Испытания базовых материалов печатных плат*

К характеристикам, которые проходят проверку термомеханическим способом, относятся T_g , КТР, термостойкость, стойкость к пайке методом погружения и к плаванию в ванне с припоем.

Температура стеклования T_g

Полимерные системы, используемые сегодня при изготовлении композиционных диэлектриков, практически все являются трехмерными термически отверждаемыми полимерами с мостиковыми связями (термореактивные смолы — реактопласты). Это означает, что такие материалы превращаются при реакции отверждения в твердый готовый продукт и не могут потом повторно расплавляться так, как это происходит с термопластами. Во многих случаях различные полимерные системы смешивают, чтобы создать материал со специальными свойствами. Функциональность отдельных смол и их удельное содержание в смеси определяют свойства термореактивной смолы. Степень отверждения термореактивной полимерной системы может быть описана такими характеристиками, как доля неотвержденного мономера и теплота, нужная для окончательного отверждения, или механическими свойствами, такими как твердость, упругость и предел текучести. Одной из наиболее широко используемых характеристик для описания степени отверждения и плотности мостиковых связей термореактивного полимера является температура стеклования (Tg).
Простейшим способом определения T_g материала является определение температуры, при которой начинается быстрое изменение (ухудшение) его механических свойств. Это температура, при которой полимер переходит из жесткого, ломкого и подобного стеклу состояния, превращаясь в мягкий резиноподобный материал. Однако это состояние не следует путать с точкой плавления кристаллического материала или с чрезмерным умягчением термопластичного полимера. В термореактивном материале при T_g относительная подвижность молекул в мостиковых связях полимера меняется. Ниже T_g они неподвижны и материал является жестким; выше T_g относительная подвижность этих молекул увеличивается и становятся возможными незначительные перемещения, что приводит к потере механической прочности материала. Хотя все описанные методы в этом разделе позволяют нам определить специфическую температуру стеклования материалов, необходимо также подчеркнуть, что температура стеклования термореактивной смолы не является единственной величиной температуры этого перехода. Обычно этот переход происходит внутри температурного диапазона (для некоторых полимерных систем этот диапазон может составлять 100 °C), а T_g определяется внутри этого диапазона.
Помимо этого, необходимо отметить разницу между T_g и T_d. При температуре T_g начинается изменение механических свойств, тогда как при температуре T_d в материале начинается необратимое разложение. Если требуется оценить способность материала выдерживать высокие температуры пайки, то температура T_d является более подходящим показателем. Температура T_g важна, когда оценивается потеря механической прочности, которая может привести к короблению, изгибу и росту расширения по оси Z печатной платы, что, в свою очередь, может оказывать существенное влияние на ее надежность.
Имеется целый ряд различных методов измерений для определения T_g . Наиболее широко используются методы термометрического анализа. Имеются также и другие методы (такие как спектральный анализ и электрические характеристики), но их применение ограничено, и поэтому они здесь описаны не будут. К трем методам термометрического анализа относятся:
– дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC);
– термомеханический анализ (TMA);
– динамико-механический анализ (DMA).
По всем этим методам измеряют слегка отличающиеся между собой изменения свойств материала, и поэтому, получаемые с их помощью величины тоже будут различными. Они обычно будут следовать простому эмпирическому правилу:

Tg (DMA) > T_g (DSC) > T_g (TMA).

Определение T_g с помощью термомеханического анализа (TMA)

 При проведении термомеханического анализа определяются изменения размеров материала в процессе его нагревания от комнатной до предварительно установленной конечной температуры (рис. 2). Изменение длины (ширины или высоты) образца с изменением температуры определяет КТР материала. При температуре T_g коэффициент расширения материала резко увеличивается, и именно это изменение характеристики материала используется для определения T_g с помощью термомеханического анализа.
Эта процедура испытания определена в МЭК 61188-2.

