Исследование основных свойств стеклотекстолитов для печатных плат и оценка влияния климатических воздействий на показатели их диэлектрической проницаемости
Рассмотрены основные свойства стеклотекстолитов – композиционных материалов-диэлектриков для печатных плат: температура стеклования, температурный коэффициент линейного расширения, предел прочности при изгибе, влагостойкость. Оценено влияние климатического воздействия (повышенная и пониженная температура среды, повышенная влажность воздуха, воздействие изменения температуры и солевого тумана) на показатели диэлектрической проницаемости стеклотекстолитов.
Введение
Печатные платы являются одним из основных элементов приборостроения в электронике, оказывая значительное влияние на основополагающие характеристики электрорадиоизделий наряду с электронными компонентами. Быстрые темпы развития микроэлектроники определяют новые требования к качеству и надежности печатных плат [1]. В качестве основного материала для их производства, как правило, применяют фольгированные медью листы из композиционных материалов-диэлектриков – слоистые прессованные стеклопластики (стеклотекстолиты) [2]. Одним из основных составляющих стеклотекстолитов является связующее (полимерная матрица), которое определяет их технологические, термомеханические и упругопрочностные характеристики, био- и химическую стойкость и др. Именно связующее обеспечивает получение монолитного изделия с заданными размерами [3–5]. В качестве армирующих наполнителей для стеклотекстолитов печатных плат в основном применяются текстильные материалы из непрерывных стеклянных волокон. Стеклянные волокна на основе алюмоборосиликатного стекла (E-glass) удовлетворяют требованиям по диэлектрическим характеристикам [6, 7].
Как правило, одной из наиболее показательных характеристик диэлектриков считается температура стеклования, которая традиционно применяется для классификации диэлектриков для печатных плат. В производстве электронной аппаратуры в большинстве случаев используется поверхностный монтаж электронных компонентов, предполагающий процессы нагрева – например, пайку оплавлением. Кроме того, в процессе производства материал подвергается температурному воздействию при горячем прессовании многослойной печатной платы и облуживании. Одним из основных критериев выбора материала для печатных плат является способность устойчиво выдерживать температуру пайки, сохраняя свои геометрические размеры [8]. При этом важным свойством таких материалов является их линейное температурное расширение, напрямую влияющее на надежность печатной платы и характеризующееся температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). В материалах, армированных стекловолокном, значение ТКЛР отличается по соответствующим осям из-за направленности армирования. Стеклотекстолиты в длину и ширину ориентированы в плоскостях Х и Y, а ось Z перпендикулярна этим плоскостям. Входящая в состав материала стеклоткань сдерживает расширение в направлении армирования, так как она имеет относительно небольшое собственное значение ТКЛР. Исходя из этого, незначительное температурное расширение по оси Z будет определять бо́льшую степень надежности и меньшие напряжения, оказываемые этим изменением линейных размеров стеклотекстолита, в том числе монтажных и межслойных отверстий [2]. Вместе с тем при эксплуатации и хранении стеклотекстолиты в составе электрорадиоизделий одновременно подвергаются не только воздействию повышенной и пониженной температур, но и повышенной влажности. Воздействие этих факторов на стеклотекстолиты может быть весьма разнообразным как по интенсивности, так и по продолжительности [9–14].
Основная механическая характеристика стеклотекстолитов для печатных плат – это предел прочности при изгибе, так как печатные платы в большинстве своем подвергаются воздействию изгибающих нагрузок. При эксплуатации печатных плат ключевой характеристикой является водостойкость, которая напрямую влияет на состояние электрической изоляции. Каждый слоистый материал в зависимости от конкретной молекулярной структуры поглощает определенное количество влаги. Это происходит не только при многоразовой влажной обработке (многочисленные «мокрые» процессы) в процессе производства печатных плат, но также в результате воздействия повседневных условий окружающей среды. Поглощенная влага может изменить характеристики материала и увеличить риск появления расслоений и пузырей при высокотемпературной обработке, подобной пайке оплавлением [2].
Одним из основных радиотехнических показателей качества стеклопластиков для печатных плат является диэлектрическая проницаемость. С увеличением частоты передачи сигналов возрастают требования к диэлектрическим свойствам материала. При высоких частотах передачи сигналов (˃100 МГц) материал должен обладать низкими значениями диэлектрической проницаемости. В свою очередь величина диэлектрической проницаемости зависит от структуры, температуры, частоты приложенного напряжения и имеет большое значение при передаче высокочастотных сигналов, так как влияет на уровень диэлектрических потерь [1, 15].
