О надежности HDI плат

HDI печатные платы - это печатные платы с высокой плотностью трассировки на единицу площади (High Density Interconnect) по сравнению с «обычными» печатными платами. Они имеют меньшие размеры сетки, линий и зазоров, меньшие размеры отверстий (лазерные микроотверстия), меньшие размеры сборочных и контактных площадок и характеризуются высокопроизводительными тонкими материалами. Подобная повышенная плотность даёт большую функциональность на единицу площади платы.

HDI печатные платы

Высокотехнологичные HDI платы включают в себя несколько слоёв с расположенными друг над другом металлизированных медью микроотверстий, которые формируют сложную структуру. Эти комплексные структуры обеспечивают необходимые решения по трассировке для современных микросхем с большим количеством выводов, применяющихся в мобильных устройствах и других высокотехнологичных продуктах.

HDI печатная плата

На надежность HDI плат непосредственно влияют качество медных соединений и материал основы. Медные соединения тестируются на специальном испытательном образце — купоне, (coupon) посредством циклических тепловых воздействий, используя специальную методику — IST (Interconnect Stress Test). Купон изготавливается на том же производстве и имеет те же характеристики, что и соответствующие печатные платы: такую же конструкцию, весовые характеристики меди, размеры отверстий, размеры сетки и медное покрытие. Купон проходит не менее 500 тепловых циклов, или до тех пор пока не получит повреждения, приводящие к повышению сопротивления как минимум на 10%, что происходит из-за образования микротрещин в медных соединениях купона вследствие тепловых воздействий.

Возможные повреждения базового материала определяют по замерам емкости между слоями купона перед тестированием и после него. Результаты измерений сравниваются. Изменение емкости на 4% или большее указывает на существенное повреждение материала.

Потеря надежности HDI плат связана прежде всего с использованием бессвинцовой технологии сборки. Она производится при температуре порядка 260°С, при том что материал FR-4 имеет ограниченный диапазон температурного воздействия. Тепловое расширение материала по вертикальной составляющей при таких температурах вызывает стрессовое «натяжение» медных соединений. Что в результате приводит к микротрещинам в центральной зоне сквозных металлизированных отверстий. В случае сохранения работоспособности платы после 500 тепловых циклов при тестировании до 150°С испытательный образец рассматривается как надёжный купон, то есть прошедший IST.

Выход из строя купона при числе тепловых циклов меньшее 350 ассоциируется с нарушением технологического процесса, особенно в части толщины медной металлизации. Тонкий слой меди как раз и есть причина возникновения таких трещин. В сквозных металлизированных отверстиях отказы работоспособности могут быть и из-за трещин другого типа — угловых или «разъединения» соединений.

Микроотверстия тестируются при температуре 190°С. При этой температуре они должны выдерживать не менее 500 тепловых циклов; у некачественных микроотверстий повреждения начнут фиксироваться гораздо раньше. Самый распространённый тип повреждения — разделение соединения между основой микроотверстия и целевой контактной площадкой. На втором месте — образование трещин цилиндрической формы внутри основы.

Надежность HDI печатных плат определяется и типом конструкции. Схема с микроотверстиями, расположенными друг над другом, почти в четыре раза более «чувствительна» к отказу, чем конструкция с такими же структурами, расположенными в шахматном порядке. Качественно изготовленные одно- или двухслойные микроотверстия практически не имеют ранних отказов. Платы с тремя и более расположенных друг над другом микроотверстий с большой долей вероятности не пройдут IST при 190°С и соответственно будут иметь проблемы при производстве.

Как уже говорилось, повреждения материала в IST-купоне оценивают по изменению ёмкости между слоями в процессе тестирования. Основные типы повреждений: адгезивное деламинирование — расслоение ламинированных поверхностей, проявляется в основном при размерах сетки больше 1 мм, когезионные трещины — разрушение эпоксидной основы вследствие высокой температуры при монтаже для сетки 0.8 мм и волосные трещины — расслоение между стекловолокном и эпоксидной основой при 0.5 мм сетке.

В заключение, можно сказать, что использование технологий бессвинцовой сборки для печатных плат с HDI – серьёзная задача, связанная с проблемой качественного изготовления таких структур. Понятно, что необходимо тщательно тестировать соединения и материал, чтобы подтвердить надёжность полученного продукта.