Рис. 2. Типичный цикл измерений с помощью TMA

Определение T_g с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC)

В дифференциальной сканирующей калориметрии измеряется разница в поглощении или выделении тепла испытуемым образцом по сравнению с контрольным образцом (обычно это азот). Это позволяет использовать данный метод для определения изменения различных свойств полимерных материалов. С его помощью можно обнаружить экзотермическую реакцию отверждения, измерить энергию кристаллизации, а также остаточную реактивность полимеров и эндотермическую точку плавления (рис. 3). Для полимеров на основе эпоксидной смолы DSC является вполне подходящей методикой, поскольку эти материалы проходят через точку кристаллизации T_g и соответствующие изменение свойств можно использовать для определения точки начала стеклования. Для других полимерных систем, являющихся более аморфными и имеющими T_g , меняющуюся в широком диапазоне (например, у полиимидов), ее определение может оказаться сложнее для DSC, чем для TMA.

Рис. 3. Результаты термоанализа с помощью DSC

Определение T_g с помощью динамомеханического анализа (DMA)

Динамомеханический анализ использует колебательные нагрузки сжатия и растяжения, воздействующие на образец в процессе его нагрева. Способность материала упруго реагировать на механические деформации меняется во время цикла нагревания, поскольку при этом меняется его вязкоупругое поведение, от стеклообразного до резиноподобного. Это изменение свойства помогает определить температуру стеклования с помощью DMA.
На рис. 4 показан пример обычной серии измерений с помощью DMA. В частности, этот материал имеет T_g  = 193,17 °C.

Рис. 4. Измерения Tg с помощью DMA

Коэффициент температурного расширения (КТР)

Коэффициент температурного расширения описывает свойство материала расширяться под действием нагрева. Из-за наличия армирования в композиционных материалах КТР в направлении осей X и Y обычно отличается от КТР в направлении оси Z. Принято за направление вдоль оси X принимать направление основы ткани, используемой для армирования, тогда как направление вдоль оси Y — направлению утка ткани. Направление вдоль оси Z является направлением, которое перпендикулярно плоскости материала (трансверсальное направление). Разница между значениями коэффициента КТР вызвана армированием, которое сильно ограничивает расширение вдоль осей X и Y, тогда как смола может расширяться, не испытывая аналогичных ограничений, вдоль оси Z.
Для фольгированных материалов, используемых в печатных платах, коэффициент КТР вдоль осей X, Y и Z представляет огромную важность. Направления вдоль осей X и Y являются важными для всех электронных компонентов, которые будут поверхностно монтироваться на печатной плате. Чем больше несогласованность между материалом основания и припаянными компонентами, тем выше риск, что температурные изменения приведут к усталости материала припоя и, в конечном счете, к снижению надежности соединений. Направление вдоль оси Z не менее важно, потому что расширение материала во время термоциклов нагрева при пайке приведет к напряжению на границе фольги и диэлектрика в металлизированных сквозных отверстиях в плате. Материалы с низким коэффициентом КТР вдоль оси Z и высоким значением T_g обычно более всего востребованы для обеспечения надежности сквозных отверстий.
Можно использовать целый ряд различных методов измерения КТР фольгированных материалов. Наиболее широко используемым из них является TMA (см. рис. 2).
В другом методе определения коэффициентов КТР материалов применяются тензодатчики. При пользовании этим методом необходимо учитывать множество деталей. Тензодатчики необходимо откалибровать для определенного диапазона температуры и адгезии, используемой для прикрепления образцов, которые должны быть устойчивыми во всем диапазоне. Особое внимание требуется во время подготовки образца и крепления его к датчику. Рекомендуется проводить один цикл нагревания до измерений, чтобы снять любые остаточные напряжения.

