Qualitätsparameter für Leiterplattensubstrate

Da die Leiterplatte ein struktureller Träger für elektronische Komponenten ist, stellen elektrische, hitzebeständige und andere Eigenschaften strenge Anforderungen. Große Elektronikunternehmen richten Testzentren ein, um ihre Leistung umfassend zu testen. Jetzt werden die wichtigsten Parameter und Änderungen dieser Parameter überprüft

Die PCB-Leistung wird wie folgt vorgestellt.

1 Glasübergangstemperatur (Tg)

Neben Keramiksubstraten enthalten fast alle Laminate Polymere.Polymer wird aus organischen Materialien synthetisiert, die durch bestimmte Temperaturbedingungen gekennzeichnet sind. Die Substratform ändert sich. Bei dieser Temperatur ist das Substrat hart und spröde, das heißt, es ähnelt der Form von Glas und wird üblicherweise als glasig bezeichnet.Wenn die Temperatur höher ist, nimmt das Material eine weiche, gummiartige Form an, die auch als Gummizustand oder Lederzustand bezeichnet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die mechanische Festigkeit deutlich geringer, und daher liegt die Entscheidung bei der kritischen Temperatur für die Leistung des Materials ist als Glasübergangstemperatur (Tg) bekannt.Daher wird die kritische Temperatur zur Bestimmung der Leistung des Materials als Glasübergangstemperatur (GlassTranstion Temperture, kurz Tg) bezeichnet.Als Strukturmaterial hofft man natürlich, dass seine Glasübergangstemperatur so hoch wie möglich ist. Die Glasübergangstemperatur ist einzigartig für die Leistung von Polymeren und ein Schlüsselparameter bei der Wahl des Substrats, insbesondere beim SMT-Schweißen Die Schweißtemperatur liegt üblicherweise bei 220°C ℃ Etwa viel höher als die Tg des PCB-Substrats, sodass die PCB durch die hohe Temperatur eine erhebliche thermische Verformung erfährt, während die Chipkomponenten direkt an die PCB-Oberfläche geschweißt werden. Wenn die Schweißtemperatur reduziert wird, werden die Lötstellen normalerweise abgekühlt bei 180 ℃ Bei der ersten Erstarrung, und zu diesem Zeitpunkt ist die PCB-Temperatur noch höher als die Tg, befindet sich die PCB immer noch in einem Zustand der thermischen Verformung, nach einer gewissen Zeit, um vollständig abzukühlen, wird die PCB zu diesem Zeitpunkt zwangsläufig produzieren Bei starker thermischer Belastung wird die Spannung auf die Stifte der Komponenten geschweißt, und wenn die Komponenten schwer sind, wird die Komponente beschädigt, wie in der Abbildung dargestellt.

Schäden an Komponenten durch thermische Belastung der Leiterplatte

Durch Tests kann festgestellt werden, dass, wenn sich das Schaltungssubstrat in der Glasübergangstemperatur des Substratpolymers oberhalb der Temperatur befindet, seine Ausdehnung größer sein wird als bei der Tg-Temperatur unterhalb des gleichen Temperaturanstiegs im Ausmaß der Ausdehnung, in der Glasübergangstemperatur Das heißt, der CTE des Substratmaterials ist ungefähr konstant, und sobald die Temperatur die Glasübergangstemperatur des Materials überschreitet, wird der Betrag der Wärmeausdehnung des Substratmaterials mit die Temperatur in eine exponentielle Beziehung, das heißt, mit steigender Temperatur steigt der CTE exponentiell an.

Daher sollte bei der Auswahl von Schaltungssubstratmaterialien die Glasübergangstemperatur Tg nicht nur höher als die Schaltungsbetriebstemperatur, sondern auch möglichst nahe an der höchsten im Prozess auftretenden Temperatur liegen.

PCB mit hoher Tg hat die folgenden Vorteile: Bohrprozess, der das Bohren von Mikrolöchern begünstigt, Plattenbohren mit niedriger Tg erzeugt aufgrund des Hochgeschwindigkeitsbohrens eine große Menge Wärmeenergie und führt dazu, dass die Platte im Harz erweicht, so dass die Verarbeitung erfolgt Schwierigkeiten.Tg-Hochtemperatur-PCBs haben in Umgebungen mit höheren Temperaturen immer noch einen relativ kleinen CTE, und der CTE der Chipkomponenten liegt nahe am CTE, sodass sichergestellt werden kann, dass das Produkt zuverlässig funktioniert.Insbesondere mit der Einführung von FQFP, BGA, CSP und anderen Multi-Pin-Geräten werden die Anforderungen an Leiterplatten immer höher.Nachdem die Komponenten bei hoher Temperatur gelötet wurden, führt die thermische Verformung der Leiterplatte zu einer hohen thermischen Belastung der Komponenten. Daher sollte bei der Auswahl des Leiterplattensubstrats für elektronische Produkte das Substrat mit höherer Tg entsprechend ausgewählt werden.

