Печатные платы. Базовые материалы. Фольги


PDF версия

В статье рассмотрены различные виды и марки медной фольги, применяемой в изготовлении современных печатных плат и ее основные характеристики, а также влияние физических свойств фольги на прохождение электрического сигнала.

Субтрактивные методы, довлеющие в производстве печатных плат, основаны на использовании фольгированных диэлектриков. Фольга — большей частью медная. Сейчас для изготовления плат со встроенными компонентами используют комбинированные фольги, состоящие из медного и резистивного слоев. Зачастую мы даже не догадываемся, какое разнообразие фольг предлагает сегодня рынок. Знаем, что фольга может быть электролитическая и катанная, различных толщин, гальваностойкая со специальным подслоем. Но развивающиеся технологии печатных плат сказались и на развитии технологий медных фольг применительно к задачам воспроизведения тонкого рисунка, уменьшения потерь в СВЧ-линиях, обеспечения адгезии слоев в многослойных печатных платах и т.д. Международные стандарты IPC [1] и МЭК [2] предусматривают все это разнообразие сортаментов фольг. Мало того, стандарты на фольгированные материалы тоже различают используемые для них фольги. Сейчас в процедуре переводов на русский язык находится серия стандартов МЭК на фольгированные материалы, фольги и препреги IEC 61249, на основе которых будут созданы ГОСТ Р. Тогда их можно будет вписывать в конструкторскую документацию, независимо от происхождения.
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 рядом конкурирующих способов: стандартная электролитическая, высокопластичная электролитическая, отожженная электролитическая, горячекатаная, холоднокатаная, отожженная катанная, катанная с последующим низкотемпературным отжигом.
Марки медной фольги приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Марки фольг по IPC-4562 [1]

Марка

Описание фольги

1

Стандартная электролитическая (STD-тип E)

2

Высокопластичная электролитическая (HD-тип E)

3

Электролитическая с повышенной пластичностью при высокой температуре (HTE-тип E)

4

Отожженная электролитическая (ANN-тип E)

5

Катаная, без дальнейшей обработки (AR-тип W)

6

Холоднокатанная без дальнейшей обработки (LCR-тип W)

7

Катаная обожженная (ANN-тип W)

8

Катанная с низкотемпературным отжигом (LTA-типW)

9

Никель, стандартный электролитический

10

Электролитическая с низкотемпературным отжигом (LTA-тип E)

11

Электролитическая с отжигом (STD-тип E)

 

1. Электролитическая медная фольга

В производстве электролитической медной фольги используются традиционные процессы осаждения меди из сернокислого электролита на полированную поверхность вращающегося барабана из нержавеющей стали или из титана (рис. 1). В результате осаждения со стороны барабана фольга получает ровную блестящую поверхность, со стороны электролита получается матовая поверхность. Как правило, матовой стороной фольга припрессовывается к диэлектрическому основанию, чем обеспечивается хорошая адгезия фольги с диэлектриком. В свою очередь, ровная блестящая поверхность способствует хорошему воспроизведению тонкого рисунка проводников и зазоров [3, 4].

 

Рис. 1. Схема изготовления электролитической фольги

На рис. 2 иллюстрируется полный процесс, используемый для электролитического осаждения медной фольги.
Управляя химией электролитического раствора, состоянием поверхности гальванического барабана и параметрами электоосаждения можно менять свойства медной фольги, предназначенной для разных целей. Например, механические свойства, такие как прочность на растяжение и пластичность, а также профиль поверхности матовой стороны, можно настраивать управлением этих переменных параметров процесса.

 

Рис. 2. Полный процесс изготовления электролитической медной фольги

Рис. 3. Обработка медной фольги

Фольга, получаемая в этом процессе, затем проходит процесс обработки, в котором дополнительно осаждаются медные глобулы (бугорки), добавляющие неровность на матовой поверхности, и тем самым улучшающие адгезию, а также накладываются барьерные слои из другого металла и антикоррозийные покрытия, как это показано на рис. 3. Поверхностная плотность стандартной фольги и ее толщина приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Масса и толщина фольги по IPC-4101

