе PTFE импрегнированного стекловолокном.
• Значительно меньшие потери, чем у стандартного FR-4.
• Превосходные характеристики высокочастотного сигнала для ВЧ и СВЧ.

Основное преимущество PTFE — крайне низкая диэлектрическая постоянная. Пример такого материала — Rogers RO3003 с εr=3. Сверхнизкий Dk позволяет использовать более узкие зазоры между проводниками и более тонкие диэлектрики с сохранением контроля импеданса, задержки распространения и целостности сигнала. В результате можно собирать более лёгкие, тонкие и меньшие по размерам платы.

Полиимидные препреги предлагают ряд преимуществ в производстве печатных плат.

Преимущества полиимида:

• Высокая максимальная рабочая температура. Полиимиды обеспечивают очень высокую Tg более 250 °C.
• Термостойкость. Выдерживает пайку, очистку и высокотемпературную сборку без изменения размеров или свойств.
• Минимальное отклонение размеров. Низкий КТР по оси Z (около 20-30 ppm/°C) минимизирует отказы переходных отверстий.
• Прекрасная прочность на изгиб. Подходит для динамически изгибающихся схем, требующих прочности и стабильности.

Недостатки полиимида:

• Относительно высокая стоимость материала. Полиимид дороже некоторых других вариантов.

Применение полиимида оправдано для сложных плат, требующих высокой термостойкости и размерной стабильности.

Как примеры можно привести препреги DuPont Kapton VN (высокотемпературный препрег) и Hitachi PI-2525 (полиимидная система с высокими показателями термостойкости и размерной стабильности).

Применяется полиимидный препрег в аэрокосмической, автомобильной и промышленной электронике с высоким тепловыделением или работающей в условиях повышенных температур. Высокая термостойкость делает полиимидные препреги лучшим выбором для сложных плат в этих отраслях.

Нетканый арамидный препрег даёт исключительно прочное соединение между слоями.

• Материал представляет собой синтетические волокна, уложенные слоями в мат из волокон.
• Самая высокая прочность склейки, > 3 Н/мм сопротивления на отрыв.
• Низкий КТР по оси Z. Хорошо контролируемый низкий КТР по оси Z, уменьшает отказы переходных отверстий.

Применение нетканых арамидных препрегов:

• Платы большого форм-фактора и высокой надежности. Подходит для сложных устройств, требующих большой надежности и устойчивости к внешним условиям.
• Греющаяся аэрокосмическая, автомобильная и промышленная электроника. Высококачественные нетканые арамидные препреги предлагают исключительную термостойкость и размерную стабильность для сложных плат в этих отраслях.

Примеры наиболее технологичных препрегов:

• Thermount компании Isola. Это нетканый арамидный препрег с превосходными характеристиками термостойкости и размерной стабильности.
• Adhesiveless Metal Clad (AMC) компании Arlon. Высококачественный нетканый арамидный препрег, предназначенный для сложных приложений в различных отраслях.

Препреги следует хранить, упакованными и запечатанными в полиэтилен при температуре -18 °C для сохранения максимального срока годности. Хранение при комнатной температуре (18-25 °С) также допустимо, но срок годности при этом существенно сократится. Срок годности при комнатной температуре обычно составляет 1 год. Охлаждение может продлить этот срок до 1,5-2 лет.

Если препрег хранится долго, он может частично отверждаться, при использовании может потребоваться дополнительный нагрев. Кроме того, у старого материала может повышаться адгезия в ненагретом состоянии, что добавит сложности в обработке.

Необходимо избегать повышенной влажности, хранить материал в герметичных упаковках с добавлением осушителя и не допускать образования конденсата.

Необходимо защитить препреги от ультрафиолета и солнечного света, которые могут вызвать полимеризацию. В помещении хранения и подготовки лучше использовать жёлтый свет.

Материал необходимо полностью разморозить и дать нагреться до комнатной температуры перед тем, как нарушать полиэтиленовую пломбу, чтобы избежать попадания влаги и образования конденсата. Рекомендуется выдержать препрег 6-12 часов при температуре 18-25 °С прежде чем вскрывать упаковку. Не допускается укладка холодного препрега в пресс.

Препреги не представляют большой опасности с точки зрения обращения с ними, следует соблюдать обычные меры предосторожности.

Необходимо надевать перчатки и защитную одежду. Используйте механическую вытяжную вентиляцию при термическом отверждении препрегов.

Для склейки пакета слоёв будущей печатной платы применяется различное оборудование и методы ламинирования.

• Вакуумный пресс
• Формование автоклавом
• Формовка механическим прессом
• Формование под повышенным давлением
• Формование терморасширительным методом
• Прокатка

Параметры обработки

Цикл отверждения — это процесс, в ходе которого смола в препреге переходит из жидкого состояния в твердое посредством применения тепла. В этом цикле есть несколько стадий.

Температура и время отверждения

Для каждого типа препрега существует ряд вариантов температуры отверждения и его длительности. Существует также минимальная температура отверждения. Для заданной температуры отверждения будет соответствующее время отверждения.

