В статье представлены результаты испытаний различных материалов и рекомендации для высокотемпературного использования материалов при производстве гибких печатных плат (ГПП).
Введение
Во многих сферах применения электронных изделий требуются ГПП, которые поддерживают работоспособность при высокой температуре окружающей среды. Например, автомобильная отрасль, нефтяная и газовая, аэрокосмическая. В то же время существует ограниченное количество методов тестирования, позволяющих определить работоспособность гибких материалов при высокой температуре.
Повреждения, вызванные высокотемпературным окружением, подразделяют на три категории: потеря адгезии между медью и диэлектриком, потеря адгезии между диэлектрическими слоями и хрупкость слоев диэлектрика. При высоких температурах медь также становится ломкой, но в большинстве случаев диэлектрик ГПП разрушается первым. Термореактивные адгезивы кажутся более чувствительными к разрушению, особенно по сравнению с полиимидными пленками, которые гораздо более стойки к высоким температурам.
Методика UL предусматривает две различные температурные оценки. Относительный температурный показатель (RTI) основан на тепловом старении базовых диэлектриков. Для гибких материалов это в основном полиимидные пленки. Показатель RTI характеризуется потерей растяжимости (механическое свойство) при продолжительном тепловом
старении. При определении RTI выявляется только ухудшение свойств пленки-основы. Тестируемые образцы не фольгированы (без меди), поэтому при тепловом старении не рассматривается потеря адгезии меди. Таким образом, показатель RTI сам по себе не является хорошим инструментом для определения возможностей фольгированного диэлектрика.
Оценка UL максимума рабочей температуры (МОТ) предназначена для фольгированных диэлектриков и преимущественно связана с потерей адгезии меди к адгезивному слою. В оценке МОТ используется ускоренное тепловое старение, и она применяется в основном для фольгированных медью диэлектриков. Величина МОТ не может быть выше наименьшего механического или электрического показателя RTI.
Метод контроля IPC разработан для измерения рабочей температуры (IPC-TM‑650 2.6.21B) и специально создан для гибких фольгированных медью
диэлектриков. Позднее он был усовершенствован для определения рабочих температур покрывных и скрепляющих пленок. Измеряются потери адгезии меди и прочности диэлектрика при высокотемпературном старении, но без использования ускоренного старения; фиксируются потери свойств после 1000 ч старения при заданной температуре. Метод испытания еще новый, и на сегодня о нем нет достаточного количества данных.
Результаты испытаний фольгированных гибких материалов
Были проведены испытания гибких фольгированных медью материалов по методу IPC-контроля рабочей температуры, а после испытания при различных температурах определен примерный уровень рабочей температуры для большинства фольгированных материалов. Измерялась прочность на отрыв после 1000 ч старения. Если финальная прочность на отрыв превышала 50% от первоначальной величины, то затем материал оценивался при заданной температуре. В таблице 1 показан процент падения прочности на отрыв после 1000 ч у многих фольгированных материалов, также температура старения. Буквами A, L, T и F обозначены коммерческие материалы, А, X и D — экспериментальные полиимидные
пленки, фольгированные медью.
Три чисто полиимидные пленки (А, X и D) продемонстрировали очень высокую рабочую температуру — на всех этих пленках медная фольга была
накатана прямо на полиимид, без термореактивного адгезива в таком конструктиве. Все образцы с использованием адгезивов для скрепления медной фольги с полиимидной подложкой имели низкие характеристики (L, T и F). На основе проведенных испытаний показана оценка рабочей температуры, ориентировочно найденная для данных материалов (табл. 2).
Материал L имеет более высокие значения, чем предсказывалось, но эта величина совпадает с опытной в гибких применениях. Материал А явно обладает более высокой рабочей температурой, чем предполагалась по методике UL. В таблице видно, что показатель RTI не очень хороший метод определения рабочей температуры, которая в основном определяется прочностью на отрыв, показатель RTI оценивался на образцах без медной фольги.
В ходе испытания гибких фольгированных материалов при +250 °C в воздушной печи для определения рабочей температуры по IPC медная фольга становилась столь непрочной, что усилие на отрыв не могло быть измерено. Поэтому реальная рабочая температура материалов А, X и D могла быть +250 °C, однако из-за окисления меди не удалось измерить
прочность на отрыв. Ускоренное испытание по покрытию меди в технологии ENIG осталось нереализованным из-за очень непрочной меди при никелировании. Для измерения рабочей температуры теплостойких гибких фольгированных материалов свыше +225 °C потребуется разработка новой методики.
Результаты испытаний гибких покрывных и скрепляющих материалов
Методика UL не применяет оценку МОТ для гибких покрывных и скрепляющих материалов, однако в отдельных случаях можно оценить комбинированные пакеты (например, фольгированный материал и покровная пленка). Метод испытаний на определение рабочей температуры по IPC был преобразован для покрывных и скрепляющих материалов, которые наносились на медь для создания пакета, а затем испытывались, как если бы были фольгированными. Проведенные испытания показали широкий разброс в оценке рабочей температуры для покрывных и скрепляющих материалов, что дает основание предположить, что метод испытаний имеет много проблем с воспроизводимостью. Тестирование показало, что рабочая температура для покрывных материалов гораздо ниже реально установленной в натурных испытаниях. Это привело к предположению, что существующий метод не дает достоверной информации для покрывных и скрепляющих материалов.
Некоторые проблемы вызваны микротравлением медной фольги, которая соединяется прессованием с покрывным и скрепляющим материалом. Очевидно, что это непросто воспроизвести. Другая проблема — покрывной образец, состаренный в печи, который, в сущности, всего лишь покрывной материал с медной фольгой с одной стороны. Предшествовавшие испытания показали, что потеря адгезии между медной фольгой и диэлектриком зависит от присутствия кислорода. Многослойность меди, скрепляющего и покрывного материала снизит количество присутствующего кислорода у поверхности меди и продлит срок службы гибкой платы при высоких температурах.
Был разработан метод измерения рабочей температуры для покрывных материалов, устраняющий все возможные проблемы. Этот метод использует простую гибкую плату с покрывной пленкой, нанесенной на проводящий рисунок платы, разработанной для испытаний на изгиб. Тепловое старение этих плат должно демонстрировать снижение характеристик при сгибе, если имеется любой из трех механизмов отказа: потеря адгезии медью, потеря адгезии между диэлектриками (покрывным
и скрепляющим материалом) или увеличение хрупкости диэлектрика (особенно покрывного материала). Число перегибов испытуемой платы будет снижаться при любом из вышеприведенных факторов.
В таблице 3 представлены данные по характеристике изгиба после старения при +180 °C. Фольгированная медью подложка, использованная в испытаниях, была полностью фольгирована полиимидом. Данные таблицы относятся к покрывному материалу.
Приведенные проценты основаны на соотношении перегибов после 1000 ч теплового старения к числу перегибов без старения. В этой оценке покрывной материал одобрялся, если число перегибов после теплового старения было по крайней мере равным 50% перегибов без старения.
Результаты показывают, что некоторые покрывные материалы действительно обладают высокотемпературными характеристиками. Покрывной материал L выделяется стойкостью в температурном диапазоне
+150…+180 °C в зависимости от конструктива платы и окружающей среды. Методика, основанная на изгибе при высокой температуре, дает гораздо более реальное значение для материала L, чем официальный метод контроля рабочей температуры по IPC для покрывных материалов.
Для покрывного материала J наблюдаемое падение значения в основном обусловлено ломкостью, снижающей характеристики при изгибе. Это подтверждает, что ломкость — одна из причин высокотемпературного старения, а новый метод может зафиксировать потерю характеристик при таком отказе. Та же причина, вероятно, характерна и для материала L, однако об этом сложно судить, поскольку акриловый адгезив покрыт полиимидной пленкой.
Полностью полиимидная покрывная пленка варианта Х демонстрирует очень хорошие характеристики, особенно для полиимидной гибкой платы, состоящей из фольгированного полиимида и покрывной пленки. Пока будет достигаться хорошая адгезия между полиимидом и медной фольгой, все полиимидные гибкие платы должны иметь наилучшие высокотемпературные характеристики.
Были разработаны чисто полиимидные покрывные и скрепляющие материалы для использования с полностью полиимидными фольгированными медью диэлектриками, основанными на пленках Х. Новый покрывной полиимидный материал потребует припрессовки при температуре около +290…+300 °C, которая ограничивает использование этих материалов некоторыми производителями ПП. Тем не менее ясно, что это наилучший продукт для гибких плат, выдерживающих высокие температуры.
Данный метод определения рабочей температуры покрывных материалов будет совершенствоваться.
Заключение
Существующий метод контроля рабочей температуры IPC, по-видимому, хорошо работает для контроля фольгированных медью диэлектриков, однако он неэффективен для скрепляющих, особенно покрывных материалов. Представлен метод контроля для покрывного материала, основанный на контроле изгибов. Общие результаты ясно показывают,
что все фольгированные полиимиды, скрепляющие и покрывные материалы будут демонстрировать наилучшие высокотемпературные
характеристики.
Сидни Кокс (Sidney Cox)
Перевод: Антон Волынин
Статья опубликована в журнале Технологии в электронной промышленности, № 4’2022
