Характеристики и физические свойства ламинатов

Как материал для производства печатных плат, ламинат - это в широком смысле композит, содержащий один или более слоёв препрега с медной (или другого металла) фольгой на одной или на обеих сторонах, который формируется в финальный продукт посредством приложения определённых тепловых циклов и циклов прессования.
colored-epoxy-laminatesg10fr4

Согласно IPC-T-50, под определение ламинат попадает «изделие, полученное склеиванием двух или более слоев материала». Вместо «ламинат» используются термины: «фольгированный диэлектрик», «базовый материал» и др. В состав ламината входят полимерное связующее вещество и армирующие наполнители (стекло, бумага, ткани из полиэфирных волокон). Существует большое разнообразие ламинатов, разработанных для решения определенных, иногда достаточно узких задач. Например, материал идеальный для высокотемпературных приложений может быть непрактичен в случаях микроволновых или высокочастотных приложений. А иногда и наоборот, СВЧ-материалы используют в производстве обычного низкочастотного оборудования.

В зависимости от состава полимера, типа армирования, толщины материала, толщины самой фольги меняются свойства материала, его стоимость и область применения. В то же время любой ламинат обладает рядом физических свойств и параметров, оптимальный подбор которых и принесет наилучший результат при разработке продуктов в конкретной области применения:

Коэффициент теплового расширения (КТР) отражает изменение линейных размеров ламината в зависимости от температуры. При изготовлении печатных плат важно обеспечить близкие значения КТР ламината и металлических проводников на его поверхности и в металлизированных отверстиях. В противном случае возможно нарушение стабильности размеров ламината (X-КТР и Y-КТР), а также разрыв проводников и образование трещин в сквозных металлизированных отверстиях при пайке и других температурных воздействиях (Z-КТР).

Температура стеклования (Tg) – температура (или температурный диапазон), при которой материал переходит из «стекловидного» состояния (ниже Tg) в эластичное и более податливое (выше Tg). Превышение температуры стеклования в процессе производства печатных плат или при их использовании приводит к значительному увеличению Z-КТР и, как следствие, к ухудшению адгезионных свойств, появлению пятен и снижению надежности сквозных металлизированных отверстий.

Самые высокие Tg имеют материалы на основе полиимида, выше 250ºС. Чем выше температура стеклования материала, тем меньше вероятность того, что в процессе сборки, ремонта или перепайки печатной платы контактные площадки или трассы не отслоятся от ее поверхности. Поэтому полиимид — был главным материалом основы почти для всех печатных платах военного применения, когда «полевой» ремонт оборудования был критически важен.

В то же время существует большое разнообразие эпоксидных систем, у которых Tg порядка 170º С. Такие материалы широко распространены в приложениях, где температурные особенности процесса производства или эксплуатации не являются критичными. Подробнее о взаимосвязи КТР и Tg рассказано в статье Немного о КТР и температуре стеклования.

Температура разложения, или деструкции (Td) – температура, при которой потеря веса материала при температурном воздействии составляет 5%. Это свойство говорит о способности материала выдерживать высокие температуры с большим запасом прочности, а повышенное значение Тd – о пригодности к бессвинцовой пайке — для выполнения современных экологических требований RoHs. Величина Тd в значительной степени зависит от композиционного состава материала и колеблется от 350ºС у эпоксидных ламинатов до 500ºС – у ламинатов на основе FR-4. Некоторые производители приводят параметры, обозначаемые T260, T288, T300. Они показывают, какой период времени ламинат с медью может выдерживать температуры 260, 288 и 300ºС до начала образования вздутий или отслаивания. Эти параметры стали частью минимальных требований стандарта IPC, определяющих пригодность ламината к бессвинцовой пайке. Такие материалы могут выдерживать температуру пайки на 30–50°С выше необходимой для традиционных свинцово-оловянных припоев.

Теплопроводность (Tc) — еще одна важная характеристика ламината, определяющая количество тепла, проходящего через единицу площади и толщины ламината. С увеличением Tc улучшается способность отвода тепла от элементов печатной платы.

