МНОГОСЛОЙНЫЕ ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ СО СТЕКЛОПОЛИИМИДНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

По мере роста плотности печатного монтажа, достигаемого за счет увеличения количества слоев (толщина плат увеличивается) и уменьшения диаметра отверстий, для обеспечения высокой надежности работы в условиях часто меняющихся температур, обеспечения качественной сборки и ремонта узлов на МПП без снижения их надежности, необходимо решить важную проблему, связанную с большим расширением стеклоэпоксидного диэлектрика в диапазоне температур, которые воздействуют на плату при сборке, ремонте, наладке и эксплуатации. Наиболее критичным является тот факт, что температуры пайки компонентов к платам достигают значений температур деструкции диэлектрика. Поэтому операции, связанные с пайкой, всегда так критичны и значительно уменьшают ресурс надежности плат. Вместе с этим, при изготовлении многослойных печатных плат из стеклоэпоксидного диэлектрика приходится решать проблемы замазывания смолой контактов в просверленных отверстиях и расслаивания плат, и отслаивания контактных площадок от диэлектрика при термомеханических воздействиях и др. Теплоустойчивость диэлектрика в МПП необходимо рассматривать в аспектах:

  • обеспечения монолитности многослойной структуры при облуживании, пайке, ремонте и других термоударах;
  • минимизации размягчения диэлектрика в процессе сверления отверстия;
  • обеспечения адгезии контактных площадок на поверхности платы,

к которым многократно припаивают и отпаивают планарные выводы интегральных схем. Теплоустойчивость диэлектрика еще не означает, что изготовленные из него МПП будут теплоустойчивы. Монолитность многослойной структуры при температурах, помимо адгезионных и термофизических свойств самого диэлектрика, в немалой степени определяются также видом поверхности проводящего рисунка. Поэтому следует различать расслоение диэлектрика, например, образование белесых пятен, из-за слабой адгезии между смолой и стеклом и др., от расслоения диэлектрика от проводников из-за малой силы сцепления между ними. Вздутия, пузыри и другие дефекты МПП после термоударов могут возникнуть также и от загрязнений поверхностей слоев в процессе их изготовления и недостаточной очисткой их перед сослоением. Применение в слоях МПП изоляции из полиимидных материалов может дать эффективное решение указанных проблем за счет:

  • ширения допустимого диапазона рабочих температур;
  • увеличения теплостойкости изоляции при пайке, ремонте, термоциклировании;
  • уменьшения теплового расширения слоев изоляции по толщине;
  • повышения влагостойкости изоляции;
  • повышенной устойчивости изоляции к коррозионным процессам и др.

Полезно также, что в МПП с полиимидным диэлектриком скорость распространения сигналов выше, а требуемая толщина полосковых пакетов меньше, чем в обычных платах. Наряду с этим, полиимидным материалам присущи свойства, которые усложняют проблемы создания печатных плат. Среди них:

  • низкая адгезия к медным слоям;
  • большая размерная нестабильность;
  • высокая температура формирования, в частности, при фольгировании;
  • выделение большого количества летучих при полимеризации.
Разработаны разнообразные методы получения фольгированных полиимидных пленок и их использования при изготовлении печатных плат, в которых делаются попытки преодоления указанных проблем. Однако, это привело к тому, что:
  • изготавливаются преимущественно полиимидные пленки, фольгированные только с одной стороны;
  • обеспечение адгезии медной фольги к полиимидным пленкам достигается с помощью промежуточных адгезионных диэлектрических слоев;
  • для фольгирования полиимидных пленок требуется фольга со специальным термостойким и гальваностойким адгезионным слоем.

