Свойства печатных плат

Когда говорят о свойствах печатных плат, многие сразу думают о базовых параметрах вроде количества слоёв, толщины меди или Tg материала. Но на практике, особенно при переходе на серийное производство, понимаешь, что ключевые, по-настоящему влияющие на надёжность и стоимость свойства печатных плат часто лежат в менее очевидных деталях. Вот, например, часто упускают из виду зависимость электрических характеристик от способа финишной обработки поверхности — HASL, иммерсионное золочение, OSP. Казалось бы, это просто покрытие, но оно напрямую влияет на паяемость, долговременную стойкость к окислению и даже на потери в высокочастотных трактах. У нас был случай на одном проекте с датчиками — перешли с HASL на иммерсионное олово из-за требований к плоской поверхности для компонентов с мелким шагом, и неожиданно получили проблемы с ?усами олова? (tin whiskers) при длительных термоциклах. Пришлось возвращаться, менять поставщика химии и ужесточать контроль процесса. Это типичная история, когда одно свойство печатных плат тянет за собой целую цепочку технологических компромиссов.

Материал — это не только диэлектрическая проницаемость

Все в курсе про FR-4, но когда речь заходит о высоких частотах или жёстких тепловых нагрузках, выбор материала превращается в головоломку. Берёшь каталог Isola, Rogers, Taconic — и каждый материал имеет десятки свойств печатных плат: не только εr и tgδ, но и CTE в разных осях, стабильность диэлектрической проницаемости от температуры, влагопоглощение, теплопроводность. Мы как-то делали плату для силовой электроники, где ключевым был отвод тепла. Стандартный FR-4 не подходил из-за низкой теплопроводности. Смотрели на керамические подложки, но цена и хрупкость при монтаже были неприемлемы. В итоге остановились на материале с металлическим сердечником (IMS), но тут же столкнулись с проблемами при сверлении и фрезеровке — инструмент изнашивался в разы быстрее. Пришлось договариваться с производителем, чтобы они подбирали специальные режимы обработки. Это к вопросу о том, что выбор материала — это всегда компромисс между электрикой, механикой и экономикой.

Ещё один нюанс — предварительная термообработка (baking) материала перед раскроем. Особенно критично для многослойных плат с высокой Tg или бессвинцовых процессов. Если пропустить этот шаг, влага, оставшаяся в препреге, при пайке превратится в пар и может вызвать расслоение или вздутие. Проверяли на собственном горьком опыте с небольшой партией 8-слойных плат. Визуально после пайки всё было хорошо, но при термоциклировании на испытаниях пошли трещины в межслойных переходах. Анализ показал именно повышенное влагосодержание. Теперь для ответственных заказов всегда запрашиваем у поставщика сертификаты с данными о влажности и настаиваем на предварительной просушке.

И конечно, нельзя забывать про совместимость материалов в одном стеке. Когда собираешь ?сэндвич? из разных препрегов и сердечников, их коэффициенты термического расширения должны быть хотя бы близки. Иначе после многократных циклов нагрева-охлаждения возникают механические напряжения, которые ведут к растрескиванию переходных отверстий. Особенно это актуально для плат со смешанными технологиями — например, когда в одной сборке есть участки для цифровых и мощных RF-компонентов. Тут без тщательного моделирования и консультаций с технологами завода-изготовителя не обойтись.

Толщина меди и геометрия проводников

В спецификациях часто пишут ?1 унция меди?. Но это лишь номинальная толщина на внешних слоях. Реальная толщина после всех процессов травления и гальванического наращивания — совсем другая история. Для силовых цепей, где важен токопроводящий слой, это критично. Мы работали над блоком питания, где по расчётам требовалась медь толщиной 2 унции. Заказали у одного подрядчика, получили платы — вроде бы всё нормально. Но при нагрузке в продолжительном режиме начался перегрев. Замеры показали, что реальное сечение проводников из-за подтравливания боковых стенок оказалось на 15-20% меньше расчётного. Пришлось пересматривать топологию, расширять дорожки и отдельно оговаривать с заводом технологию контроля бокового подтравливания (etch factor).

Ещё один момент — обработка кромок проводников (edge definition). Для высокочастотных линий передачи форма края влияет на волновое сопротивление. Идеально прямоугольный профиль получить почти невозможно, обычно получается трапеция. И если этот угол наклона стенки неконтролируем и меняется от партии к партии, то разброс импеданса может быть значительным. Однажды столкнулись с этим при настройке антенного тракта на 5.8 ГГц — платы из двух разных производственных партий давали разную диаграмму направленности. Вскрытие показало разную геометрию дорожек под микроскопом. С тех пор для RF-проектов всегда включаем в ТЗ требование по контролю cross-section и допуску на форму трапеции.

И конечно, качество базовой медной фольги. Есть электроосаждённая (ED) и прокатная (RA) медь. У RA-меди более гладкая поверхность и лучшая устойчивость к изгибу, что важно для гибких плат. Но для высокочастотных применений иногда важнее шероховатость, так как на высоких частотах ток течёт в основном по поверхности проводника (скин-эффект). Чем больше шероховатость, тем выше потери. Поэтому для микроволновых плат часто используют специальные сорта фольги с низкопрофильной поверхностью (low-profile или very-low-profile). Но и стоят они, естественно, дороже. Выбор всегда зависит от приложения.

Качество переходных отверстий (vias)

Это, пожалуй, одна из самых частых точек отказа. Казалось бы, просто металлизированная дырка. Но её надёжность зависит от десятка факторов: качество сверления (заусенцы, смоление), подготовка отверстия перед химическим осаждением меди (desmear), равномерность осаждения без пустот (voids), толщина гальванической меди в отверстии. Особенно критичны переходные отверстия в платах для automotive или промышленной электроники, где требуется стойкость к термоциклированию.