Обозна­чение

Поверхностная
плотность, г/м2

Номинальная
толщина, мкм

Допуск
на толщину, мкм

E

45.1

5,1

0,20

Q

75,9

8,5

0,34

T

104,8

12.0

0,47

H

151,5

17,1

0,68

M

228,8

27,7

1,01

1

305,0

34,3

1,35

2

610,0

68,6

2,70

3

915,0

102,9

4,05

4

1220,0

137,2

5,40

5

1525,0

171,5

6,75

6

1830,0

205,7

8,10

7

2135,0

240,0

9,45

10

3050,0

342,9

13,30

14

4270,0

480,1

18,90

Наиболее широко при изготовлении печатных плат используются фольга марки 1 и 3 (табл. 1). В отличие от фольги марки 1, фольга марки 3 должна удовлетворять определенным требованиям на пластичность при повышенных температурах (180°C). Фольга марки 3 или просто TНE-фольга отличается большой пластичностью при высокой температуре, широко применяется в составе базовых материалах для изготовления многослойных печатных плат. Улучшенные показатели пластичности при повышенных температурах обеспечивают фольге стойкость к растрескиванию при тепловых перенапряжениях. Кристаллическая структура THE-фольги может меняться изменением режимов осаждения меди в электролизере. Она оказывает влияние на механические свойства фольги. В табл. 3 и 4 приведены требования к пределу прочности на растяжение и пластичности медной фольги марки 1 и 3. Требования взяты из IPC-4562, «Металлическая фольга для печатных плат», где перечислены требования также и для других марок.

 

Таблица 3. Свойства медной фольги марки 1

Свойство при 23°C

17 мкм

35 мкм

70 мкм

Предел прочности на растяжение, МПа

207

276

276

Пластичность, %

2

3

3

 

Таблица 4. Свойства медной фольги марки 3

Свойство

17 мкм

35 мкм

70 мкм

Предел прочности на растяжение при 23°C, MПа

207

276

276

Пластичность, % при 23°C

2

3

3

Предел прочности на растяжение при 180°C, MПа

103

138

138

Пластичность, % при 180°C

2

2

3

Большое значение при изготовлении печатных плат имеет профиль поверхности медной фольги. С одной стороны, относительно грубый профиль поверхности способствует большей прочности сцепления фольги со связующим. С другой стороны, грубый профиль требует большего времени на полное вытравление меди из зазоров, что сказывается на производительности процесса травления и геометрии проводников. При продолжительном времени травления возрастает предрасположенность к глубокому подтравливанию проводников.

Шероховатость фольги и ослабление сигнала

По мере увеличения рабочей частоты электрический сигнал все больше перемещается к поверхности проводника. Глубина скин-слоя, т. е. области, в которой преимущественно распространяется сигнал, показана на рис. 4 как функция частоты. Из графика на рисунке видно, что глубина скин-слоя приближается к поверхности неровностей медной фольги (17 мкм), когда частота становится выше 1 ГГц. Ослабление сигнала, вызванное потерями в проводнике, связанными с неровностью фольги, становится важным фактором на этих частотах и должно учитываться инженерами-конструкторами.
Рис. 5 иллюстрирует относительную разницу в шероховатости разных типов фольг. На рис. 6 представлены величины потерь, связанные с использованием каждого типа фольги в зависимости от частоты. Вплоть до 1 ГГц наблюдается незначительная разница в потерях среди этих типов фольг. Однако при более высоких частотах эта разница становится намного больше, в соответствии с шероховатостью каждого типа фольги; чем больше неровность, тем большим оказывается ослабление сигналов.

 

Рис. 4. Глубина скин-слоя в зависимости от частоты

Рис. 5. Вид поперечного сечения нескольких типов фольги

Рис. 6. Потери в зависимости от частоты для различных типов фольги

Шероховатость, которая получается в результате альтернативного процесса оксид-оксидной подготовки поверхности в процессе изготовления печатных схем, также очень важна.
Тонкопрофильные и очень тонкопрофильные фольги используются для изготовления плат с узкими проводниками и контролируемом импедансом. Их характеристики включены в спецификацию IPC-4562 в виде, показанном в табл. 5. На рис. 7 и 8 демонстрируется разница профилей у стандартной и тонкопрофильной медной фольги. Кроме того, с ростом частоты функционирования схемы неровность медной фольги приводят к ослаблению сигнала, так как при более высоких частотах большая часть токов перемещаются в тонкий поверхностный слой проводника — скин-слой. Неровный профиль поверхности приводит к удлинению пути перемещения сигнала, что и является причиной ослабления сигнала или увеличения потерь энергии. Если поверхность проводников окислена или имеет высокоомное покрытие, скин-слой перемещается в поверхностный слой окислов, что в еще большей мере приводит к потере сигнала. Следовательно, для СВЧ-плат нужна фольга с тонким профилем, но которая не теряет хорошую адгезию со связующим диэлектрических оснований.
Вслед за первоначальным изготовлением базовой медной фольги обычно применяют разнообразные способы обработки ее поверхности, выбор которых зависит от назначения готовых плат. Эти способы обработки можно разбить на четыре категории.

 

Таблица 5. Профили фольги

Тип профиля фольги

Максимум профиля фольги, мкм

S – стандартный

Не установлен

L – тонкий профиль

10,2

V – очень тонкий профиль

5,1

X – без обработки

Не регламентируется

 

Обработка для улучшенного сцепления

Эта обработка увеличивает площадь поверхности фольги за счет глобул, получаемых при электроосаждении или оксидации меди. Увеличенная площадь поверхности приводит к усилению прочности связи фольги со связующим. Толщина получаемого при обработке слоя относительно небольшая, но достаточно эффективна для улучшения адгезии с высококачественными полимерными системами, такими как полиимиды, цианатные эфиры и BT. На изображении матовой стороны фольги, приведенном на рис. 7 и 8, видны глобулы, создающих необходимую шероховатость для улучшения адгезии.

 

 

Термические барьеры

Покрытия цинком, никелем или латунью обычно выполняют поверх глобул. Эти покрытия могут предотвратить термическое или химическое разрушение связи между фольгой и связующим во время изготовления фольгированного диэлектрика, многослойной печатной платы или монтажа печатного узла. Их толщина обычно измеряется сотыми долями микрометра, и они различимы только по цвету, который зависит от используемого металла в сплаве и его сплошности. Большинство покрытий имеют коричневый, серый или желто-горчичный цвет.

Пассивационные и антиоксидантные по­крытия

В отличие от прочих, эта обработка фактически всегда проводится с обеих сторон фольги. Хотя большинство этих покрытий используют хром, могут использоваться и органические покрытия. Основная цель этой обработки — предотвратить окисление медной фольги при длительном хранении и при прессовании. Покрытия имеют толщину менее сотых долей микрометра и удаляются при очистке, травлении или механической дезоксидации, которые выполняются в начале изготовления печатных плат.

Аппретирование

Аппреты, главным образом силаны, подобные тем, что используются для улучшения адгезии стекловолокна к смоле, также применяются и для медной фольги. Эти аппреты могут улучшить химическую связь между фольгой и полимерной системой, и используются также для предотвращения окисления или загрязнения.

2. Фольга с обработкой со стороны барабана (DSTF) или фольга с обработанной обратной стороной (RTF)

Фольга с обработанной со стороны барабана стороной (DSTFoil®) или фольга с обработанной обратной стороной (RTF) также является электролитической медной фольгой, но покрытия наносятся на гладкую сторону фольги, а не на ее матовую поверхность, как в случае традиционной электролитической фольги (рис. 9 и 10). Это приводит к очень тонкопрофильной поверхности, присоединяемой к диэлектрическому основанию, грубой матовой стороной, обращенной наружу. Тонкопрофильная поверхность, соединяемая с диэлектриком, используется для изготовления тонких проводников на внутреннем слое, тогда как матовая поверхность может способствовать хорошей адгезии фоторезиста.

 

Рис. 9. Внешние стороны для RTF (вверху) и стандартная (внизу) фольга

Рис. 10. Профили поверхностей фольги, обращенные к диэлектрику, для RTF (вверху), и стандартная фольга (внизу)

Тонкий профиль, наслаиваемый на диэлектрик, может также улучшить электрические характеристики на высоких частотах. Кроме того, в очень тонких слоистых платах тонкий профиль поверхности может способствовать обеспечению малой толщины диэлектрика за счет уменьшения выступов профиля фольги. Эти преимущества, однако, сказываются на небольшом уменьшении сопротивления расслаиванию.

3. Катаная отожженная медная фольга

Отожженная катаная фольга обычно используется для изготовления гибких плат, потому что она обладает превосходной пластичностью. В отличие от электролитического процесса, процесс создания катаной отожженной фольги начинается с создания листа или заготовки меди с помощью серий прокатов, перемежающихся циклами нагревания, чтобы получить нужные толщину и механические свойства. Получаемая при этом зернистая структура катаной отожженной фольги, которая очень хаотична по сравнению со столбчатой или мелкозернистой структурой электролитической фольги, является существенным фактором, определяющим разницу их механических свойств. Кроме того, катаная отожженная фольга состоит из двух очень тонкопрофильных сторон, что требует всех дальнейших операций, свойственных обработке любой поверхности. Требования к растяжению и удлинению для катанной отожженной фольги марки 7 приводятся в табл. 6. Требования к другим маркам катаной фольги входят
в IPC-4562.

 

Таблица 6. Свойства катаной отожженной фольги

Свойство

17 мкм

35 мкм

70 мкм

При температуре 23°C

Предел прочности на растяжение при 23°C, MПа

103

138

172

Усталостная вязкость, % при 23°C

65

65

65

Пластичность, % при 23°C

5

10

20

При температуре 180°C

Предел прочности на растяжение при 180°C, MПа

97

152

Эластичность, % при 180°C

6

11

 

4. Чистота и удельное сопротивление медной фольги

Стандарт IPC-4562 «Металлическая фольга для изготовления печатных плат» определяет чистоту и удельное сопротивление электролитических и катаных медных фольг. Электролитическая медная фольга без обработки имеет минимальную чистоту 99,8%, при любом содержании серебра, которое учитывается как медь. Чистота для катаных фольг составляет 99,9%. Табл. 7 содержит требования к удельному сопротивлению электролитической фольги. Требование к максимальному удельному сопротивлению для катаной фольги колеблется в диапазоне 0,155…160 Ом·г/м2 в зависимости от ее плотности.

 

Таблица 7. Максимальное удельное сопротивление электролитической фольги

Условный символ плотности

Общепринятая промышленная терминология, мкм

Максимальное удельное сопротивление, Ом·г/м2

E

5

0,181

Q

9

0,171

T

12

0,170

H

17

0,166

M

26

0,164

35 мкм и более (305 г/м2)

35

0,162

 

5. Другие типы медной фольги

Описанная ранее электроосажденная медная фольга является наиболее широко используемой из всех токопроводящих фольг, применяемых в жестких печатных платах. Однако модифицированные версии этой фольги иногда используются в специальных случаях. Эти модифицированные версии включают в себя медную фольгу с двусторонней обработкой и резистивную фольгу.

Медная фольга с двусторонней обработкой

Поверхность фольги, обращенная к базовому материалу, обрабатывается покрытиями, предназначенными для усиления прочности сцепления фольги с полимерной основой и увеличения надежности этого сцепления. Для фольги с двусторонней обработкой, эти покрытия также применяются к той стороне фольги, которая образует наружную к диэлектрику поверхность. Можно также использовать «обратную обработку» фольги, имея ввиду, что гладкая сторона крепится к базовому материалу матовой стороной наружу, причем обе стороны проходят соответствующую обработку.
Преимущество фольги с двусторонней обработкой состоит в том, что она исключает оксидацию или другие процессы подготовки поверхности, обычно используемые для внутренних слоев многослойной платы. Однако никакой механической дезоксидации фольги с двусторонним покрытием в этом случае производиться не может, а удаление любых поверхностных загрязнений становится затруднительным. Это делает фольгу с двусторонней обработкой более чувствительной к используемой на практике обработке в процессе изготовления плат.

Резистивные фольги

Другие виды дополнительной обработки могут применяться при изготовлении многослойных плат с встроенными резисторами. Эта технология дает возможность избавиться от необходимости монтажа многих резисторов, обычно монтируемых снаружи многослойной платы. При этом улучшается надежность платы и освобождается пространство снаружи для размещения активных компонентов. Для этого типа обычно применяется резистивный металлический сплав, который наносится на базовую фольгу. На материал, изготовленный с этой фольгой, затем можно наносить рисунок межсоединений и травить для получения нужной схемы вместе с резистивными компонентами.

ЛИТЕРАТУРА
1. IPC-4562, «Metal Foil for Printed Wiring Applications.»
2. Международная электротехническая комиссия. Стандарты серии IEC 61249.
3. Печатные платы: Справочник/Под редакцией К.Ф. Кумбза. В 2-х книгах. Перевод с английского под редакцией А. Медведева. Москва: Техносфера 2011.
4. А. Медведев. Печатные платы. Конструкции и материалы. Москва: Техносфера. 2005.
5. Kelley, Edward X, and Micha, Richard A., «Improved Printed Circuit Manufacturing with Reverse Treated Copper Foils.» IPC Printed Circuits Expo, March 1997.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *