Новая генерация технологий печатных плат — ультратонкие МПП

До сих пор бытует мнение, что по мере роста интеграции микросхем нужда в печатных платах постепенно исчезнет [2]. Тем не менее возникают новые генерации технологий, поддерживающих и развивающих высокую интеграцию межсоединений [3, 4]. В отечественных стандартах появились нормы проектирования плат вплоть до седьмого класса точности [5], а также технология послойного наращивания (built-up) с глухими отверстиями, заполненными металлом [6, 7], реализуются конструкции многослойных печатных плат, сочетающих тонкие межсоединения, сильноточные цепи и встроенный теплоотвод [8], предлагаются технологии встроенных в плату компонентов [9] и, наконец, зарождается новая технология ультратонких печатных плат, позволяющая разместить типовую многослойную структуру из 12 слоев в толщине 0,4 мм (рис. 1) [1].

Рис. 1. Тонкая плата приобретает гибкость

Разумеется, новая технология опирается на использование очень тонких материалов, о которых давно мечтали конструкторы и технологи печатных плат. Эту мечту реализовала японская фирма HITACHI Chemical [10], создавшая как вариант совершенно новый класс материалов с полиимидным связующим и кварцевой армирующей тканью. Такое сочетание, кроме всего прочего, дает низкие значения диэлектрической проницаемости и потерь в СВЧ-диапазоне, что очень важно для формирования линий связи в тонких структурах.

Сортамент тонких материалов приведен в таблице 1. Здесь видно, что в случае применения тонкой фольги тонкие печатные платы не могут быть большими по конструктивным причинам. По технологическим соображениям подобных ограничений нет, поскольку хорошая размерная стабильность данных материалов позволяет на больших размерах достичь нужного совмещения элементов межсоединений в многослойных структурах.

Таблица 1. Сортамент тонких материалов

	Толщина, мкм
	меди	диэлектрика
Односторонний (MCF-5000IS)	9	5, 7, 9
Двухсторонний (MCF-5000ID)	9	12, 16, 20
Медная фольга с адгезивом (MCF-5000IR)	9	30
Адгезив (AS-5000IA)	—	25

В таблице 2 показаны характеристики сортамента этих материалов (табл. 1). В частности, можно видеть, что их геометрическая стабильность заметно лучше традиционных стеклоэпоксидных композитов.

Преимущества ультратонких плат:

1. Устойчивость к термоударам. Известно, что для увеличения трассировочной способности уменьшают размеры контактных площадок, а значит, сокращают и диаметры отверстий. Таким образом, технологии призваны добиться большей пластичности металлизации, поскольку при увеличении соотношения диаметра отверстия к толщине платы повышается температурная деформация металлизации, как видно на рис. 2. Относительно большие объемы «толстых» плат содержат больше влаги, которая при термоударе, свойственном групповому нагреву при пайке, интенсивно испаряется и разрушает плату, как условно показано на рис. 3. Во всяком случае, металлизация отверстий подвергается растягивающим усилиям при термических нагрузках (рис. 4).
   

   Рис. 2. При увеличении соотношения «диаметр отверстия/толщина платы» (d/h) растет температурная деформация металлизации ε₀(T) и, следовательно, повышаются требования к пластичности ε_П(T)

   

   Рис. 3. Имитационная картина разрушения платы в результате термоудара при пайке

   

   Рис. 4. Фотография металлографического шлифа металлизированного отверстия после многократных термоциклов

2. Из пункта 1 есть еще одно следствие: в тонких платах нет необходимости создавать толщину металлизации отверстий 25 мкм, аналогичную той, что обеспечивает устойчивость соединений в «толстых» платах. Ведь в тонких платах деформационные нагрузки гораздо меньше, а потому вполне достаточна металлизация толщиной 15 мкм, при которой образуется однородная пленка без разрывов и пазух. Это экономит время на операции без потери надежности.
3. Из пункта 1 также можно сделать вывод, что условия металлизации отверстий в тонких основаниях гораздо лучше: меньше градиенты электрического поля в электролите меднения, лучше условия обмена электролита в отверстиях.
4. В тонких платах легче формировать отверстия, как механическим сверлением, так и лазером.
5. Тонкие платы имеют меньшее тепловое сопротивление, за счет чего можно создать лучшие условия для теплоотвода.