В результате материалы с инородными диэлектрическими адгезионными слоями, как правило, теряют в значительной степени главное преимущество полиимидов - высокую теплостойкость. Для высокоплотных плат наиболее приемлема фольга толщиной 5 мкм и 9 мкм. Применение полиимида при этом затруднительно из-за того, что в процессе прессования тонкой фольги с алюминиевым протектором при высокой температуре значительно увеличивается сила сцепления фольги и носителя. Например, если при нормальных условиях сила сцепления между ними около 0,5 кг/см, то при температуре прессования 170 град.С, она равна около 0,70 кг/см (при температуре 180 град.С - 1 кг/см, при 190 град.С - 1,85 кг/см), а при температуре прессования более 200 град.С оторвать алюминиевый носитель практически невозможно. При изготовлении печатных плат с формированием проводящего рисунка схем субтрактивным методом на фольгированном полиимиде, в том числе марки СПТФ-М-1 ТУ ОЯШ-503.125-85 достижимый уровень плотности ограничивается следующими факторами:

  • сравнительно большой размерной нестабильностью слоев после стравливания фольги;
  • низкой адгезией медных проводников;
  • высокой температурой прессования пакетов;
  • выделением большого количества летучих при полимеризации и др.

По нашему мнению для изготовления печатных плат быстродействующих устройств ЭВМ необходимо полное использование всех преимущественных свойств полиимидов. Достигнуть этого можно на основе реализации следующих принципов:

  • изоляционный полиимидный слой должен формоваться аддитивно в объеме между проводниками;
  • полимеризация полиимида должна осуществляться в процессе формирования изоляционных слоев;
  • проводники должны формироваться аддитивно.

Реализация этих принципов не требует фольгированного полиимида. В качестве исходных материалов могут использоваться: полиимид в виде лака или препрега - пропитанной полиимидным лаком стеклоткани. Разработанный нами способ формирования слоев позволил устранить или уменьшить перечисленные выше недостатки полиимидов. Особенность способа ПАФОС состоит в том, что проводящий рисунок получают предварительно электрохимическим осаждением меди по рисунку в сухом пленочном фоторезисте, нанесенном на временные металлические носители, на которых заранее электрохимически осаждается тонкий слой меди. Далее горячим прессованием стеклополиимидного препрега и временных носителей проводящий рисунок переносится в объем диэлектрика. После механического отслаивания металлических листов (носителей) и удаления травлением тонкого медного слоя получают готовые слои для МПП. Работоспособность диэлектрика и препрега необходимо прежде всего определять из условий устойчивости их к процессам изготовления печатных плат при обеспечении высокого процента выхода годных. Работоспособность печатных плат оценивается прежде всего из условий устойчивости их при монтаже, сборке и наладке аппаратуры. После этого определяется работоспособость печатных плат из условий выполнения заданных функций в составе аппаратуры с учетом условий эксплуатации, ремонта, восстановления, внесения изменений. Определяющими работоспособность свойствами изоляционного материала для печатных плат являются:

  • планарные смещения и размерные изменения полимеризованного диэлектрика в процессе термомеханических воздействий в процессе изготовления слоев и печатных плат;
  • структурная устойчивость объема диэлектрика при термомеханических воздействиях в процессе изготовления плат и изготовления аппаратуры;
  • структурная устойчивость объема диэлектрика при длительных воздействиях в процессе эксплуатации аппаратуры;
  • термо и влагоустойчивость в процессе изготовления плат;
  • термо и влагоустойчивость электрических характеристик изоляции в процессе эксплуатации аппаратуры;
  • терморасширение диэлектрика в процессе изготовления плат, аппаратуры и эксплуатации аппаратуры;
  • химстойкость изоляции к химреактивам в процессе изготовления плат и аппаратуры;
  • диэлектрические и высокочастотные свойства изоляции в процессе изготовления плат и аппаратуры. Изоляционный материал должен обладать следующими характеристиками основных свойств:
  • размерные изменения слоев с проводящим рисунком, локальные смещения печатного рисунка в процессе их изготовления и в процессе сослаивания в многослойный пакет не должны превосходить величины 0,1 - 0,2 мм/м;
  • изменение изоляционных характеристик при монтаже, пайке и перепайке не должно приводить к уменьшению сопротивления ниже 10 +9 ом/..;
  • уменьшение изоляционных характеристик от воздействия влаги и химических растворов в процессе изготовления не должно быть ниже 10 +9 ом/..;
  • расширение изоляции по толщине при термовоздействиях во время монтажа, пайки, ремонта и эксплуатации аппаратуры не должно превосходить 2% от ее толщины;
  • устойчивость к органическим растворителям, применяемым для эффективной очистки поверхности;
  • диэлектрическая проницаемость должна быть ниже чем 4,5;
  • тангенс диэлектрических потерь должен быть меньше 0,02.