2 Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)

Jedes Material dehnt sich aus, wenn es erhitzt wird, und der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) bezieht sich auf das Ausmaß der linearen Größenänderung des Materials, die durch jede Temperaturänderungseinheit ausgelöst wird.

Der WAK von Polymermaterialien ist normalerweise höher als der von anorganischen Materialien, und wenn die Ausdehnungsspannung die Toleranzgrenze des Materials überschreitet, führt dies zu Materialschäden.Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte besteht ein Unterschied zwischen dem CTE in X- und Y-Richtung (dh Längen- und Breitenrichtung) und dem CTE in Z-Richtung (Dicke).Wenn die Mehrschichtplatine erhitzt wird, werden daher die Metallisierungslöcher in Z-Richtung aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungsspannung beschädigt und in schweren Fällen brechen die Metallisierungslöcher.Da die mehrschichtige Platte aus mehreren einschichtigen „halbgehärteten Harzplatten“ besteht, wird die halbgehärtete Harzplatte durch Heißpressen aus Glasfasergewebe hergestellt, das mit Epoxidharz imprägniert ist. Durch Erhitzen und Backen entsteht ein Epoxid-Glasfasergewebe in einem halbgehärteten Zustand. Ausgehärteter Zustand, und dann wird das halbgehärtete Blech Schicht für Schicht gestapelt, z. B. entsprechend der Notwendigkeit, die innere Schicht des Stromkreises zu machen, aber auch entsprechend den Anforderungen des inneren Stromkreises sollte auf die Kupferfolie gelegt werden, und schließlich wird es sein mehrere Lagen halbgehärtetes Blech übereinander stapeln.Gestapelte Schichten halb ausgehärteter Bleche werden durch Heißpressen geformt, abgekühlt und dann an der gewünschten Stelle gebohrt und plattiert, um schließlich plattierte Löcher, auch metallisierte Löcher genannt, zu erzeugen.

Metallisierte Löcher werden hergestellt, aber auch um die Verbindung zwischen PCB-Schicht und Schicht herzustellen.Da die Lochwand nach dem Bohren auf dem Untergrund fast aus Epoxidharz besteht, wird sie bei der Kombination mit einer verkupferten Schicht nicht sehr hoch sein.Die allgemeine Metallisierungslochwand beträgt nur etwa 25 μm dick und die Verdichtung der Kupferschicht gering ist, hinterlässt die Struktur der frühen Mehrschichtplatine auf der Metallisierung des Lochs ein gewisses Maß an versteckten Problemen, d Die Einschränkungen der mehrschichtigen Kupferverdrahtung verringern normalerweise den CTE erheblich auf halbgehärtete Epoxidplatten, beispielsweise beträgt der CTE jeder Schicht (13 ~ 15). × 10-6 / ℃.Und die Schicht-zu-Schicht-Mehrschichtplatte beruht hauptsächlich auf der Bindungskraft des Epoxidharzes selbst, um eine Bindung zu erreichen. Wenn also keine anderen Materialverbesserungen und Einschränkungen vorliegen, ist der CTE des Epoxidharzes nach dem Erhitzen deutlich größer, normalerweise (50 ~ 100). × 10-6 / ℃.Die Schicht der halbgehärteten Folie befindet sich in XY-Richtung, während die Schicht der halbgehärteten Folie in Z-Richtung dazwischen liegt, sodass ein erheblicher Unterschied zwischen dem CTE in XY-Richtung und der Z-Richtung besteht.Da dann die Lochwand des metallisierten Lochs dünn und die Struktur der Kupferplattierungsschicht nicht zu dicht ist, wirkt beim Erhitzen der Leiterplatte die thermische Spannung in Z-Richtung auf die Lochwand des metallisierten Lochs und Nach Belastung des fragilen Teils kommt es zu einem Bruch oder Teilbruch der Lochwand.

Solche Defekte können nicht im Voraus vorhergesagt werden, und manchmal treten versteckte Defekte auf, nachdem das elektronische Produkt eine Zeit lang verwendet wurde, und zwar aus verschiedenen Gründen, wie z. B. Ermüdung, wie in der Abbildung dargestellt.

