Материалы гибких печатных плат и их оснований

Физические свойства полимерных пленок, используемых в гибких схемах, значительно отличаются от свойств материалов, применяемых в жестких платах на основе стеклотканей с эпоксидными или полиимидными системами. Это побуждает изготовителей жестких плат освоить новые технологии, специфичные для производства гибких и гибкожестких систем.

Характеристики материалов гибких печатных плат

Основные параметры и физические свойства материала ГПП, которые обязательно следует принимать во внимание при его выборе:

  • размерная стабильность;
  • теплоустойчивость (пайка без разрушений и снижения гибкости);
  • устойчивость к разрыву;
  • приемлемые электрические свойства;
  • гибкость при экстремальных температурах;
  • низкое водопоглощение (расслоение, отслоение при нагреве);
  • химическая стойкость (при производстве и использовании);
  • негорючесть;
  • общие требования (стабильность характеристик, множественность источников поставки, стоимость, количество необходимого материала в изделии и т.д.).
Основные элементы конструкции гибких печатных плат:

  • базовый материал;
  • адгезив;
  • металлическая фольга или фольгированный материал;
  • покровные пленки.

Сочетания материалов гибких плат

Материалы оснований гибких плат

Наиболее популярные гибкие материалы — это полиэфирные пленки на основе полиэтилентерефталатов (лавсан, майлар, Mylon, Melinex, Luminor, Celanar) и различные системы полиимидов.

Полиимидные пленки

Полиимидные пленки — доминирующий материал для изготовления гибких печатных плат. Имеется ряд формул полиимида с торговыми марками Kapton, Apical, Novax, Espanex, Upilex и др. Преимущества использования полиимидных пленок:

  • отличная гибкость при всех температурах;
  • хорошие электрические свойства;
  • отличная химическая стойкость (за исключением горячей концентрированной щелочи);
  • очень хорошая устойчивость к разрыву (но плохое распространение разрыва);
  • определенные типы полиимидов имеют дополнительные преимущества (коэффициент расширения, согласованный с медью, уменьшенное напряжение в ламинатах);
  • полиимид можно химически травить в горячих щелочах;
  • рабочий диапазон температур: –200…+300°С.

Недостатки полиимидов:

  • высокое влагопоглощение (до 3% по весу);
  • относительно высокая стоимость;
  • преимущества, состоящие в высокой температуре перехода (например, полиимидные пленки Upilex S имеют Tg = 500 °С), нивелируются относительно низкотемпературными адгезивами.

Полиэфирные пленки

Полиэфирные пленки (полиэтилентерефталат, PETF) имеют свои преимущества. Это:

  • относительно низкая температура перехода в пластичное состояние (легко формуются);
  • очень низкая стоимость;
  • хорошая устойчивость к разрыву и распространению разрыва;
  • очень хорошая гибкость;
  • хорошая химстойкость;
  • низкое влагопоглощение;
  • хороший баланс электрических характеристик;
  • широкий рабочий диапазон температур (–60…+105°С).

Недостатки полиэфирных пленок:

  • очень ограниченная способность к пайке (имеют низкую точку плавления);
  • нельзя использовать при очень низких температурах (становятся хрупкими);
  • недостаточная размерная стабильность.

Адгезивы

Адгезивы используются для соединения медной фольги с базовой пленкой, а также объединяют слои в многослойных и гибкожестких конструкциях. Роль адгезивов — определяющая и критична для свойств конечного продукта. Часто они являются ограничивающим элементом в термических свойствах гибких печатных плат, когда используется полиимид в качестве базового материала.

  • Акриловый адгезив имеет наибольшее распространение, он хорошо сочетается с полиимидными пленками (так же, как и полиимид, травится в щелочи, имеет такой же коэффициент расширения).
  • Эпоксидные клеи и клеи на основе модифицированной эпоксидной смолы не сочетается с полиимидными пленками — они хрупкие. Но они незаменимы для склеивания жесткой части гибко-жестких печатных плат.
  • Полиимидный адгезив требует очень высокой температуры обработки.

Фольга

В производстве гибких печатных плат для создания проводящего рисунка в подавляющем большинстве случаев используют медную фольгу. В редких специальных случаях раньше применяли никелевую фольгу или нержавеющую сталь, когда печатная плата предназначалась для приварки выводов компонентов и проводов (табл. 1).

Общие свойства металлической фольги

Исключительное использование меди обусловлено ее хорошей проводимостью, способностью принимать на себя другие покрытия, хорошей пластичностью и, что очень важно, однородностью с материалами металлизации трансверсальных элементов межсоединений (сквозных и глухих отверстий), которые тоже выполняются медью.

 Формирование резистивного элемента из двуслойной фольгиПолучить тонкую медную фольгу — технически сложная задача, решаемая с помощью ряда конкурирующих способов: стандартная электролитическая, высокопластичная электролитическая, отожженная электролитическая, горячекатаная, холоднокатаная, отожженная катаная, катаная с последующим низкотемпературным отжигом. Используют также ряд способов металлизации гибких пленок напылением и химическим осаждением.

Фольга из специальных медных сплавов имеет большее сопротивление, но и большую прочность, обеспечивая хорошую устойчивость к перегибам, сравнимую с катаной фольгой. Кроме того, такая фольга более устойчива в производстве ламината — меньше дефектов. В последнее время используют специальные виды двуслойной фольги для формирования на плате резистивных элементов (см. рисунок).

Покровные пленки

Покровные пленки или защитные слои — аналоги паяльной маски, но они должны быть гибкими. Правильное использование покровных пленок увеличивает устойчивость гибких плат к перегибам. Материалы покровных пленок — недополимеризованные полимеры на основе акрилатов, полиуретанов, акрилэпоксидов и др.

Если для обнажения монтажных поверхностей используются отолитографические процессы, в пленки вводят фотоинициаторы, позволяющие им избирательно отверждаться в УФ-облучении. Другие методы обеспечения доступа к монтажным поверхностям — механические (сверление или высечка пленок).

В технологиях многослойных гибких печатных и гибко-жестких плат используют соединительные пленки — с адгезивом, защищенным снимаемой пленкой. Разработчик и изготовитель должны совместно проверить выбор материалов с точки зрения стоимости, эксплуатационных качеств и пригодности к производству.

Препрег

Препрег — это связующий материал на основе недоотвержденной смолы. Он используется для связи ламинированных слоев и образования жесткой многослойной платы. В гибко-жестких печатных платах препреги используют в качестве связующего для изготовления жесткой части. Обычно используются связующие двух типов: «нетекучий» (no-flow) и «слаботекучий» (low-flow).

Входящие в состав препрегов смолы с более высокой температурой стеклования (High Tg) обеспечивают более высокую рабочую температуру и относительно низкий коэффициент расширения по оси Z. В противном случае надежность металлизированных отверстий была бы существенно ниже. Адгезивы не имеют таких свойств. Поэтому для изготовителя весьма важно, чтобы в КД были четко обозначены как области, требующие наличия адгезива, так и области, которые должны быть свободны от него.

Фольгированные пленки

Для создания проводников на гибкой плате применяют медную фольгу, предварительно скрепленную с гибкой диэлектрической пленкой клейкими смолами, или медное покрытие, нанесенное на гибкую диэлектрическую пленку методом напыления чистой меди в специальных вакуумных камерах. Возможен и обратный процесс — диэлектрик может быть нанесен на металлическую фольгу. Гибкую диэлектрическую пленку, скрепленную с металлической пленкой или фольгой тем или иным способом, принято называть ламинатом (по образу и подобию с англоязычными стандартами). Ламинаты, у которых между проводящей и диэлектрической пленками отсутствуют клейкие смолы, называют безадгезивными.

Традиционные же ламинаты сконструированы с использованием адгезивных смол или специального адгезионного подслоя, нанесенного на гибкую диэлектрическую пленку. Заметим, что температура полимеризации у адгезивных смол обычно ниже, чем у материала диэлектрической пленки. В многослойных гибко-жестких проектах в настоящее время применяют безадгезивные ламинаты с целью исключения влияния низкотемпературных адгезивов на рабочую температуру печатных плат (табл. 2).
Характеристики типовых пленочных оснований гибких плат

Жесткие ламинаты

Диэлектрики, применяемые для изготовления жесткой части, представляют собой такой же фольгированный стеклотекстолит, как и для обычных жестких плат. Это сочетание медной фольги, адгезивных смол, а также тканой или нетканой арматуры или жесткого стеклотекстолита.

Материалы защитных слоев

Защитный слой — это гибкое диэлектрическое покрытие, нанесенное на гибкую печатную плату после создания на ней рисунка всех проводников и контактных площадок. Защитный слой используется для того, чтобы защищать (изолировать) проводники на поверхности гибкой печатной платы от агрессивного воздействия окружающей атмосферы и всевозможных коротких замыканий
проводников между собой и с другими окружающими металлическими конструкциями.

Защитный слой изготавливается из материала, который может сгибаться или принять форму, требуемую в конечном использовании. Существуют два типа защитных покрытий: пленочные и масочные. Сплошная защитная пленка состоит из адгезива и диэлектрической пленки, последовательно нанесенных на гибкую печатную плату. Для динамических приложений важно соблюдать баланс механических свойств между проводящими слоями и защитной пленкой.

Защитная маска

Защитная маска — это диэлектрическое покрытие, которое наносится на участки гибкой платы ламинированием сухой пленки, шелкографией, напылением или поливом. В качестве покрытия можно использовать и фоточувствительный материал, обеспечивающий более точное выполнение защитного рисунка. Выбор типа покрытия для гибких приложений — крайне ответственный процесс. На поверхность защитного слоя, а также на диэлектрическое основание гибкой печатной платы для экранирования проводников могут быть нанесены проводящие краски, такие как серебро, а также медь или углеродсодержащие полимеры.

Материал статьи взят из книги Джозефа Фельштада (Joseph Fjelstad «Flexible Circuit Technology»), третье издание, выложенной на сайте Европейского Института Печатных Схем (www.eipc.org).

Еще некоторые статьи о конструировании ГПП:

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *