Výběr základního materiálu pro výrobu desek plošných spojů

V minulém článku [1] jsme se zabývali kvalitou povrchové úpravy na deskách plošných spojů (DPS) a jejím vlivem na pájení. Nyní se zaměříme na základní materiál DPS a jeho výběr z pohledu technologie pájení.

Nástupem bezolovnaté technologie došlo nejen ke změně typů pájecích slitin, ale současně byly vyvinuty základní materiály, které svými vlastnostmi lépe odolávají vyššímu teplotnímu zatížení i několika teplotním cyklům během montáže a více se přizpůsobují finálním aplikacím (mobilní aplikace, automobilový průmysl, letectví, lékařství, LED aplikace).

Nevhodně zvolený základní materiál pak může mít vliv na následné zpracování DPS při montáži. Důsledkem jsou vady, které se projeví až při procesu pájení.

Nejčastěji se jedná o kroucení a prohnutí DPS v reflow peci nebo při pájení na vlně, delaminace vnitřních vrstev, praskání prokovených otvorů.

Konstruktér by měl přesně specifikovat základní materiál s ohledem na skladbu a součástky použité na DPS.

Obr. 1 Detail delaminace na rozhraní vnitřních vrstev

Obr. 2 Detail delaminace, zvětšeno 800×

Při výběru laminátu je tedy třeba vzít v úvahu několik faktorů. V minulosti byl uvažován pouze stupeň vytvrzení laminátu pomocí měření skelného přechodu Tg (Glass Transition Temperature).

Jde o teplotu, při které substrát DPS přechází ze skelného tuhého stavu do změkčeného, deformovatelného stavu a vyjadřuje se v jednotkách stupňů Celsia (ºC).

Pro technologii pájení s olovem byl na výrobu DPS nejvíce používán základní materiál FR4 s Tg 135 °C.

Pro technologii bezolovnatého pájení byly navrženy epoxidové systémy s Tg 150 °C a Tg 175 °C označované výrobci plošných spojů High Tg FR4.

Bohužel při zadávání DPS do výroby bývá často v kolonce materiál uvedeno pouze označení FR4.

U vyrobených DPS je tak dost často použit od výrobce základní materiál FR4 s Tg 135 °C.

V současné době tento parametr při výběru již nestačí. Důvodem jsou některé základní materiály s vysokým Tg, které měly více rozměrových změn v ose Z než základní materiály s nízkým Tg.

Dilatace v ose Z je součtem dvou dilatací (pod a nad hodnotou Tg).

Dále je třeba zvážit koeficient tepelné roztažnosti (CTE) zvoleného laminátu nad a pod hodnotou Tg vyjádřeného jako ppm změna na stupeň °C. Čím je nižší, tím lepší.

Dodavatelé laminátů proto přidali do pryskyřičné matrice plniva, aby snížili CTE v ose Z. Tímto způsobem dochází ke snížení celkového pohybu v ose Z při procesu montáže.

Kde a jak se laminát roztahuje, ovlivňuje provoz desky s plošnými spoji různými způsoby.

Pokud jsou některé osazené součástky citlivé na roztažení DPS, jako například pouzdra větších křemíkových čipů (LBGA), může dojít k jejich poškození.

Při výběru laminátu lze vzít v úvahu ještě jeden důležitý parametr, a to Td (Decomposition Temperature). Jedná se o teplotu, při které se materiál DPS chemicky rozkládá (materiál ztratí nejméně 5 % hmotnosti). Stanovuje se podle metody IPC-TM-650 2.4.24.6.

Stejně jako parametr Tg je Td vyjádřen v jednotkách stupňů Celsia. Tento parametr určuje tepelnou odolnost materiálu.

Čím bude jeho hodnota vyšší, tím lépe. Je důležité si uvědomit, že parametr určuje strop, do jaké míry můžeme materiál teplotně zatížit.

Když dosáhneme uvedené teploty nebo ji překročíme, jsou změny vlastností materiálu nevratné. Na rozdíl od Tg, kde se vlastnosti vrátí do původního stavu, když se materiál ochladí pod stanovený rozsah.

Vybírejte takový základní materiál, kde můžete pracovat v teplotním rozsahu, který je vyšší než Tg, ale výrazně nižší než Td.

Bezolovnaté pájky (Sn95,5 Ag3Cu0,5) mají bod tavení mezi 217–220 °C. Při pájení v reflow peci se teplota pohybuje mezi 245–250 °C, takže Td by mělo být vyšší než tato teplota.

V tabulce na obr. 3 je přehled všech hodnot pro různé lamináty.

Obr. 3 Přehled hodnot pro různé lamináty