Význam použití základních materiálů s vyšším Tg

V dobách, kdy se používaly olovnaté povrchové úpravy DPS a osazovalo se eutektickou olovnatou pájkou, byly téměř všechny materiály nazývány „standardní základní materiály“. Specifikační list 21 normy IPC-4101 popisuje minimální požadavky na tyto základní materiály. V aktuální platné verzi IPC-4101D je přesně stanoveno, že u laminátů a prepregů je povolen obsah plnicí složky v hodnotě max. 5 %.

Standardní základní materiály FR-4-86-UV a NP-140 Nan Ya CCL z Tchaj-wanu neobsahují žádná plnidla, což je jedním z důvodů pro jejich dobrou opracovatelnost při vrtání a frézování. Jako u většiny # 21-základních materiálů, se používá pro vytvrzování dikyandiamid. Tyto pryskyřičné hmoty jsou charakteristické tažností, což opět pozitivně ovlivňuje mechanické opracování, avšak s C-N vazbou nemůže být dosaženo příliš vysoké termické stability. Přičemž teplota rozkladu se i při tomto pryskyřičném systému pohybuje kolem 310 °C.

V roce 2006 byla přijata směrnice RoHS 1 o nebezpečných látkách, se kterou byl spojen i zákaz používání olova při výrobě DPS s výjimkou několika oborů, které byly z tohoto zákazu vyňaty. RoHS 2 z roku 2013 upravovala omezení množství na 0,1 % olova. Začaly se tedy používat pájky bezolovnaté, které se vyznačují vyšší teplotou tavení, což následně podstatně zvyšuje tepelné zatížení základního materiálu při výrobě oboustranných či vícevrstvých DPS. Zpočátku bylo při přechodu na bezolovnatou pájku doporučováno používání materiálů s vyšší teplotou skelného přechodu, tzv. TG materiály s Tg 150 °C a 170 °C, nicméně jako tvrdidlo bylo používáno Dicy, což v důsledku znamenalo, že nebylo dosaženo žádné vyšší teplotní stability oproti klasickým materiálům s Tg kolem 135–140 °C. Většina z těchto základních materiálů již z trhu vymizela, požadavky na Tg 150 °C nebo 170 °C ale zůstaly nadále.

Tento graf z roku 2003 slouží jako vzor pro mnoho prezentací k tématu základních materiálů a ukazuje úbytek hmotnosti vzorku při termogravimetrickém měření. To se provádí v souladu s IPC-TM-650 2.4.24.6, kdy se vzorek materiálu zahřívá každou minutu o 10 °C. Dle definice je stanovena teplota rozkladu Td jako teplota rozkladu základního materiálu, při které je naměřen 5% úbytek hmotnosti. V grafu ukazuje křivka hodnotu rozkladu, která je pro tradiční FR4 320 °C. Tato hodnota je velmi vysoká, většina z oboustranných laminátů má Td 290 °C. Teplota rozkladu Td pouze určuje tepelný odpor základního materiálu. Při ztrátě hmotnosti i menší než jedno procento, je základní materiál natolik poškozen, že dochází k delaminaci. Zajímavá je tedy žlutá křivka a šrafovaná oblast, která ukazuje teplotu pájení.

Ještě nyní, 10 let po zavedení RoHS směrnice, je velké množství DPS a multilayerů vyráběno ze standardních základních materiálů, jako jsou NAN YA FR-86-UV nebo NP-140. Tyto materiály jsou bez problémů pájitelné bezolovnatou pájkou. Proč tedy přecházet na materiály s vyšším Tg? Je to zejména z důvodu absence plniv u standardních základních materiálů, kdy také díky nižší hodnotě Tg dochází k mnohem větší roztažnosti než u plněných materiálů se středním či vysokým Tg. Dalším faktorem může být požadavek střídání teplot a vysokých teplotních rozdílů v oblasti umístění osazené DPS.

Test změny teploty, TCT = thermal cycling test, zatěžuje měděná pouzdra prokovů tím více, čím je vyšší CTE materiálu. Následně dochází k trhlinám v pouzdrech.

I když byl test proveden do teploty 160 °C, tedy ležel přes Tg středních laminátů, došlo při odpovídajícím zatížení v reflow u NP 155F k selhání už před 1 000. cyklem. Při tomto teplotním rozsahu a počtu cyklů by měly být použity materiály s vysokým Tg, jež jsou určeny dle TMA, a měly by přesahovat horní hranicí teploty.

CAF znamená vodivé anodické vlákno, indukované ve stejnosměrném napětí vodivých halogenidových sloučenin mědi, které se tvoří podél skleněné tkaniny od anody. Riziko selhání na desce díky tomuto mechanismu roste během provozu ve vysoké vlhkosti, teplotě a napětí. Krátké vzdálenosti mezi anodou a katodou jsou rovněž kritické.

Pod tíhou těchto požadavků vystupují zcela zřetelně na povrch limity standardních základních materiálů. Naopak základní materiály s vyšším Tg zabraňují vzniku vnitřních mikroseparací mezi skleněným vláknem a pryskyřicí díky tepelnému rozkladu. Mimo to se vytvrzující systém fenol novolak, který je použit u materiálů NP-155F a NP-175F, vyznačuje nízkou absorpcí vlhkosti, která je jedním z rozhodujících faktorů při tvorbě CAF.

Stejně jako dříve mohou být pro rozličné aplikace použity klasické standardní základní materiály, nicméně u silnějších multilayerů nebo DPS se silnou vrstvou mědi je myšlenka použití plněných materiálů či materiálů s vyšším Tg zcela na místě. Při nárocích na DPS, jako je střídání teplot nebo splnění CAF testu, je nevyhnutelné použít výše zmiňované materiály.