Был у нас печальный опыт с партией контроллеров для наружного освещения. Платы работали полгода, а потом начались сбои. После анализа обнаружились трещины в барьерном слое меди в переходных отверстиях, особенно расположенных рядом с крупными компонентами, которые сильно нагревались. Причина — недостаточная толщина меди в отверстии (менее 25 микрон) в сочетании с большим перепадом CTE между материалом платы и медным покрытием. Завод-изготовитель сэкономил на времени гальванизации. После этого случая мы для всех ответственных применений стали явно указывать в спецификации минимальную толщину меди в отверстии (обычно 25-30 мкм) и требовать предоставления cross-section образцов для проверки.

Отдельная тема — заполнение отверстий. Заполнение полимерной пастой или смолой решает несколько проблем: предотвращает застревание флюса и влаги в отверстии, улучшает плоскостность для поверхностного монтажа, иногда помогает в отводе тепла. Но и у этой технологии есть подводные камни. Если паста усаживается при отверждении, может образоваться впадина на поверхности, что создаст проблемы для пайки компонентов сверху. Или если паста содержит пузырьки воздуха, это ухудшит теплопроводность. Мы используем заполненные отверстия преимущественно под BGA-компонентами, но всегда заказываем пробную партию и проверяем срез под микроскопом.

Финишная обработка поверхности (surface finish)

Выбор финишного покрытия — это всегда баланс между стоимостью, сроком хранения, паяемостью и пригодностью для тонких шагов. Старое доброе HASL (лужение погружением) дёшево и обеспечивает хорошую паяемость, но даёт плохую плоскостность, что неприемлемо для компонентов с шагом менее 0.5 мм. К тому же это термический удар для всей платы.

Иммерсионное олово (Immersion Tin) даёт отличную плоскостность, но подвержено образованию ?усов? и имеет ограниченный срок хранения. Иммерсионное серебро (Immersion Silver) имеет хорошую паяемость и электропроводность, но склонно к потускнению под воздействием серы в атмосфере. ENIG (иммерсионное золочение поверх барьерного слоя никеля) — пожалуй, самый популярный вариант для сложных проектов. Золото защищает никель от окисления, никель является барьером для диффузии меди в припой. Но и здесь есть ?чёрная подкладка? (black pad) — хрупкий фосфид никеля, образующийся при неправильном процессе, который приводит к плохой адгезии и обрывам паяных соединений. С этим сталкивались лично, когда получили партию плат с BGA от нового поставщика. После монтажа некоторые шары отваливались. Анализ показал как раз ?black pad?. Пришлось менять поставщика химического процесса.

В последнее время для бессвинцовых высокотемпературных процессов набирает популярность иммерсионное олово с органическим покрытием (OSP). Оно очень дёшево и экологично, но недолговечно (срок хранения до монтажа всего несколько месяцев) и не подходит для контактов, которые будут подвергаться многократному подключению/отключению. Выбор всегда зависит от жизненного цикла изделия и условий эксплуатации.

Контроль и взаимодействие с производителем

Все перечисленные свойства печатных плат в конечном счёте зависят не только от твоей грамотной спецификации, но и от возможностей и добросовестности завода-изготовителя. Можно идеально рассчитать всё в CAD, но если на производстве сэкономят на контроле влажности материала или не выдержат время в гальванической ванне — результат будет плачевным. Поэтому так важно выбирать не просто ?поставщика?, а технологического партнёра.

Здесь, кстати, стоит упомянуть опыт сотрудничества с группой компаний ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии' (информация о компании доступна на https://www.apexpcb-cn.ru). Основанная в 2018 году, эта компания быстро выросла в мощную группу, занимающуюся инновациями и интеграцией технологий электронных схем. Что для нас было ценно — это их комплексный подход. Они контролируют или участвуют в долях нескольких предприятий по цепочке создания стоимости, что позволяет им обеспечивать синергию и лучше контролировать качество на разных этапах — от производства базовых материалов до сборки электронных модулей. Когда работаешь над сложным проектом, где важна стабильность свойств печатных плат от партии к партии, такая вертикальная интеграция и корпоративное управление процессами дают ощутимое преимущество. Не приходится метаться между заводом по производству печатных плат, производителем материалов и сборочным предприятием, пытаясь выяснить, на каком именно этапе возникла несостыковка.

Например, при разработке платы для телекоммуникационного оборудования у нас были жёсткие требования к импедансу и потерям на высоких частотах. Специалисты ООО 'Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии' не просто приняли наши файлы Gerber, а подключили своих инженеров на ранней стадии. Они сделали рекомендации по выбору конкретного ламината с более стабильной диэлектрической проницаемостью в нашем частотном диапазоне, который производился на одном из их аффилированных предприятий. А также предложили скорректировать геометрию некоторых переходных отверстий, чтобы минимизировать нежелательную индуктивность. В итоге мы получили платы, которые с первой производственной партии прошли все высокочастотные испытания. Это тот случай, когда экспертиза производителя в области свойств печатных плат напрямую влияет на успех конечного изделия.

Конечно, никакая интеграция не отменяет необходимости собственного входного контроля. Всегда выборочно делаем срезы плат из новой партии, проверяем толщину меди, качество металлизации отверстий, состояние финишного покрытия. Но когда работаешь с партнёром, который сам глубоко погружён в технологию, количество таких ?сюрпризов? заметно снижается. В конечном счёте, понимание и контроль свойств печатных плат — это не разовая задача при проектировании, а непрерывный диалог между разработчиком и производителем, основанный на взаимном понимании физики процессов и технологических ограничений. И именно этот диалог позволяет создавать не просто работающие, а надёжные и воспроизводимые в серии изделия.