Отечественные материалы для изготовления ГП и ГЖП

Материалы для гибких и гибко-жестких печатных плат

В настоящее время отечественные производители все большее внимание уделяют проектированию гибких (ГП) и гибко-жестких печатных плат (ГЖП). Ранее ограничивающим фактором в таких разработках являлось отсутствие необходимых базовых и вспомогательных материалов для их изготовления, а также достоверной информации для принятия конструкторского решения. Хотя за время существования гибких плат предпринимались попытки использования множества различных материалов, сейчас их круг сузился, так что лишь некоторые из них получили широкое распространение. В этой статье рассматриваются новые материалы, поступившие на российский рынок с тем, чтобы помочь конструкторам и технологам сделать правильный выбор для решения их задач.

Востребованные характеристики материалов для ГП и ГЖП

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.

Стабильность размеров

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.

Термостойкость

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.

Сопротивление разрыву

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.

Электрические характеристики

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.

Гибкость

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.

Низкое влагопоглощение

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.

Стойкость к химическим воздействиям

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.

Повторяемость характеристик от партии к партии

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.

Несколько поставщиков

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.

Низкая стоимость

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.

Основные элементы структуры материалов для ГП и ГЖП

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 ГП

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.

Металлическая фольга

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

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 сверхвысокотемпературногоадгезива, 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.

Адгезивная пленка

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 полиимидныхадгезивов, в настоящее время во многих полиимидных гибких платах применяются системы адгезивов из других групп полимеров. Тем не менее, некоторые новые термопластичные полиимидныеадгезивы 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.

Покровные слои

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.

Фотопроявляемые покровные слои

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.

Защитные покрытия

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

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

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

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 отверждатьсяУФ-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.

Материалы жестких конструкций ГЖП

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.

Характеристики материалов ГП и ГЖП фирмы Hitachi

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 HitachiChemical.
Компания HitachiChemical 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.