Термомеханические испытания

Термостойкость композиционных материалов является одним из ключевых его свойств. Она является наиболее важным индикатором работоспособнос­ти печатных плат во время выполнения операций пайки. Как уже упоминалось, для большинства печатных плат потребуется способность выдерживать не менее пяти циклов пайки оплавлением с пиковой температурой в области 240…260 °C, но это число может увеличиться до шести и более для сложных сборок. При воздействии таких технологических температур материал не должен расслаиваться или начать разлагаться. Другим важный фактором, который можно оценить во время испытаний на термостойкость, является работоспособность диэлектрика при различных способах использования печатных плат, при которых на плату воздействуют высокие рабочие температуры. Следует рассматривать несколько различных методов при оценке материала.
Стойкость к погружению в припой. Первоначально целью этого метода была оценка стойкости к пайке поверхности материала, но сегодня его часто применяют для оценки способности материалов выдерживать температуры в ванне с расплавленным припоем. Важно заметить, что стандарт на этот метод длительное время не пересматривался и текущая его версия не отражает требований к фактически используемым температурам бессвинцовой пайки. Этот метод является хорошим способом дифференциации материалов. Рекомендуется увеличивать либо температуру припоя в ванне, либо время пребывания в ней, если материалы предполагается использовать при бессвинцовой пайке. К показателям работоспособности, которые следует рассматривать, относятся стойкость к размягчению, потеря поверхностной смолы, выгорание участков, расслаивание, образование пузырей и возникновение пятен.
Образцы после воздействия горячего припоя проверяются на наличие обесцвечивания, загрязнения поверхности, потери смолы с поверхности, умягчения, расслаивания, межслойных пузырей или пятен. Образцы с фольгой также необходимо проверить на наличие образования пятен и отслаивания металлической фольги от основания материала.
Стойкость к припою на плаву. Это испытание относится к термостойкости материала, плавающего в ванне с припоем. Поскольку метод подвергает образец воздействию тепловых градиентов поперек оси Z материала, аналогичному фактической операции пайки волной припоя, то результаты этого испытания особенно важны.

К электрическим характеристикам относятся εr (D_c ) и tgσ (D_f ), поверхностное и объемное удельное сопротивление и электрическая прочность ди­электрика.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε_r (диэлектрическая постоянная D_c) и тангенс угла потерь t_gσ (коэффициент потерь D_f)

Диэлектрическая постоянная D_c (также известная как относительная диэлектрическая проницаемость ε_r) определяется как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости этого же конденсатора с воздухом вместо диэлектрика. Эта постоянная является показателем способности материала накапливать электрическую энергию и определяет относительную скорость, с которой электрический сигнал будет распространяться в материале. Чем выше D_c, тем меньше будет результирующая скорость распространения сигнала. Скорость сигнала обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической проницаемости. Эту величину нелегко измерить или определить, потому что она зависит не только от свойств материала и относительного содержания смолы в стеклоткани, но также от метода испытания, частоты испытуемого сигнала и способа выдерживания образца в определенных условиях перед проведением испытания. Кроме того, она меняется с температурой. И все же значения D_c важны для численного моделирования, которое используется для прогноза работоспособности линий связи, особенно когда применяются новые материалы.
С диэлектрической постоянной связан коэффициент потерь (D_f ) или тангенс угла потерь tgσ. Эта величина является мерой доли переданной суммарной мощности, которая будет потеряна в диэлектрике.
Для определения диэлектрической постоянной и коэффициента потерь используется стандарт МЭК 61188. Методы, рекомендуемые стандартами на фольгированные диэлектрики, предполагают испытания материала с полностью удаленной фольгой. Используются также образцы с вытравленным рисунком тест-схемы. Все измерения базируются на измерении емкости соответствующего образца. Через величину этой емкости, площадь и толщину образца можно рассчитать диэлектрическую постоянную. Коэффициент потерь можно определить по добротности контура, в который включен образец материала.