Плотность компонентов на печатных платах (HDI платы) продолжает расти в связи с требованиями обеспечения большей функциональности и меньших габаритов электронных устройств. При этом общая площадь печатной платы уменьшается, что и приводит к дополнительному температурному воздействию на элементы платы. Из-за этого возрастает частота отказов, которая, как считается, удваивается каждый раз при увеличении температуры на 10ºС. В связи с этим на первый план выходит величина теплопроводности материала печатной платы. Высокое значение Tc помогает более эффективно отводить тепло от устройств на ее поверхности. Это актуально для светодиодных печатных плат и плат на толстом металлическом основании. В то же время увеличение теплопроводности материала не должно ухудшать его электрические и диэлектрические характеристики. Высокая теплопроводность очень важна для высокочастотных устройств, в которых должно быть рассеяно (отведено) значительное количество тепла. Идеальным для таких устройств считается значение Tc в диапазоне от 1.0 до 3.0 Вт/m*K, что существенно отличается от значений 0.25 — 0.3 Вт/m*K для традиционных полиимидных или эпоксидных систем.

Один из основных параметров любого ламината – его относительная диэлектрическая проницаемость (εr), характеризующая изоляционные свойства диэлектрика. Скорость распространения сигнала в диэлектрике обратно пропорциональна εr. Поэтому материалы с высокой εr позволяют уменьшить размеры печатной платы, используемой в диапазоне высоких частот. Это особенно важно для печатных плат, эксплуатируемых на частотах более 30 ГГц. С другой стороны, материалы с более низкой εr обеспечивают лучшую изоляцию и меньший уровень вносимых потерь.

Поскольку ламинаты являются композиционными материалами, значения εr по оси Z (по толщине) и по осям X–Y (по длине и ширине) будут различаться. Диапазон значений относительной диэлектрической проницаемости ВЧ/СВЧ-ламинатов разных производителей варьируется от 1,96 до 12,78. При выборе ламината стоит обращать внимание на значение допуска на εr, поскольку от него зависит изменение величины импеданса разрабатываемого устройства.

Еще одна характеристика ламинатов — Температурный коэффициент (TKεr) — показывает изменение относительной диэлектрической проницаемости при изменении температуры на 1°C. Измеряется в частях на миллион (ppm  – parts per million, ppm/°C). Может иметь как отрицательное, так и положительное значение. Большие значения TKεr служат индикатором того, что устройства, хорошо функционирующие в идеальных лабораторных условиях, могут работать ненадёжно в случаях значительных температурных колебаний.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) характеризует рассеиваемую мощность устройства, определяемую потерями в диэлектрике. Низкие значения tgδ обеспечивают уменьшение вносимых потерь в пассивных схемах и оптимизацию усиления в активных, уменьшение нагрева диэлектрика в мощных схемах, большую добротность в резонансных устройствах. Этот параметр особенно важен для СВЧ печатных плат, используемых в производстве спутникового оборудования, планарных антенн, мощных усилителей, где требуются материалы с tgδ <0,003.

CAF (Conductive Anodic Filament) — анодно-проводящие волокна базового материала печатной платы. Нити материала основания печатной платы, по которым происходит миграция ионов меди под воздействием высокой влажности, температуры и приложенного электрического напряжения. Образование CAF сложный процесс, связанный больше с производством, чем с выбором материалов. Однако правильно подобранные и оттестированные составы ламинатов позволяют значительно уменьшить вероятность образования CAF.

Таблицы характеристик ламинатов различных производителей взяты из публикации в журнале Печатный монтаж, №2, 2013 год.

Характеристики ламинатов
Физические характеристики ламинатов
Физические свойства ламинатов

Ведущие производители современных базовых материалов предлагают широкий спектр наименований и марок диэлектриков, обладающих широким диапазоном физических, электрических, механических и термомеханических свойств, закрывающих любые потребности разработчиков во всех областях экономики: от приборов бытового назначения до сложнейших изделий автомобильного, спутникового и телекоммуникационного назначения. Подробнее в статьях:

Написать ответ

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