Bei SMT-Produkten nimmt die Dichte der Leiterplattenverdrahtung zu, die Anzahl der Metallisierungslöcher nimmt zu und der Durchmesser der Löcher wird kleiner, und auch die Anzahl der Schichten in Mehrschichtplatinen nimmt zu.Um die oben genannten versteckten Probleme zu überwinden oder zu beseitigen, werden in der Regel folgende Maßnahmen ergriffen:

(1) Konkaver Ätzprozess zur Verbesserung der Bindungskraft zwischen der metallisierten Lochwand und der Mehrschichtplatine;

(2) Angemessene Kontrolle der Anzahl der Schichten der mehrschichtigen Platte, derzeit wird die Verwendung von 8 bis 10 Schichten empfohlen, so dass das Durchmesser-Tiefen-Verhältnis der Metalllöcher in der Kontrolle etwa 1:3 beträgt, was am meisten ist Sicheres Durchmesser-Tiefen-Verhältnis, das häufigste Durchmesser-Tiefen-Verhältnis beträgt etwa 1:6;

(3) die Verwendung von Materialien mit relativ kleinem CTE oder die Verwendung der CTE-Leistung der übereinander gestapelten Materialien, so dass der Gesamt-CTE der Leiterplatte verringert wird;(4) Im PCB-Herstellungsprozess werden Sacklöcher und vergrabene Löcher in der Technologie verwendet, wie in Abbildung 8-6 dargestellt, um den Zweck der Reduzierung des Durchmesser-Tiefen-Verhältnisses zu erreichen, was der wünschenswerteste Ansatz ist.Blind Vias sind Verbindungen zwischen der Oberflächenschicht und bestimmten internen Delaminationen, ohne dass sie durch das gesamte Substrat verlaufen müssen, wodurch die Tiefe des Lochs verringert wird.Vergrabene Löcher sind lediglich Verbindungen zwischen internen Delaminationen, die die Tiefe des Lochs weiter verringern können.Obwohl Sacklöcher und vergrabene Löcher bei der Herstellung schwierig sind, hat sich die Zuverlässigkeit der Leiterplatte erheblich verbessert. Durch den PCB-Lichtplatinentest kann beurteilt werden, ob das Leitungsnetzwerk angeschlossen ist.

Nachdem Sie die oben genannten Maßnahmen ergriffen haben, verhindern Sie wirksam, dass bei der Verwendung des Produkts das Phänomen des Metallisierungslochbruchs auftritt

3 Ebenheit und Hitzebeständigkeit

1. Ebenheit Aufgrund der Prozesseigenschaften von SMT erfordert die aktuelle Leiterplatte ein hohes Maß an Ebenheit, damit die Stifte der oberflächenmontierten Komponenten und die Leiterplattenpads genau übereinstimmen.Daher verwendet die Oberflächenbeschichtungsschicht des PCB-Pads nicht nur einen Heißluftnivellierungsprozess aus einer Sn/Pb-Legierung, sondern auch eine große Anzahl von vergoldeten Prozessen oder vorgewärmten Flussmittelbeschichtungsprozessen, um ihre Ebenheit zu verbessern.

2. Der SMT-Prozess ist in der Regel hitzebeständig und erfordert manchmal zwei Reflow-Lötvorgänge. Daher muss nach einer hohen Temperatur immer noch die Ebenheit der Platine aufrechterhalten werden, um die Zuverlässigkeit des zweiten Patches sicherzustellen.Die Pads für oberflächenmontierte Komponenten werden immer kleiner und die Haftfestigkeit der Pads ist relativ gering. Wenn die Hitzebeständigkeit des PCB-Substrats hoch ist, ist auch die Abziehfestigkeit der Pads hoch, was die allgemeinen Anforderungen für den SMT-Prozess darstellt der Leiterplatte kann einen 250 haben ℃ / 50 s Hitzebeständigkeit.

4 Elektrische Leistung und charakteristische Impedanz

1. Elektrische Leistung

Aufgrund der Entwicklung der drahtlosen Kommunikationstechnologie hin zur Hochfrequenzrichtung müssen die Hochfrequenzeigenschaften der Leiterplatte verbessert werden, insbesondere durch den Ausbau mobiler Kommunikationssysteme, wobei die vom Kurzwellenband verwendete Frequenz (300 M ~ 1 GHz) verwendet wird. in das Mikrowellenband (1 ~ 3 GHz).

(1 ~ 3 GHz).Die Erhöhung der Frequenz führt zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante (ε) des Substrats.Normalerweise bezieht sich die Übertragungsgeschwindigkeit V (m/s) eines Schaltungssignals auf ε.Die Frequenz eines Schaltungssignals wird durch die Dielektrizitätskonstante des Substrats bestimmt:

wobei K eine Konstante ist, C die Lichtgeschwindigkeit ist und ε ist die Dielektrizitätskonstante der Leiterplatte.Wann ε der Leiterplatte zunimmt, nimmt die Übertragungsgeschwindigkeit V des Schaltungssignals ab.