Автоклав, ламинат и оснастка должны достигать и поддерживать заданную температуру отверждения в течение выбранного цикла отверждения. Для контроля температуры ламината и оснастки используются термопары.

Скорость нагрева

Скорость нагрева — это мера того, насколько быстро ламинат/инструмент доводится до температуры отверждения.

Это зависит от многочисленных факторов, таких как:

• вязкость матрицы;
• скорость реакции матрицы;
• толщина ламината;
• масса инструмента и оснастки;
• теплопроводность инструмента и оснастки.

Для высокореактивных матриц и толстых ламинатов скорость нагрева будет низкой и может включать промежуточную выдержку при повышенной температуре, чтобы избежать экзотермических реакций и неравномерного отверждения.

Скорость охлаждения

Скорость охлаждения контролируется, чтобы избежать резких перепадов температуры, которые могут вызвать термические напряжения в компоненте.

Вакуум/давление

На определенных этапах цикла отверждения вакуум и давление применяются и снимаются.

• Низкое содержание пустот.
• Контроль объемной доли волокон.
• Контроль толщины ламината.
• Более низкие затраты на рабочую силу.
• Лучшее качество и соответствие проекту.
• Чистый процесс.

Качество препрега играет важную роль в обеспечении качества многослойной печатной платы.

Для проверки качества материала можно проверить физические и электрические свойства.

Физические свойства:

Процентное содержание — определяется путём взвешивания и сжигания или растворения смолы в серной кислоте (H₂SO₄).

Текучесть — определение вязкости в зависимости от температуры и давления. Показывает степень полимеризации и текучесть во время прессования.

Время гелеобразования — проверка времени отверждения смолы при заданной температуре. Показывает окно процесса прессования.

Электрические свойства:

Диэлектрические свойства — диэлектрическая проницаемость и потери измеряются в диапазоне частот. Желательно стабильное значение.

ДСК — дифференциальная сканирующая калориметрия обнаруживает переходы, такие как Tg. Квалифицирует степень отверждения.

Воспламеняемость — испытания вертикального горения по стандарту UL 94.

При приёмки каждой партии препрега желательно проводить испытания образца.

Также при производстве необходимо делать тестовые ламинаты и контролировать их качество.

Каждый производитель печатных плат пользуется своим способом выбора препрега. Во многих случаях это просто эмпирические данные, основанные на опыте и практике. Выбор препрега на основе накопленных опытных данных — вполне рабочий метод, дающий точную гарантию результата, и он отлично работал раньше, когда допуски по толщине были довольно лояльными, отраслевые нормы позволяли проводить корректировки по мере выпуска, а сроки жизни одного продукта в рамках производственного цикла были большими. На сегодняшний день эта практика не подходит. Производство сегодня работает короткими циклами, конструкция узлов меняется очень быстро, а миниатюризация и плотность сборок предъявляют жёсткие требования по допускам. Возможности корректировать входные данные больше нет, правильное решение необходимо получать с первого раза.

Даррелл Парсонс (Isola) предлагает следующий способ калькуляции, который учитывает конкретную конструкцию печатной схемы для достижения проектных диэлектрических пространств и толщины платы.

Основные данные, которые требуются на входе:

• Доступные марки препрега;
• Толщина стекловолокна в каждом из них;
• Общая толщина в состоянии поставки.

Имея эти данные, вы можете рассчитать любую конструкцию с предустановленной толщиной и заполнением и избежать неприятных последствий нехватки объёма смолы в препреге.

Марки препрегов и количество стекловолокна и смолы

При помощи информации из таблицы вы можете собрать любую комбинацию слоёв, отталкиваясь от стартовой и складывая их друг с другом. Также вы получаете доступный объём свободной смолы (неподдерживаемый объём смолы — unsupported resin volume), который может использоваться для заполнения пустот и склеивания слоёв. Этот значение даст вам размер каждого отдельного диэлектрического пространства.

В итоге необходимо определить, какая часть доступного свободного объёма смолы понадобится для заполнения и склеивания любых слоёв с учётом травления меди и хватит ли его. Самый простой способ получить это значение — взять процент травления (количество протравленной меди) и умножить его на толщину медной фольги каждого слоя. Полученные значения необходимо сложить и полученную сумму вычесть из общей толщины, полученной на первом шаге расчёта.

Полученный результат — расчётный диэлектрический зазор между слоями медь/медь.

На этом этапе расчёта вы получите важные данные: если общее расчётное значение толщины диэлектрика равно или меньше, чем общая толщина стекловолокна всех слоёв, то вы можете получить конструкцию, в которой не будет обеспечено достаточного количества смолы для применения выбранного препрега.

Например, если у вас есть 2 сигнальных слоя по 1 унции, которые нужно соединить вместе, и вы определили, что 75% меди было удалено из каждого слоя, то происходит вот что.

Номинальная толщина меди 0,0014×75% = 0,001 × 2 слоя = 0,002.

Уменьшение толщины для объема смолы, необходимого для заполнения 2×106 препрегов, будет равно (ОТ 106) 0,0023 × 2 = 0,0046 - 0,002, необходимого для заполнения = 0,0026 пространства.