Материалы и методы
Для исследований выбраны стеклотекстолиты СТ 120 и СТ 155 на основе эпоксидных связующих и стеклотканей с температурами стеклования 120 и 155 °С соответственно. Показатели диэлектрической проницаемости (ε) этих стеклотекстолитов при частоте 1 МГц следующие:
Тип образца | СТ 120 | СТ 155 |
Диэлектрическая проницаемость (ε) | 4,81 | 4,70 |
Исследование основных свойств стеклотекстолитов и влияние климатического воздействия на характеристику диэлектрической проницаемости проводили в указанных далее условиях.
Температурный коэффициент линейного расширения. Исследования проводили по ГОСТ 26246.0–89 «Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Методы испытаний» на испытательном оборудовании – дилатометре DIL 402C. Измерения ТКЛР осуществляли в трансверсальном направлении (ось Z) в диапазоне температур от –60 до +250 °С со скоростью нагрева 5 К/мин в динамической среде аргона при потоке 50 мл/мин.
Прочность при изгибе. Исследования проводили по ГОСТ 26246.0–89 «Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Методы испытаний» на испытательной машине Zwick/Roell Z050 при температуре воздуха в помещении 20±5 °С и относительной влажности 50±10 %.
Водостойкость. Исследование проводили по ГОСТ 26246.0–89 «Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Методы испытаний» в климатической камере Climats Excal 5413HA.Водопоглощение определяли при погружении образца материала в воду на 24 ч при температуре воздуха в помещении 20±5 °С и относительной влажности 60±10 %.
Повышенная температура среды. Экспозициюпроводили в воздушном термостате при температуре 115±2 °С в течение 10, 1000 и 2000 ч.
Пониженная температуры среды.Испытываемые образцы размещали в камере «тепло-холод». После достижения температуры –60±2 °С образцы стеклотекстолита выдерживали в течение 2 ч. После окончания испытаний образцы выдерживали при температуре 23±2 °С и относительной влажности воздуха 50±10 % в течение 2 ч.
Повышенная влажность воздуха. Испытываемые образцы стеклотекстолита выдерживали в тепловлажностной камере при следующем циклическом режиме:
– температуру в камере повышали до 40±2 °С в течение 3 ч, относительная влажность при этом составляла не менее 95 %;
– температуру 40±2 °С поддерживали в течение 12±0,5 ч от начала цикла, относительная влажность при этом составляла 93±3 %;
– температуру понижали до 25±2 °С в течение 6 ч, относительная влажность при этом составляла не менее 95 %;
– поддерживали температуру 25±2 °С и относительную влажность не менее 95 % в течение 3 ч (до конца цикла).
Срок экспозиции в тепловлажностной камере составил 6 и 21 сут. После окончания испытаний образцы стеклотекстолита выдерживали при температуре 23±2 °С и относительной влажности воздуха 50±10 % в течение 6 ч.
Воздействие изменения температуры. Испытуемые образцы стеклотекстолита выдерживали в камере холода при температуре –60±2 °С в течение 2 ч. Далее образцы переносили в камеру тепла, в которой заранее устанавливали температуру 115±2 °С, образцы выдерживали при этой температуре в течение 2 ч. Цикл испытания повторяли трижды. Продолжительность выдержки образцов в камере холода и тепла отсчитывали с момента достижения заданной температуры воздуха в камере после загрузки образцов. Время переноса образцов из камеры холода в камеру тепла и обратно составляло <5 мин. После окончания испытаний образцы выдерживали при температуре 23±2 °С и относительной влажности воздуха 50±10 % в течение 2 ч.
Воздействие солевого тумана. Образцы стеклотекстолита выдерживали в камере солевого тумана в течение 21 сут. После окончания испытаний образцы выдерживали при температуре 23±2 °С и относительной влажности воздуха 50±10 % в течение 2 ч.
Диэлектрическая проницаемость. Исследование проводили на векторном анализаторе электрических цепей ZVA50 в соответствии с ГОСТ 22372–77 «Методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 100 до 5×106 Гц».
Результаты и обсуждение
В табл. 1 приведены значения ТКЛР для образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 в плоскости Х. Показано, что материал СТ 120 имеет более высокие значения ТКЛР в сравнении с материалом СТ 155.
Таблица 1
Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР)
для диэлектриков на основе стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 в плоскости Х
Температура, °С | Средние значения ТКЛР: α·106, К–1, для стеклотекстолита | |
СТ 120 | СТ 155 | |
–60 | 12,4 | 12,1 |
–30 | 12,9 | 12,6 |
50 | 13,8 | 13,3 |
100 | 14,5 | 13,7 |
150 | 12,4 | 11,2 |
200 | 9,4 | 8,7 |
250 | 7,7 | 7,3 |
В табл. 2 представлены значения предела прочности при изгибе стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155. Установлено, что предел прочности при изгибе у образцов из стеклотекстолита СТ 120 на 36 % больше, чем у образцов из материала СТ 155.
Таблица 2
Предел прочности и модуль упругости при изгибе стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155
Свойства | Значения свойств для стеклотекстолита | |
СТ 120 | СТ 155 | |
Предел прочности при изгибе, МПа | 490 | 360 |
Модуль упругости, ГПа | 17 | 17 |
Установлено также, что водопоглощение образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 не превышает 1 %, что является допустимым значением для материалов, используемых для изготовления печатных плат:
Тип образца | СТ 120 | СТ 155 |
Водопоглощение, % | 0,81 | 0,98 |
В табл. 3 представлены значения диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в воздушном термостате при температуре 115±2 °С. Установлено, что после экспозиции в приведенных условиях в течение 10, 1000 и 2000 ч по результатам визуального осмотра расслаивания, вздутия и коробления образцов не обнаружено. В сравнении с исходными значениями показатель диэлектрической проницаемости после выдержки в течение 10 ч для образцов из стеклотекстолита СТ 120 снизился на 3 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 – на 6 %; после выдержки в течение 1000 ч для образцов из стеклотекстолита СТ 120 – на 15 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 – на 3 %; после выдержки в течение 2000 ч для образцов из стеклотекстолита СТ 120 – на 4 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 повысился на 11 %.
Таблица 3
Диэлектрическая проницаемость (при частоте 1 МГц) образцов
из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в воздушном термостате
при температуре 115±2 °С при разной продолжительности экспозиции
Тип образца | Диэлектрическая проницаемость | |||
до экспозиции | после экспозиции в течение, ч | |||
10 | 1000 | 2000 | ||
СТ 120 | 4,81 | 4,67 | 4,27 | 4,19 |
СТ 155 | 4,70 | 4,44 | 4,58 | 4,53 |
В табл. 4 представлены результаты испытаний диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в камере «тепло-холод» при –60±2 °С. Установлено, что после экспозиции в приведенных условиях в течение 2 ч по результатам визуального осмотра расслаивания, вздутия и коробления образцов не обнаружено. Показатель диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолита СТ 120 повысился на 4 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 снизился на 2 % в сравнении с исходными значениями.
Таблица 4
Диэлектрическая проницаемость (при частоте 1 МГц) образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в камере «тепло-холод» при –60±2 °С в течение 2 ч
Тип образца | Диэлектрическая проницаемость | |
до экспозиции | после экспозиции | |
СТ 120 | 4,81 | 5,00 |
СТ 155 | 4,70 | 4,63 |
В табл. 5 представлены результаты испытаний диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в тепловлажностной камере по циклическому режиму. Установлено, что после экспозиции в приведенных условиях в течение 6 и 21 сут по результатам визуального осмотра расслаивания, вздутия и коробления образцов не обнаружено. Показатель диэлектрической проницаемости после выдержки в течение 6 сут для образцов из стеклотекстолита СТ 120 снизился на 2 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 – на 11 %, после выдержки в течение 21 сут для образцов из стеклотекстолита СТ 120 – на 13 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 – на 16 % в сравнении с исходными значениями.
Таблица 5
Диэлектрическая проницаемость (при частоте 1 МГц) образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в тепловлажностной камере по циклическому режиму
Тип образца | Диэлектрическая проницаемость | ||
до экспозиции | после экспозиции в течение, сут | ||
6 | 21 | ||
СТ 120 | 4,81 | 4,73 | 4,25 |
СТ 155 | 4,70 | 4,50 | 4,06 |
В табл. 6 представлены результаты испытаний диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в камере холода при температуре –60±2 °С и камере тепла при температуре 115±2 °С. Установлено, что после экспозиции в приведенных условиях в течение трех циклов (один цикл: 2 ч выдержки в каждой камере) по результатам визуального осмотра расслаивания, вздутия и коробления образцов не обнаружено. Показатель диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолита СТ 120 снизился на 3 %, для образцов из стеклотекстолита СТ 155 не изменился в сравнении с исходными значениями.
Таблица 6
Диэлектрическая проницаемость (при частоте 1 МГц) образцов
из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в камере холода
при температуре –60±2 °С и камере тепла при температуре 115±2 °С в течение трех циклов
Тип образца | Диэлектрическая проницаемость | |
до экспозиции | после экспозиции | |
СТ 120 | 4,81 | 4,68 |
СТ 155 | 4,70 | 4,70 |
В табл. 7 представлены результаты испытаний диэлектрической проницаемости для образцов из стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в камере солевого тумана. Установлено, что после экспозиции в течение 21 сут по результатам визуального осмотра расслаивания, вздутия и коробления образцов не обнаружено. Показатель диэлектрической проницаемости для стеклотекстолита СТ 120 снизился на 1 %, для стеклотекстолита СТ 155 – на 3 % в сравнении с исходными значениями.
Таблица 7
Диэлектрическая проницаемость (при частоте 1 МГц) образцов из стеклотекстолитов
СТ 120 и СТ 155 после экспозиции в камере солевого тумана в течение 21 сут
Тип образца | Диэлектрическая проницаемость | |
до экспозиции | после экспозиции | |
СТ 120 | 4,81 | 4,75 |
СТ 155 | 4,07 | 4,58 |
Заключения
Проведены исследования и показано, что при длительном воздействии повышенной температуры и условий тепловлажностной камеры показатель диэлектрической проницаемости материалов СТ 120 и СТ 155 снижается, максимальное снижение не превышает 15 % относительно исходных значений. Экспозиция в камерах холода и солевого тумана не оказывает влияния на показатель диэлектрической проницаемости материалов (см. рисунок).
Проведены исследования основных свойств стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155. Показано, что материал СТ 120 имеет более высокий ТКЛР в сравнении с материалом СТ 155.
Диэлектрическая проницаемость образцов из стеклотекстолитов СТ 120 (а) и СТ 155 (б)
после экспозиции (■) в различных условиях в сравнении с исходными показателями (■)
Установлено, что предел прочности при изгибе образцов из стеклотекстолита СТ 120 на 36 % больше, чем у образцов из стеклотекстолита СТ 155. Установлено, что водопоглощение стеклотекстолитов СТ 120 и СТ 155 не превышает 1 %, что является допустимым значением для материалов, используемых для изготовления печатных плат.
- Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2005. 560 с.
- Медведев А.М., Можаров В.А., Мылов Г.В. Печатные платы. Современное состояние базовых материалов // Печатный монтаж. 2011. № 5 (34). С. 148–149.
- Сарычев И.А., Серкова Е.А., Хмельницкий В.В., Застрогина О.Б. Термореактивные связующие для материалов панелей пола летательных аппаратов (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 7 (79). Ст. 03. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 01.03.2021). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-7-26-33.
- Мухаметов Р.Р., Петрова А.П. Термореактивные связующие для полимерных композиционных материалов (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2019. № 3 (56). С. 48–58. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-3-48-58.
- Мишкин С.И., Малаховский С.С. Быстроотверждаемые связующие и препреги: получение, свойства и области применения (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 5 (77). Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 01.03.2021). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-5-32-40.
- Курносов А.О., Вавилова М.И., Мельников Д.А. Технологии производства стеклянных наполнителей и исследование влияния аппретирующего вещества на физико-механические характеристики стеклопластиков // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 1 (50). С. 64–70. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-64-70.
- Медведев А.П. Печатные платы. Конструкции и материалы. М.: Техносфера, 2005. 304 с.
- Медведев А.М. Материалы для гибких печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2011. № 3. С. 12–19.
- Каблов Е.Н., Старцев О.В. Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 4 (37). С. 38–52. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-38-52.
- Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы старения // Деформация и разрушение материалов. 2011. № 1. С. 34–40.
- Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. I. Механизмы старения // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 11. С. 19–27.
- Кириллов В.Н., Старцев О.В., Ефимов В.А. Климатическая стойкость и повреждаемость полимерных композиционных материалов, проблемы и пути решения // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 412–423.
- Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. II. Релаксация исходной структурной неравновесности и градиент свойств по толщине // Деформация и разрушение материалов. 2010. № 12. С. 40–46.
- Каблов Е.Н., Гращенков Д.В., Ерасов В.С., Анчевский И.Э., Ильин В.В., Вальтер Р.С. Стенд для испытания на климатической станции ГЦКИ крупногабаритных конструкций из ПКМ // Сб. докладов IX Междунар. науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2012». Геленджик, 2012. С. 122–123.
- Широков В.В., Романов А.М. Исследования диэлектрических характеристик стеклосотопласта волноводным методом // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 4 (29). С. 62–68.