Уменьшение тангенса потерь необходимо для сохранения параметров передаваемых по связям сигналов. Как показали проведенные нами исследования, из известных полиимидных материалов в большей степени удовлетворяют требованиям, предъявленным к материалам для печатных плат, полибисмалеимиды, армированные стеклотканью. Специально с этой целью во ВНИИЭИМ разработан отечественный препрег ТУ ОЯЩ-503.127-85 на основе ткани электроизоляционной толщиной 62 мкм и 100 мкм из стеклянных крученых комплексных нитей, пропитанной полибисмалеимидным фотополимером ПАИС-104. Основные характеристики препрега: содержание связующего 50 - 60% содержание летучих 7 - 9%, текучесть не более 30%, время гелеобразования 200 - 300 с. Прессование полибисмалеимидного препрега с временными носителями осуществляется при загрузке пакета в холодный пресс, подаче давления 15 - 25 кг/см2, доведения температуры до 180 - 190 град.С с выдержкой 3 часа и постепенном охлаждении под давлением до комнатной температуры. Теплостойкость такого диэлектрика характеризуется тем, что у него предельно допустимая температура от минус 60 град.С до плюс 180 град.С, причем допускается воздействие температуры 200 град.С в течение 16 часов, а время устойчивости к воздействию расплавленного припоя при температуре 280 град.С не менее 30 секунд. Изоляционные свойства стеклобисмалеимидного диэлектрика характеризуются следующими величинами при стандартных методах измерения: поверхностное электрическое сопротивление в нормальных условиях не менее 10 +11 ом, а после увлажнения в течение четырех суток при температуре 40 град.С не менее 10 +10 ом; удельное объемное электрическое сопротивление в нормальных условиях и после увлажнения в течение четырех суток не менее 10 +12 ом.м. Диэлектрические свойства этого материала характеризуются диэлектрической проницаемостью величиной 4,5 - 5 и величиной тангенса угла диэлектрических потерь 0,025 - 0,035. Достаточная сила сцепления медных проводников к диэлектрику достигается тем, что перед удалением пленочного фоторезиста после электрохимического осаждения меди проводится оксидирование поверхности проводников, т.е. наряду с заглублением проводников в объем полиимида, проводится адгезионная обработка проводников. Среди основных преимуществ описанного способа формования слоев, по сравнению с другими, необходимо отметить следующие:

  • для изготовления печатных плат используется только препрег в виде пропитанной полибисмалеимидом стеклоткани;
  • не требуется фольга и специальные диэлектрические адгезивы;
  • обеспечивается высокая размерная стабильность слоев;
  • гарантируется высокая сила сцепления проводников с полиимидом и высокая изоляция, т.к. проводники утоплены в объем диэлектрика;
  • в процессе изготовления слоев полиимид не соприкасается с агрессивными растворителями, щелочами и кислотами, что исключает его загрязнение и ухудшение изоляции;
  • высокая разрешающая способность, позволяющая при использовании серийных фоторезистов получение проводников и зазоров величиной 50 - 125 мкм.