Удельные поверхностное и объемное сопротивления

Различают поверхностное и объемное удельное сопротивление материалов. Удельное поверхностное сопротивление характеризует электрическое сопротивление между двумя проводниками вдоль поверхности слоистого материала. Величина удельного объемного сопротивления описывает электрическое сопротивление между двумя слоями проводящей меди вдоль оси Z слоистого материала. Чем выше величины обеих характеристик, тем лучше, поскольку это гарантирует должную изоляцию отдельных медных проводников в печатной плате.
Все измерения выполняются при определенном напряжении постоянного тока. Напряжение следует прикладывать к образцу за 60 с до снятия показаний сопротивления, чтобы дать возможность испытываемой конструкции стабилизироваться. Удельное поверхностное сопротивление определяется между внешним электродным кольцом и внутренним электродом. Объемное удельное сопротивление определяется между верхним и нижним электродами. Величины для объемного и поверхностного удельного сопротивления можно вычислить из измеренных величин сопротивления по приведенным в стандартах формулам.

Пробой диэлектрика

Электрическая прочность диэлектрика определяется напряжением, которому слоистый материал может противостоять некоторое время, тогда как напряжение пробоя диэлектрика определяет максимальное напряжение, при котором материал диэлектрика разрушается. Эти характеристики могут быть измерены перпендикулярно армированию (ось Z) или параллельно армированию (вдоль осей X и Y). Более важной величиной является прочность вдоль оси Z, потому что все больше тонких препрегов и сердцевин материала используются в высококачественных изделиях. Минимальная толщина диэлектрика определяется как наикратчайшее расстояние между неровностями поверхности фольги, между которыми диэлектрик должен выдерживать требуемое напряжение при испытании. Значения электрической прочности диэлектрика зависят от испытательной установки, температуры, влажности, частоты и формы сигнала, и при проведении испытаний в контролируемых условиях последние должны быть одинаковы для различных образцов материалов.

К другим свойствам, которые следует учитывать, относятся горючесть и поглощение влаги.

Горючесть

Горючесть (воспламеняемость) слоистого материала классифицируется в соответствии со спецификациями компании Underwriters Laboratories (UL). Все испытания выполняются в вытяжном шкафу с использованием стандартной испытательной установки с помощью горелки Бунзена в качестве источника пламени. Выделяют следующие категории воспламеняемости:
– UL-94-V-0. Образцы должны гаснуть спустя 10 с после каждого воздействия на них пламенем и при общем времени не более 50 с после суммарного десятикратного воздействия пламенем. Ни один образец не должен выделять в виде капель горящие частицы или демонстрировать светящееся горение длительностью более 30 с после второго теста на воспламенение;
– UL-94-V-1. Образцы должны гаснуть спустя 30 с после каждого воздействия на них пламенем и при общем времени не более 250 с после суммарного десятикратного воздействия пламенем. Ни один образец не должен выделять в виде капель горящие частицы или демонстрировать светящееся горение длительностью более 60 с после второго теста на воспламенение;
– UL-94-V-2. Образцы должны гаснуть спустя 30 с после каждого воздействия на них пламенем и при общем времени не более 250 с после суммарного десятикратного воздействия пламенем. Образцы могут выделять в виде капель горящие частицы или ярко гореть непродолжительное время, но ни один образец не может демонстрировать светящееся горение продолжительностью более 60 с после второго испытания на возгорание.
В большинстве случаев поставщик материалов предоставляет результаты подобных испытаний. В случае новых материалов, для которых поставщик не предоставил никаких данных по возгораемости, следует попробовать тщательно проверить это свойство. Такой тест не требует испытательной установки, так что первые характеристики воспламеняемости можно получить, поджигая образец в вытяжном шкафу с помощью горелки.

Водопоглощение

В зависимости от определенной молекулярной структуры каждый слоистый материал поглощает определенное количество воды. Это происходит не только при многочисленной влажной обработке в процессе изготовления печатных плат, но также в результате воздействия нормальных условий окружающей среды. Поглощенная влага может изменить свойства материала и повысить риск появления пузырей и расслоения при высокотемпературной обработке, подобной пайке оплавлением.
Метод определения способности к поглощению влаги определяет количество воды, которая поглощена образцом материала при его погружении на 24 часа в воду. Это испытание несложно проводить, а результаты для различных материалов легко сравнивать между собой.