Zum Beispiel die ε des Polytetrachlorethylen-Substrats beträgt 2,6 bis 3, und die ε des Epoxidsubstrats beträgt 4,5 bis 4,9, und ersteres ist 35 % bis 47 % niedriger als letzteres, und wenn ersteres zur Herstellung der Leiterplatte verwendet wird, ist die Signalgeschwindigkeit 40 % schneller als letzteres.

Darüber hinaus verbraucht das dielektrische Material bei einer Analyse unter dem Gesichtspunkt des Signalverlusts Energie aufgrund der Wärmeerzeugung unter der Wirkung eines elektrischen Wechselfelds, was normalerweise durch den Winkeltangens des dielektrischen Verlusts (tg) ausgedrückt wird δ), und im Allgemeinen tg δ ist proportional zu ε.

Wenn tg δ nimmt zu, das Medium absorbiert mehr Energie und der Signalverlust ist groß;Dieser Zusammenhang ist bei hohen Frequenzen offensichtlicher, was sich direkt auf die Effizienz hochfrequenter Übertragungssignale auswirkt.

Zusamenfassend, ε und tg δ ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der elektrischen Leistung des PCB-Substrats. Wenn die Betriebsfrequenz der Schaltung größer als 1 GHz ist, ist normalerweise ein Substrat erforderlich ε <3,5, tg δ <0,02.Darüber hinaus erfolgt die Bewertung der elektrischen Leistung des Substrats anhand des Index der elektrischen Festigkeit, des Isolationswiderstands und der Lichtbogenbeständigkeit.

Charakteristische Impedanz, wenn der Strom durch den Leiter pulsiert, zusätzlich zum Widerstand, aber auch durch den induktiven Widerstand (XL) und den kapazitiven Widerstand (XC) Widerstand, der Stromkreis oder die Komponente, durch die der vom Hindernis erzeugte Wechselstrom fließt, wird als Impedanz bezeichnet. Und in digitalen Kommunikationsprodukten wie Computern werden gedruckte Schaltungen durch ein Rechtecksignal übertragen, das üblicherweise auch als Impulssignale bekannt ist und der Natur eines pulsierenden Wechselstroms entspricht, so dass die Übertragung auf Widerstand stieß. Frühe gedruckte Leiterplatten spielten nur eine Rolle Eine PCB-Ebene zwischen den Komponenten und Teilen der Funktion, aber mit den Hochgeschwindigkeits-Digitalelektronikprodukten, wie z. B. der CPU, liegen die aktuellen Mainstream-Produkte bei 3,0 GHz oder so, und die nächsten fünf Jahre sind für die Entwicklung geplant 10 GHz erreichen.

PCB als Träger für elektronische Komponenten ist nicht mehr nur ein einfaches elektrisches Verbindungsgerät, auch die PCB-Nachfrage wird nicht nur mit der PCB befriedigt.Die PCB-Nachfrageseite ist auch nicht nur mit der Leitungsfunktion der gedruckten Leitung zufrieden, sondern sollte auch als Übertragungsleitung verwendet werden, um ideale Übertragungseigenschaften zu gewährleisten.

Verschiedene Faktoren beeinflussen den Z0-Wert, beispielsweise die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht ε, die Dicke der Isolierschicht H, die Breite des gedruckten Drahtes W, die Dicke der leitenden Schicht T (einschließlich der Dicke der vergoldeten Schicht), seine ε, H, T und die Eigenschaften des PCB-Substrats selbst.Bei der Herstellung von Mehrschichtplatten ist die Isolationsdicke, die Genauigkeit der Z0-Präzisionssteuerung der wichtigste Faktor, gefolgt von der Breite des Drahtes.

In der tatsächlichen Produktion wird zunächst durch die Verbesserung des Prozesses die Genauigkeit der Dicke des halbgehärteten Blechs verbessert, um die Dicke des Formbretts H zu steuern und die Verwendung einer Verbundmetallschicht (Cu/Al) zu steuern die Dicke der Kupferfolie;um die Formulierung der Ätzlösung sowie den Ort des Belichtungsprozesses zu verbessern, um die Breite des Drahtes zu steuern;die Verwendung eines neuen Substrattyps zur Steuerung der Leiterplatten ε.

Durch die oben erwähnte Verbesserung des Prozesses zur Herstellung der Leiterplatte wurde die Z0-Genauigkeit erheblich verbessert und ein kontrollierter Zustand erreicht.verbessert und ein kontrollierter Zustand erreicht wird.