Типичная структура 6-слойной платы толщиной 0,2 мм показана на рис. 5. Ее отличают:

• хорошая размерная стабильность при использовании материала MCF-5000ID;
• оптимальный баланс между гибкостью и жесткостью, хорошая сопротивляемость щелочам (модифицированный полиимид);
• хорошая обрабатываемость сверлением и лазером;
• хорошая размерная устойчивость слоев.

Рис. 5. Структура 6-слойной платы толщиной 0,2 мм: 1 — двусторонний материал MCF-5000ID; 2 — основание для надстройки послойного наращивания; 3 — медная фольга с адгезивом (MCF-5000IR); 4 — адгезив AS-5000IA; 5 — медная фольга с адгезивом (MCF-5000IR)

Тонкие полиимидные материалы хорошо встраиваются в структуру МПП на стекло-эпоксидном основании с надстройкой из полиимида. На рис. 6 показан фрагмент структуры послойного наращивания из такого сочетания.

Рис. 6. Фрагмент платы с наращиванием слоя из полиимидного материала

Модифицированные полиимидные материалы демонстрируют хорошие электроизоляционные свойства в широком диапазоне внешних климатических воздействий. На рис. 7 демонстрируется устойчивость материала к воздействию влаги, а на рис. 8 — устойчивость к образованию анодных нитей внутри слоев между отверстиями.

Рис. 7. Зависимость от влаги сопротивления изоляции модифицированного полиимида фирмы Hitachi Chemical

Рис. 8. Демонстрация устойчивости ультратонких плат к электрохимической миграции вдоль слоев в стенке между металлизированными отверстиями

Благодаря низкому значению коэффициента термического расширения полиимида и малой толщине ультратонких печатных плат они показывают исключительно большую устойчивость к термическим нагрузкам (рис. 9).

Рис. 9. Изменение омического сопротивления электрических цепей («ныряющего проводника») к многократному воздействию термоциклов

Заключение

Одним из важных двигателей прогресса в конструкциях и технологиях печатных плат, как, впрочем, и в других областях техники, является появление новых, улучшенных материалов. В данном случае новые материалы, при незначительных изменениях технологии и несущественных капитальных затратах, значительно улучшают конструкционные характеристики печатных плат. Цель настоящей статьи — не просто подробно описать характеристики новых материалов, но привлечь внимание к новинкам в этой области. 

Литература

1. Международный семинар «Новые технологии и программные продукты» // Материалы семинара ООО «Остек-Сервис-Технология». Москва. Октябрь 2013.
2. Медведев А., Можаров В. Плотность межсоединений электронных компонентов // Печатный монтаж (приложение к журналу «Электроника. НТБ»). 2011. № 3.
3. Медведев А., Мылов Г. Эволюция технологий электрических межсоединений в электронном приборостроении // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2013. № 2.
4. Медведев А. Перспективы технологий электрических межсоединений в электронных системах авионики // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2013. № 1, 2.
5. ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции.
6. Медведев А. Металлизация глубоких отверстий // Технологии в электронной промышленности. 2013. № 4.
7. Медведев А. Технологии выполнения переходов в платах HDI // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 7.
8. Сержантов А. Конструкции и технологии высокоплотных печатных плат со встроенными силовыми цепями // Материалы семинара ООО «Остек-Сервис-Технология». Москва. Октябрь 2013.
9. Медведев А. Поверхностный монтаж — новая технологическая операция в изготовлении многослойных печатных плат со встроенными компонентами (МПП ВК) // Международный симпозиум Асолд 2011 «Технологическое будущее электроники». Материалы симпозиума ЗАО Предприятие Остек. 2011.
10. Каталог по базовым материалам компании Hitachi Chemical. Working On Wonders. // www.ostec-st.ru