Новости PCB - Анализ долговременной надежности материалов и плат высокочастотных схем

С увеличением сложности и плотности сборки становится все труднее оценить надежность ВЧ-схем и СВЧ-схем в долгосрочной перспективе. Печатные платы содержат множество активных и пассивных компонентов, характеристики которых меняются с течением времени и при различных рабочих температурах. Кроме того, материалы подложки платы, такие как диэлектрики, проводники из медной фольги, припой и конечное покрытие, также меняются со временем, и на это влияют условия эксплуатации. При более высоких частотах со временем могут происходить изменения электрических характеристик, такие как снижение мощности и КПД. Этот эффект может проявляться независимо от того, является ли он кратковременным или долгосрочным. Долговременные изменения характеристик материалов схем и плат вызваны термическими воздействиями, такими как работа в условиях высокой температуры.

Кратковременное воздействие высоких температур, таких как высокие температуры при пайке оплавлением при сборке печатных плат, как правило, не влияет на электрические характеристики материалов схем или печатных плат. Однако, если температура превышает относительный тепловой индекс (RTI) материала печатной платы или максимальную рабочую температуру (MOT) печатной платы, это влияет на электрические характеристики. Если температура будет выше температуры растрескивания (Td) материала схемы, даже если это продлится всего несколько минут, это приведет к изменению электрических характеристик. RTI - это параметр материала цепи, основанный на измерениях температуры, который указывает максимальную температуру, которой может подвергаться материал цепи без ухудшения одной или нескольких его критических характеристик. MOT - это параметр уровня схемы, сертифицированный UL (Underwriters Laboratories) в США, который применяется ко всей печатной плате, включая слои диэлектрика и проводника. Эти два параметра схожи и используются для обозначения максимальной температуры, но RTI относится к максимальной температуре материала печатной платы, такого как сам ламинат, в то время как MOT относится к максимальной рабочей температуре всей печатной платы в процессе изготовления и материала печатной платы, из которого изготовлена печатная плата. MOT схемы не превышает RTI ее подложки, поскольку UL не выдает MOTs для схем, которые имеют значение, превышающее RTI их материала.

Материалы для высокочастотных печатных плат состоят из диэлектрических материалов и медной фольги в качестве проводников на основе термопластичных или термореактивных материалов. Термопластичные материалы обычно мягкие или гибкие, в то время как термореактивные материалы более твердые и жесткие. Термопластичные материалы можно нагревать до температуры плавления или оплавления, но термореактивные материалы нельзя нагревать до температуры оплавления. При достаточно высоких температурах термореактивные материалы разлагаются.

Термопластичные материалы, используемые в печатных платах ВЧ/СВЧ/миллиметрового диапазона, как правило, основаны на политетрафторэтилене (PTFE). Многие печатные платы ВЧ/СВЧ/ миллиметрового диапазона используют ПТФЭ в той или иной форме, хотя в качестве подложек для высокочастотных схем можно использовать и другие материалы отдельно или в сочетании с ПТФЭ. Термореактивные материалы для печатных плат ВЧ/СВЧ/миллиметрового диапазона, как правило, изготавливаются на основе углеводородных смол или полимеризованных полифениленовых эфиров (PPE или PPO), которые обеспечивают хорошую стабильность размеров и экономичность.

Термопластичные материалы для микросхем на основе ПТФЭ хорошо известны своей стабильностью и малыми изменениями электрических характеристик в течение длительного времени и при высоких температурах. Напротив, электрические характеристики схем, изготовленных из термореактивных материалов на основе углеводородов или СИЗ, будут изменяться с течением времени и при изменении температуры, и величина таких изменений будет зависеть от состава конкретного материала схемы.

Для микросхем из почти чистого ПТФЭ, таких как платы Rogers RT/durroid 5880, электрические характеристики очень стабильны в течение длительного времени использования и при высоких температурах (выше комнатной или 25°C). Для материалов, в которых ПТФЭ комбинируется с другими материалами для регулировки диэлектрической проницаемости (Dk) или для обеспечения требуемых характеристик для конкретной схемы (например, в миллиметровом диапазоне волн), характеристики меняются со временем и температурой в зависимости от других материалов. Например, материал Rogers RO3003 - это материал для микросхем на основе полимерной системы PTFE с керамическими наполнителями и другими добавками, используемый в автомобильных радарах и микросхемах миллиметрового диапазона волн. Как показано на рисунке 1, он обладает иными характеристиками старения, чем материалы на основе почти чистого PTFE.

Рисунок 1: Долговременное старение диэлектриков платы RT/durroid 5880 и платы RO3003

Как показано на рис. 1, характеристики термического старения обоих материалов демонстрируют относительно небольшие изменения: изменение Dk или относительной диэлектрической проницаемости (εr) составляет менее 1%. Первоначально оба материала демонстрируют снижение Dk, что связано с высыханием материала при 150°C. Материал также характеризуется снижением Dk, что связано с высыханием материала при 150°C. Хотя оба материала обладают низкой гигроскопичностью, на микроскопическом уровне они содержат некоторое количество влаги до проведения испытаний. Когда влага удаляется из материала при высоких температурах, Dk уменьшается. Состав PTFE для печатных плат RO3003 более сложный, чем у материалов RT/durroid 5880, и по-разному реагирует на высокие температуры и сушку. Однако при длительном старении при температуре 150°C изменение Dk менее чем на 1% считается очень устойчивым для обоих материалов.

По сравнению с термопластичными материалами, термореактивные материалы демонстрируют несколько большее изменение Dk при длительном воздействии высоких температур. Однако величина изменения Dk тесно связана с составом термореактивного материала, и причины изменения Dk у термореактивных материалов совершенно иные, чем у термопластов.

Естественной реакцией термореактивных материалов в условиях высоких температур является окисление. Окисление протекает медленно при комнатной температуре, но ускоряется при более высоких температурах. Окисление термореактивных подложек ограничено глубиной проникновения окислителя в материал, и реакция на поверхности материала меняется по мере того, как на поверхности накапливается больше оксида, пока процесс окисления не прекратится. Для термореактивных материалов скорость окисления и глубина проникновения оксида в материал будут зависеть от рецептуры материала. Например, существует много типов антиоксидантов (АО), которые могут быть включены в рецептуру для замедления процесса окисления, и в зависимости от рецептуры материала некоторые антиоксиданты более эффективны, чем другие.

На рисунке 2 сравниваются две печатные платы из термореактивного углеводорода, одна из которых обладает более низкими свойствами к окислению, а другая содержит больше антиоксидантных компонентов АО, что позволяет свести к минимуму эффекты окисления и обеспечить устойчивость к длительному старению. Преимущество добавления АО проявляется в стабильности Dk с течением времени. Данные на рисунке 2 показывают изменение Dk с течением времени в условиях высоких температур, измеренное методом испытания стационарного ленточного резонатора X-диапазона. Исследуемый материал подвергался полному воздействию окружающей среды, и приведенные данные экстраполированы на более длительный период времени с использованием уравнения Аррениуса.Этот метод ускоренного старения позволяет экстраполировать долгосрочные эффекты термического старения без необходимости проведения длительных испытаний. Данные испытаний позволяют сравнить печатную плату, изготовленную из углеводородов, с материалом Rogers RO4835, который обладает длительной устойчивостью к старению. Материал RO4835 унаследовал характеристики печатной платы RO4350B и обладает идентичными электрическими характеристиками. В качестве ссылки на временную шкалу на рис. 2, 1,0Е+05 часов эквивалентны 11,4 годам.

Рисунок 2: Сравнение длительного старения термореактивных углеводородных материалов контура при 25℃

Тест Dk при испытании на старение основан на методе испытания ленточного резонатора с фиксированным диапазоном X-диапазона, описанном в IPC-TM-650 2.5.5.5c, для оценки изменения Dk материала.Частота тестирования составляет 10 ГГц, и образцы полностью вытравливаются из медной фольги, оставляя только диэлектрический материал. При оценке старения материала схемы в circuit form эффект старения отличается, поскольку слой меди защищает диэлектрический материал от окисления. Степень защиты зависит от различных конструкций, показанных на рисунке 3.

▲Рис. 3: Простой вид сбоку, показывающий различные радиочастотные структуры и то, как окисление (желтый цвет) проникает в термореактивный диэлектрический материал.

Изображение на рис. 3 дает приблизительное представление о том, как окисление может проявляться на диэлектрических материалах.Окисление образуется на открытой поверхности подложки, а часть его даже достигает нижней стороны покрытого медью проводника. Другими словами, большая часть окисления происходит на поверхности материала, и по мере увеличения градиента окисления небольшое количество окисления уходит ниже поверхности, но это подповерхностное окисление постепенно уменьшается.

В случае окисления значения Dk и Df материала схемы будут увеличиваться.Степень, в которой окисление влияет на электрические характеристики материала схемы в радиочастотном/микроволновом/миллиметровом диапазоне, определяется несколькими факторами. Чем тоньше диэлектрическая цепь, тем сильнее она будет подвержена воздействию, поскольку окислению будет подвергаться больший процент всего диэлектрического материала.

В зависимости от электромагнитного (ЭМ) поля в цепи эффект окисления будет различным для различных структур цепей радиочастотного/микроволнового/миллиметрового диапазона волн. Например, для микрополосковой линии, где большая часть электромагнитного поля расположена между нижней частью сигнального проводника и верхней частью слоя заземления, и где слева и справа от сигнального проводника имеются сильные краевые поля, сигнал изменится из-за достаточного окисления.Несмотря на то, что окисление может не оказывать существенного влияния на микрополосковую линию, последствия окисления могут быть обнаружены на высоких частотах миллиметровых волн.Для более толстых микрополосковых линейных цепей этот эффект меньше, чем для более тонких микрополосковых линейных цепей.

Как видно из расположения сигнальных проводов, структура полосовой линии, как правило, не подвержена окислению (рис. 3). Однако для схем с микрополосковой линейной связью по краям, где поле связи расположено на поверхности печатной платы и приблизительно находится под оксидным слоем и пересекает его, окисление снижает характеристики ВЧ/СВЧ/миллиметровых волн. Влияние окисления на заземленные компланарные волноводные цепи (GCPW) на тонких подложках также может быть существенным на миллиметровых частотах.

Характеристики диэлектрика раскрыты

В процессе старения материала и проводимых испытаний характеристики диэлектрического материала определяются методом испытаний с использованием фиксированного ленточного резонатора X-диапазона. Поскольку диэлектрический материал в процессе старения полностью подвергается воздействию окружающей среды, все поверхности диэлектрического материала окисляются, как показано на рисунке 3. Другими словами, все восемь поверхностей диэлектрика окисляются, когда материал помещают в стационарный ленточный резонатор с образованием ленточного резонатора. В зависимости от материала, подлежащего испытанию, количество материала, помещаемого в приспособление, варьируется, и степень окисления также варьируется. Однако степень окисления материала при этом методе измерения намного выше, чем при тестировании на основе схемы.

Для предотвращения окисления печатная плата RO4835 изготовлена с использованием оптимального сочетания присадок AO. В дополнение к этому, в печатной плате RO4835 используется тот же состав, что и в обычном печатном материале RO4350B, который является надежной основой для мощных ВЧ/СВЧ-схем. Благодаря оптимальному сочетанию присадок AO, плитам RO4835 требуется в 10 раз больше времени, чем плитам RO4350B, для достижения того же уровня окисления.

На самом деле, помимо того, что платы RO4350B отличаются высокой степенью окисления, они обладают хорошей устойчивостью к длительному старению в системах с высокой мощностью. Как правило, проблемы с длительным старением плат RO4350B связаны со схемами, которые обладают характеристиками связи, такими как направленные ответвители. Чтобы лучше понять роль характеристик схемы в долговременном старении материалов схемы, было проведено сравнение материала с характеристиками схемы и того же диэлектрического материала, обработанного с использованием тех же трубопроводов, но без меди (где медь полностью корродирована и не имеет характеристик схемы).

Для сравнения были использованы различные конфигурации печатных плат Rogers RO4350B и RO4350B LoPro. Эти схемы включали в себя микрополосковые линейные схемы 50 Ом, полосовые фильтры с граничной связью микрополосковых линий и фильтры нижних частот со ступенчатым сопротивлением микрополосковой линии. Платы RO4350B LoPro идентичны платам RO4350B компании, за исключением того, что в них используется более гладкая низкопрофильная медная фольга для уменьшения вносимых потерь на частотах ВЧ/СВЧ/миллиметровых волн.

Рисунок 4: Сравнение голого диэлектрического материала (полностью проржавевшего) с микрополосковой схемой 50 Ом на 20-миллиметровой печатной плате RO4350B (Std) и 20-миллиметровой печатной плате RO4350B LoPro (LoPro).

На рисунке 4 сравниваются множественные последствия длительного старения для двух материалов для схем: RO4350B и RO4350B LoPro. Наибольшее изменение Dk с течением времени наблюдается в образце материала, который полностью вытравлен с медной фольги (помечен как полностью вытравленный), т.е. в голом диэлектрическом материале. Чистый материал, на котором не было никакой схемы, был исследован в стационарном ленточном резонаторе X-диапазона при температуре +50°C. Резонатор X-диапазона был протестирован с использованием микрополосковой линии 50 Ом, а резонатор X-диапазона был протестирован с использованием микрополосковой линии 50 Ом. Для схемы, протестированной с использованием микрополосковой линии 50 Ом, изменение Dk, проявляемое схемой при различных температурных условиях, было значительно меньшим.

Было обнаружено, что образцы, подвергнутые длительному старению с использованием линии электропередачи при высоких температурах, требуют гораздо более длительного периода времени (от 10 до 100 раз) для достижения того же уровня окисления, что и образцы с полностью вытравленной медной фольгой. На рисунке 4 также показано окисление и изменение Dk для образцов при различных температурах. Если испытательные контуры изготовлены из одного и того же материала, но разной толщины, то эффекты окисления могут быть разными.

Эффекты старения были изучены с использованием фильтра нижних частот со ступенчатым импедансом, аналогичного тому, который используется для образцов линейных схем передачи. Образцы полосовых фильтров с микрополосковой связью по краям в большей степени подвержены окислению. Тем не менее, для достижения того же уровня окисления, что и в образце с голым диэлектриком, с полностью вытравленной медной фольгой, требуется в 3-5 раз больше времени. Цепи с плотной связью подвержены окислению в большей степени, чем цепи со слабой связью. Кроме того, продолжительность окисления варьируется в зависимости от температуры испытания, и разница в Dk материала контура, вызванная окислением, является наибольшей при самых высоких температурных режимах.

Паяльная маска, париленовое покрытие и влагонепроницаемая изоляция могут уменьшить последствия термореактивного окисления при нанесении на электрические цепи.Паяльная маска значительно уменьшает последствия старения, но, как правило, также снижает радиочастотные характеристики.Париленовые покрытия также помогают свести к минимуму последствия окисления при длительном старении, если их наносить толщиной 25 мкм и более.HumiSeal также помогает свести к минимуму последствия окисления, и, хотя существует много типов покрытий, некоторые из них более эффективны в снижении последствий старения.

Материалы микросхем подвергаются воздействию высоких температур в течение короткого периода времени во время обработки и в течение длительного периода времени во время использования. Часто считается, что воздействие длительных высоких температур приводит к накоплению окисления на термореактивном диэлектрическом материале печатной платы, что может привести к изменению Dk материала схемы. Определение чувствительности материала схемы к воздействию длительного старения требует точных и тщательных испытаний, поскольку различные методы и технологии измерений дают очень разные результаты при характеристике материалов высокочастотных схем. Правильный выбор метода тестирования, будь то на основе материалов или схем, позволит получить надежные данные при моделировании Dk и схем.