Paramètres de qualité du substrat PCB

Comme le PCB est un support structurel pour les composants électroniques, les propriétés électriques, de résistance à la chaleur et autres ont des exigences strictes, les grandes sociétés d'électronique ont mis en place des centres de test pour des tests complets de ses performances, maintenant les principaux paramètres et modifications de ces paramètres sur le

Les performances des PCB sont présentées comme suit.

1 température de transition vitreuse (Tg)

En plus des substrats céramiques, presque tous les stratifiés contiennent des polymères.Le polymère est synthétisé à partir de matériaux organiques, caractérisés par certaines conditions de température, la forme du substrat changera, à cette température le substrat est dur et cassant, c'est-à-dire semblable à la forme du verre, généralement appelé vitreux ;si la température est supérieure à celle-ci, le matériau devient mou, sous forme de caoutchouc, également connu sous le nom d'état de caoutchouc ou d'état de cuir, à ce moment-là, sa résistance mécanique est nettement inférieure, et donc la décision de la température critique de la performance du matériau est connue sous le nom de température de transition vitreuse (Tg).Par conséquent, la température critique pour déterminer les performances du matériau est appelée température de transition vitreuse (GlassTranstion Temperture, appelée Tg).Evidemment, en tant que matériau de structure, on espère que sa température de transition vitreuse soit la plus élevée possible, la température de transition vitreuse est propre aux performances des polymères, c'est un paramètre clé dans le choix du substrat, en effet dans le soudage SMT processus, la température de soudage est généralement de 220 ℃ ou plus, beaucoup plus élevé que le substrat du PCB Tg, de sorte que le PCB à haute température subira une déformation thermique importante, tandis que les composants de la puce sont directement soudés à la surface du PCB, lorsque la température de soudage est réduite, les joints de soudure sont généralement refroidis. à 180 ℃ lors de la première solidification, et à ce moment la température du PCB est encore supérieure à la Tg, le PCB est toujours dans un état de déformation thermique, après un certain temps afin de refroidir complètement, à ce moment, le PCB produira inévitablement beaucoup de contraintes thermiques, les contraintes sur les broches des composants ont été soudées, et lorsque la gravité des composants fera que le composant est endommagé, comme le montre la figure.

Dommages causés aux composants par des contraintes thermiques sur les PCB

Grâce aux tests, il peut être constaté que lorsque le substrat du circuit est dans la température de transition vitreuse du polymère du substrat supérieure à la température, son expansion sera plus grande que dans la température Tg inférieure à la même augmentation de température dans la quantité d'expansion, dans la température de transition vitreuse. en dessous de la quantité de dilatation thermique du matériau de substrat et de la relation linéaire approximative de la température, c'est-à-dire que le CTE du matériau de substrat est approximativement constant, et une fois que la température dépasse la température de transition vitreuse du matériau, la quantité de dilatation thermique du matériau de substrat sera avec la température dans une relation exponentielle, c'est-à-dire qu'avec l'augmentation de la température, le CTE augmente de façon exponentielle.

Par conséquent, lors de la sélection des matériaux de substrat du circuit, la température de transition vitreuse Tg doit non seulement être supérieure à la température de fonctionnement du circuit, mais également aussi proche que possible de la température la plus élevée se produisant dans le processus.

Le PCB à haute Tg présente les avantages suivants : processus de perçage, propice au perçage de micro-trous, le perçage de la plaque à faible Tg sera dû au perçage à grande vitesse pour produire une grande quantité d'énergie thermique et provoquer le ramollissement de la plaque dans la résine de sorte que le traitement des difficultés.Les PCB à Tg élevé dans un environnement à température plus élevée ont toujours un CTE relativement faible, et le CTE des composants de la puce est proche du CTE, ce qui permet de garantir un fonctionnement fiable du produit.Surtout avec l'introduction des FQFP, BGA, CSP et autres dispositifs multibroches, les exigences en matière de PCB sont de plus en plus élevées.Une fois les composants soudés à haute température, la déformation thermique du PCB produira une contrainte thermique élevée sur les composants. Par conséquent, lors du choix d'un substrat PCB pour les produits électroniques, le substrat avec une Tg plus élevée doit être choisi de manière appropriée.

2 Coefficient de dilatation thermique (CTE)

Tout matériau se dilate lorsqu'il est chauffé, et le coefficient de dilatation thermique (CTE) fait référence à la quantité de changement linéaire de la taille du matériau déclenchée par chaque unité de changement de température.

Le CTE des matériaux polymères est généralement supérieur à celui des matériaux inorganiques, et lorsque la contrainte d'expansion dépasse la limite de tolérance du matériau, cela endommagera le matériau.Pour un PCB multicouche, il existe une différence entre le CTE dans les directions X et Y (c'est-à-dire les directions de longueur et de largeur) et le CTE dans la direction Z (épaisseur).Par conséquent, lorsque le panneau multicouche est chauffé, les trous de métallisation dans la direction Z seront endommagés en raison de la différence de contrainte d'expansion et, dans les cas graves, les trous de métallisation seront fracturés.Étant donné que le panneau multicouche est constitué de plusieurs « feuilles de résine semi-durcies » monocouches pressées à chaud, la feuille de résine semi-durcie est constituée d'un tissu en fibre de verre imprégné de résine époxy, chauffée et cuite pour fabriquer un tissu en fibre de verre époxy de manière semi-durcie. état durci, puis la feuille semi-durcie empilée couche par couche, comme la nécessité de faire la couche interne du circuit, mais également selon les exigences du circuit interne doit être placée sur la feuille de cuivre, et finalement sera empilé plusieurs couches de feuilles semi-durcies.Des couches empilées de feuilles semi-durcies sont moulées à chaud, refroidies, puis percées et plaquées à l'emplacement souhaité, et génèrent enfin des trous plaqués, également appelés trous métallisés.

Des trous métallisés sont réalisés, mais également pour réaliser l'interconnexion entre la couche et la couche PCB.Étant donné que la paroi du trou après perçage sur le substrat est presque en résine époxy, elle ne sera pas très haute avec la combinaison de couches cuivrées.La paroi générale du trou de métallisation n'est que d'environ 25 μm d'épaisseur et la densification de la couche de cuivre est faible, la structure du premier panneau multicouche sur la métallisation du trou laisse une certaine quantité de problèmes cachés, c'est-à-dire une feuille semi-durcie dans le tissu en fibre de verre en raison de l'amélioration ainsi que les contraintes du câblage en cuivre multicouche, généralement CTE considérablement réduites aux panneaux époxy semi-durcis, par exemple, chaque couche du CTE pour (13 ~ 15) × 10-6 / ℃.Et le panneau multicouche couche à couche repose principalement sur la force de liaison de la résine époxy elle-même pour réaliser la liaison, de sorte que la résine époxy, en l'absence d'autres améliorations et contraintes du matériau, son CTE sera considérablement plus grand après chaleur, généralement (50 ~ 100) × 10-6 / ℃.La couche de feuille semi-durcie est dans la direction XY, tandis que les feuilles semi-durcies sont entre elles dans la direction Z, il existe donc une différence significative entre le CTE dans la direction XY et la direction Z.Ensuite, comme la paroi du trou métallisé est mince et que la structure de la couche de placage de cuivre n'est pas trop dense, lorsque le PCB est chauffé, la contrainte thermique dans la direction Z agit sur la paroi du trou métallisé, et après application d'une contrainte sur sa partie fragile, cela entraînera une fracture ou une fracture partielle de la paroi du trou.

De tels défauts ne peuvent pas être prédits à l'avance, et parfois des défauts cachés surviennent après que le produit électronique a été utilisé pendant un certain temps pour diverses raisons telles que la fatigue, comme le montre la figure.

Dans les produits SMT, la densité du câblage PCB augmente, le nombre de trous de métallisation augmente et le diamètre des trous diminue, et le nombre de couches dans les cartes multicouches augmente également.Afin de surmonter ou d'éliminer les problèmes cachés ci-dessus, les mesures suivantes sont généralement prises :

(1) Processus de gravure concave pour améliorer la force de liaison entre la paroi du trou métallisé et le panneau multicouche ;

(2) Contrôle approprié du nombre de couches de la plaque multicouche, préconisant actuellement l'utilisation de 8 à 10 couches, de sorte que le rapport diamètre-profondeur des trous métalliques soit sous contrôle d'environ 1:3, ce qui est le plus rapport diamètre-profondeur sécurisé, le rapport diamètre-profondeur le plus courant est d'environ 1:6 ;

(3) l'utilisation de matériaux CTE relativement petits ou l'utilisation des performances CTE des matériaux empilés les uns sur les autres, de sorte que le CTE global du PCB soit réduit ;(4) dans le processus de fabrication des PCB, l'utilisation de trous borgnes et de trous enterrés dans la technologie, comme le montre la figure 8-6, afin d'atteindre l'objectif de réduction du rapport diamètre-profondeur, qui est l'approche la plus souhaitable.Les vias borgnes sont des interconnexions entre la couche superficielle et certains délaminages internes, sans avoir à traverser la totalité du substrat, réduisant la profondeur du trou ;les trous enterrés ne sont que des interconnexions entre délaminages internes, ce qui peut réduire encore davantage la profondeur du trou.Bien que les trous borgnes et les trous enterrés dans la production soient difficiles, mais ont considérablement amélioré la fiabilité du PCB, grâce au test du panneau lumineux du PCB, il est possible de juger si le réseau de lignes est connecté.

Après avoir pris les mesures ci-dessus, empêcher efficacement le produit d'utiliser le phénomène de rupture des trous de métallisation.

3 planéité et résistance à la chaleur

1. Planéité En raison des caractéristiques du processus SMT, le PCB actuel nécessite un degré élevé de planéité, de sorte que les broches des composants montés en surface et les plots du PCB correspondent étroitement.Par conséquent, la couche de revêtement de surface du tampon PCB utilise non seulement un processus de nivellement à air chaud en alliage Sn/Pb, ainsi qu'un grand nombre de processus plaqués or ou de processus de revêtement de flux préchauffé pour améliorer sa planéité.

2. La résistance à la chaleur, généralement le processus SMT, est parfois requise par deux soudures par refusion, et donc après une température élevée, nécessite toujours de maintenir la planéité de la carte, afin d'assurer la fiabilité du deuxième patch ;et les tampons des composants montés en surface deviennent de plus en plus petits, la force de liaison des tampons est relativement faible, si le PCB utilisant la résistance thermique du substrat est élevée, alors la résistance au pelage des tampons est également élevée, les exigences générales pour le processus SMT du PCB peut avoir un 250 ℃ / 50 s de résistance thermique.

4 Performances électriques et impédance caractéristique

1. Performances électriques

En raison du développement de la technologie de communication sans fil vers la direction haute fréquence, les caractéristiques haute fréquence des PCB doivent améliorer, en particulier l'expansion des systèmes de communication mobile, la fréquence utilisée par la bande d'ondes courtes (300 M ~ 1 GHz) dans la bande micro-ondes (1 ~ 3 GHz).

(1 ~ 3 GHz).L'augmentation de la fréquence entraîne une augmentation de la constante diélectrique (ε) du substrat.Habituellement, la vitesse de transmission V (m/s) d'un signal de circuit est liée à ε.La fréquence d'un signal de circuit est déterminée par la constante diélectrique du substrat :

où K est une constante, C est la vitesse de la lumière et ε est la constante diélectrique du PCB.Quand ε du PCB augmente, la vitesse de transmission V du signal du circuit diminue.

