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.).

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).

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.

Получить 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).

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 и изготовлении гибких печатных плат:

• Конструирование ГПП. Автоматизированная сборка. Рекомендации
• Классификация ГПП
• Гибкие и гибко-жесткие печатные платы