Толщина стеклоткани в каждом слое составляет 0,0014×2 = 0,0028, поэтому можно ожидать некоторого сжатия стеклоткани, чтобы получить необходимое количество смолы для заполнения протравленных областей.

Если вы использовали эту же конструкцию во внешнем слое платы с фольгированным покрытием, заполняя только слой заземления в 1 унцию, то вот что вы получите:

Номинальная толщина меди 0,0014×20% протравленной области = 0,00028

Уменьшение толщины смолы для заполнения 2×106 препрегов будет равно (ОТ 106) 0,0023×2 = 0,0046 - 0,00028 = 0,00432, в этом случае у вас достаточно смолы для применения, поскольку общая толщина стекла составляет 0,0028, а расчетная толщина после заполнения составляет 0,00432.

Эти расчёты предназначены только для того, чтобы дать базовое понимание того, как это работает, и, как у любого инструмента, у него есть ограничения:

• очень большие объемы смолы без подложки имеют тенденцию к довольно большой текучести и могут привести к более низким значениям толщины,
• фактическая толщина меди в точке ламинирования часто ниже номинальной из-за процессов очистки и микротравления и т. д.,

но процесс очень точный, если вы вводите точные значения.

Используйте калькуляторы толщины препрега, которые сделают этот процесс очень простым.

Толщины некоторых марок препрегов до и после прессования

¹ Толщина «после прессования» приведена с учётом утилизации примерно 80% меди на внутренних слоях.

Теперь, когда мы знаем материалы препрега, можно понять, как они функционально способствуют процессу изготовления многослойных печатных плат:

Склеивание — препрег надежно связывает между собой фольгу внутренних и внешних слоёв схемы во время ламинирования под воздействием тепла и давления.

Препрег обеспечивает электрическую изоляцию между медными листами, обеспечивая проводимость через просверленные отверстия.

Диэлектрическая проницаемость — материал препрега регулирует Dk изолирующих композитных слоев и участвует в контроле импеданса.

Стабильность размеров — препреги с низким расширением по оси Z минимизируют проблемы и сбои выравнивания в процессе изготовления платы.

Механическая прочность — отвержденный композит препрега придает жесткость и выдерживает изгибающие напряжения.

Расстояние между слоями — листы препрега контролируют расстояния между соседними проводящими слоями для создания расчётного зазора.

Препрег — фундаментальный строительный блок, позволяющий изготавливать высокоплотные, надежные многослойные платы.

Препрег представляет собой важнейший компонент современных печатных плат, позволяя создавать высокоплотные печатные платы с уникальными свойствами. Препрег надежно соединяет соседние медные слои, обеспечивая размерную стабильность и диэлектрическую изоляцию. Он служит в качестве стабильного по размерам электроизолятора между медными листами. Препрег придает структурную жесткость для надежного металлизированного сквозного отверстия и переходных отверстий. Низкотекучие препреги предотвращают замыкание между высокоплотными дорожками. Высокосмоляные препреги контролируют расстояние между слоями. Частицы наполнителя, такие как кремний, обеспечивают коэффициент теплового расширения, соответствующий меди.

Проектировщики печатных плат должны учитывать множество факторов при выборе материалов для своих проектов. Для этого необходимо глубокое понимание свойств и характеристик различных материалов, включая препрег. Препрег является важнейшим материалом в современной электронике, позволяя проектировщикам создавать передовые схемы и устройства с требуемыми характеристиками.

Понимание свойств препрега даёт основу для изготовления сложных, надежных печатных плат.

Поверхностный вес волокна [fibre areal weight] [FAW] — вес ткани, используемой в препреге.

Объемная доля волокна [fibre volume fraction] [Vf] — процент волокна в препреге (по объему).

Текучесть [flow] — способность смолы перемещаться под давлением, что позволяет ей заполнять все пустоты ламината.

Время гелеобразования [gel time] — время, необходимое при заданной температуре для перехода смолы из жидкого состояния в твердое, на что указывает быстрое увеличение вязкости смолы.

Температура стеклования [glass transition temperature] [Tg] — температура, при которой в матрице происходит фазовый переход, это дает представление о максимальной температуре конечного использования.

Вес смолы [resin weight] [RW] — процент смолы в препреге (по весу).

Cрок хранения (время на полке) [shelf life] — продолжительность времени, в течение которого препрег может храниться в определенных условиях и продолжать оставаться пригодным для своей предполагаемой функции.

Липкость [tack] — способность неотверждённого препрега прилипать к себе и к поверхностям.

Срок службы липкости [tack life] — продолжительность времени, в течение которого препрег может храниться при комнатной температуре (21 °C) и иметь достаточную липкость.

Вязкость [viscosity] — измерение характеристик текучести смолы, на которые влияют температура и скорость нагрева.

Содержание пустот [void content] — процент пустот в отвержденном ламинате (по объему).

Летучие вещества [volatiles] — материалы, такие как вода или растворители, которые способны выделяться в виде пара при комнатной или повышенной температуре.