Тот же препрег используется для соединения слоев в многослойный пакет методом прессования. Полиимид в значительно большей степени чем эпоксид поглощает влагу. Поэтому хранение связующего препрега и готовых слоев требует создания специальных условий сухой среды. Эффективным является длительное (24 - 48 час) хранение их в вакуумных шкафах или шкафах с сухим инертным газом (азотом, аргоном) перед использованием для обработки. Рабочее помещение, где производится сборка прессформ при изготовлении слоев и многослойных пакетов также должно иметь низкую относительную влажность воздуха. Иначе избыточное содержание влаги в препреге приводит во время прессования к образованию областей с множеством пустот, ухудшающих изоляцию. Уменьшение сопротивления изоляции стеклоэпоксидного диэлектрика связано не только с качеством адгезии стекловолокна и эпоксидной смолы, а определяется также продуктами взаимодействия эпоксидной смолы, и продуктов обработки стеклотканей. Полиимиды в значительно меньшей степени склонны к взаимодействию с этими веществами, поэтому сопротивление изоляции диэлектриков на их основе более стабильно при длительной эксплутации в условиях повышенной влажности. Для исследования размерной стабильности слоев при их формировании использовался разработанный матричный метод. Величина смещений печатных элементов в разных зонах слоя зависит от:

  • исходных материалов приготовления смолы;
  • структуры стеклоткани (толщина нитей, густота нитей ткани в направлении основы и утка);
  • наноса смолы;
  • реологических свойств смолы;
  • количества стеклоткани в наборе;
  • взаимного расположения основы и утка в соседних слоях стеклоткани;
  • режимов полимеризации смолы;
  • методов снятия внутренних напряжений в диэлектрике и др.

В большой степени размерные изменения диэлектрика вызываются сдвигами в структуре стеклоткани при температурах, превышающих температуру стеклообразования смолы, т.к. смола размягчается и под действием давления может смещаться. В полиимидном диэлектрике температура стеклообразования не достигается в процессе прессования пакетов. Толщина диэлектрика за счет склеивающих прокладок определяется:

  • толщиной стеклоткани;
  • количеством листов стеклоткани;
  • содержанием смолы в препреге;
  • текучестью смолы;
  • режимом прессования;
  • рисунком проводников на склеиваемых поверхностях.

Из результатов сравнения локального смещения печатных элементов слоев (250 х 250 мм2), изготовленных субтрактивным методом из одностороннего фольгированного диэлектрика марки ПФ-2, и полностью аддитивным методом из стеклополибисмалеимидного препрега видно, что для фольгированного полиимида деформация слоя более значительна. Чем выше температура стеклоперехода, тем меньше замазывание торцев контактных площадок в отверстиях во время сверления. Однако при более высоких температурах стеклоперехода усложняется проблема химической очистки замазываний: требуются более агрессивные растворы. Владея плазменной технологией очистки (травления), эту проблему можно решить быстро и легко . Скорость травления полиимида в плазме примерно в два раза медленнее, чем эпоксида, т.е. для подтравливания на глубину 8 - 10 мкм полиимид необходимо обрабатывать в плазме примерно 30 - 40 минут. Оценка устойчивости плат из полиимида к многократным перепайкам планарных выводов к контактным площадкам путем одновременой перепайки группы контактных площадок (пайка, охлаждение, отпайка, охлаждение - один цикл) при температуре жала 260 +-10 град.С, время пайки 2 - 3 сек, время охлаждения 5 минут) показала, что плата из полибисмалеимида с электрохимическим адгезионным слоем на проводниках выдерживает до 100 - 110 циклов перепаек. Полученные результаты изготовления и испытания плат показывают, что МПП из стеклополибисмалеимидного диэлектрика имеют следующие преимущества перед МПП из стеклоэпоксида:

  • работают при более высоких температурах и при частой смене температур с меньшей вероятностью образования трещин в металлизации переходов;
  • имеют меньшую вероятность повреждений (сдвиг и отрыв контактных площадок, расслоение и др.) при монтаже и ремонте;
  • обладают более высокой влагоустойчивостью изоляции.

Автор: Ф.П.Галецкий
Источник: www.fpgaletsky.ru