В дополнение к описанным ранее испытаниям можно найти еще много методов в стандартах МЭК и IPC. Все эти методы связаны со свойствами композиционного диэлектрика, которые могут оказывать существенное влияние на работоспособность конечного продукта. Окончательное решение, какой именно метод следует включить в оценивающие испытания всегда следует принимать для каждого случая индивидуально, в зависимости от требуемых характеристик печатных плат.
В то же время есть набор тест-элементов, которые редко когда будут выполняться при производстве печатных плат. Во многих случаях поставщик материалов сам выполняет ряд оценочных тестов и делится результатами со своими покупателями. Во многих случаях этого оказывается достаточно, особенно после установления тесного контакта между поставщиком и производителем печатных плат.

При оценке новых материалов может оказаться необходимым выполнить специализированные испытания препрега для проверки его качества. Наиболее часто проверяемыми показателями препрега являются содержание смолы, текучесть при прессовании и время гелеобразования.

Во время аттестации нового материала также важно пропустить материал через производство для проверки их совместимости. В табл. 4 подытоживаются все необходимые шаги, которые необходимо при этом пройти.

Первый технологический шаг — обработка внутреннего слоя. Именно на этом этапе изменение жесткости нового материала может иметь существенное влияние на технологичность его применения в горизонтальных производственных линиях. Это особенно важно для тонких диэлектриков. Изменение качества меди нового материала может повлиять на адгезию фоторезистов и воздействовать на скорость травления меди. При автоматизированном оптическом контроле (AOI) необходимо проверить контраст между медной схемой и диэлектриком и при необходимости скорректировать настройки AOI. В случае ремонта внутренних слоев, возможно, понадобится скорректировать настройки для процесса пайки, чтобы избежать теплового повреждения материала и обеспечить надежное межслойное соединение. Последний шаг обработки внутреннего слоя посвящен черной оксидации меди. На этом шаге необходимо проверить совместимость пленки оксида (уменьшенной/не уменьшенной или альтернативной) с базовым материалом, чтобы получить достаточную силу сцепления внутреннего слоя многослойной платы. Стабильность размеров внутренних слоев должна быть измерена после многократного цикла настройки масштабного коэффициента, учитывающего деформацию внутренних слоев нового материала.
Следующим шагом после прессования слоев и обрезки облоя является сверление. Изменение термомолекулярных свойств слоистого материала может повлиять на качество высверливаемых отверстий и потребовать корректировки скорости сверления или очистки стенок отверстий от наноса смолы. После металлизации необходимо проверить адгезию меди в металлизированных сквозных отверстиях, а также надежность контактов со всеми внутренними слоями.
Адгезия паяльной маски также может измениться в начале использования нового материала. Это особенно важно в сочетании с технологией нанесения финишных покрытий (например, Ni/ImmAu, ImmSn и ImmAg). Помимо негативного влияния на адгезию паяльной маски, эти процессы в сочетании с применением новых материалов также могут привести к неравномерности покрытия или к пропускам в таком покрытии. Одним из последних шагов в изготовлении, которые должны быть оценены на этапе внедрения нового материала, является обработка по контуру и механическая зачистка. Здесь применение нового базового материала с измененной жесткостью или другим армированием может привести к необходимости технологической коррекции.

Сегодня производство печатных плат испытывает большие затруднения в связи с неопределенностью рынка базовых материалов. Положение может спасти выпуск отечественных стандартов на базе международных и лаборатория сертификации, которая объективно (как это показывают по ТВ в передаче «Контрольная закупка») сможет оценивать конкретные партии материалов от различных фирм. Будем надеяться, что проблема в скором времени разрешится.