Par exemple, le ε du substrat de polytétrachloroéthylène est de 2,6 à 3, et la ε du substrat époxy est de 4,5 à 4,9, et le premier est de 35 % à 47 % inférieur au second, et si le premier est utilisé pour fabriquer le PCB, la vitesse du signal est 40 % plus rapide que la seconde.

De plus, s'il est analysé du point de vue de la perte de signal, le matériau diélectrique consommera de l'énergie en raison de la génération de chaleur sous l'action d'un champ électrique alternatif, qui est généralement exprimé par la tangente angulaire de la perte diélectrique (tg δ), et en général tg δ est proportionnel à ε.

Si tg δ augmente, le support absorbe plus d'énergie et la perte de signal est importante ;cette relation est plus évidente aux hautes fréquences, ce qui affecte directement l’efficacité des signaux de transmission haute fréquence.

En bref, ε et tg δ est un paramètre important pour évaluer les performances électriques du substrat PCB, lorsque la fréquence de fonctionnement du circuit est supérieure à 1 GHz, il faut généralement un substrat ε <3,5, tg δ <0,02.En outre, l'évaluation des performances électriques de l'indice du substrat de la rigidité électrique, de la résistance d'isolement et de la résistance aux arcs électriques.

Impédance caractéristique lorsque l'électricité pulsée à travers le conducteur, en plus de la résistance, mais aussi de la résistance inductive (XL) et de la résistance capacitive (XC), le circuit ou le composant à travers lequel le courant alternatif produit par l'obstruction est appelé impédance, et dans les produits de communication numérique tels que les ordinateurs, les circuits imprimés sont transmis par un signal d'onde carrée, généralement également connu sous le nom de signaux d'impulsion, appartenant à la nature du courant alternatif pulsé, de sorte que la transmission rencontre une résistance. Les premières lignes imprimées sur PCB ne jouent que un niveau PCB entre l'interconnexion entre les composants et les parties de la fonction, mais avec les produits électroniques numériques à grande vitesse, tels que les CPU, les produits grand public actuels se situent dans les 3,0 GHz environ, et les cinq prochaines années de développement prévoient de atteindre 10 GHz.

Le PCB en tant que support pour les composants électroniques n'est plus un simple dispositif d'interconnexion électrique, la demande de PCB n'est pas non plus satisfaite uniquement par le PCB.Le côté demande des PCB est également non seulement satisfait de la fonction de conduction de la ligne imprimée, mais doit être utilisé comme ligne de transmission, la nécessité de caractéristiques de transmission idéales.

Affecte la valeur Z0 de divers facteurs, tels que la constante diélectrique de la couche isolante ε, l'épaisseur de la couche isolante H, la largeur du fil imprimé W, l'épaisseur de la couche conductrice T (y compris l'épaisseur de la couche plaquée or), son ε, H, T et les caractéristiques du substrat PCB lui-même.Dans la fabrication de panneaux multicouches, l'épaisseur de l'isolant, la précision du contrôle de précision Z0 est le facteur le plus important, suivi par la largeur du fil.

Dans la production réelle, tout d'abord, grâce à l'amélioration du processus pour améliorer la précision de l'épaisseur de la feuille semi-durcie afin de contrôler l'épaisseur de la planche de moulage H, l'utilisation d'une couche métallique composite (Cu/Al) pour contrôler l'épaisseur de la feuille de cuivre ;améliorer la formulation de la solution de gravure, ainsi que l'emplacement du processus d'exposition pour contrôler la largeur du fil ;l'utilisation d'un nouveau type de substrat afin de contrôler les PCB ε.

Grâce à l'amélioration du processus mentionné ci-dessus pour rendre la précision Z0 du PCB a été considérablement améliorée et pour atteindre un état contrôlé.amélioré et un état contrôlé est atteint.