Материалы печатных плат (фольгированные стеклотекстолит и гетинакс) (material)

Посмотреть архив целиком

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ


Московский Государственный Институт Электроники и Математики


Факультет Информатики и Телекоммуникаций


Кафедра материаловедения электронной техники





РЕФЕРАТ
по курсу

«Материаловедение»





на тему:

Материалы печатных плат







Выполнил:

студент гр. Р-41Сёмин Василий


Преподаватель:

Кобанова Татьяна Александровна











Оглавление



1. Введение …………………………………………………………..3

2. Технология получения слоистых пластиков …………………….5

3. Классификация и принцип маркировки…………………………8

4. Физико-химические свойства……………………………………10

5. Механическая обработка слоистых пластиков…………………..17

6. Список литературы……………………………………………….21






























1.Введение


Замена в печатных схемах обычного трёхмерного проволочного монтажа двумерным, состоящим из сети проводников, которые размещаются на диэлектрической подложке – это изобретение, связанное с именем К. Паролини (Франция, 1926г.), которое по важности можно сравнить с изобретением книгопечатания Гутенбергом.

Печатная плата (ПП) представляет собой изоляционную пластину, играющую роль механического каркаса ПП, на одну или обе поверхности которой нанесён токопроводящий рисунок (как правило медная фольга), сформированный проводниками, соединяющими электрорадиорадиоэлементы (ЭРЭ) в соответствии с электрической схемой. ЭРЭ крепятся на печатную плату либо запайкой ножек деталей в специальные отверстия в ПП, обеспечивая механический крепёж ЭРЭ (dip-монтаж), либо поверхностным монтажом (пайкой элементов непосредственно на дорожки – chip-монтаж).

Материалами печатных плат служат фольгированный стеклотекстолит либо фольгированный гетинакс, поэтому нас будут интересовать именно эти два продукта, а также составляющие их компоненты.

Изоляционная подложка печатной платы состоит из ряда пропитанных термореактивными смолами слоёв стекловолокна или бумаги, которые прессуют и отверждают в нагретых прессах. Токопроводящую схему выполняют либо так называемым способом удаления, когда изоляционный материал полностью закрывается медной фольгой и токопроводящий рисунок (линии и плоскости) создают, удаляя ненужные участки, либо способом наложения. В этом случае нужный токопроводящий рисунок создают металлизацией.


Схема строения фольгированного слоистого пластика












односторонний двухсторонний


  • металлическая фольга

  • клеевой слой

  • изоляционная подложка из слоистого пластика



Фольгированный гетинакс является менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является минимальная стоимость прибора.

Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной и прочей прецезионной аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам..

Применяемые для изготовления печатных плат фольгированные пластики делятся на односторонние и двусторонние. Учитывая современные тенденции постоянного уменьшения габаритов электроаппаратуры и внедрения поверхностного (chip-) монтажа, двусторонние печатные платы занимают приоритетное положение надо односторонними. Односторонние печатные платы имеет смысл применять для реализации простейших небольших электрических схем.

Помимо этого, изготовление современных сложнейших вычислительных и бытовых приборов требует применения многослойных печатных плат. Это связано с усложняющейся с каждым годом схемотехникой современной аппаратуры.





















2.Технология получения слоистых пластиков


Как уже отмечалось, слоистые пластики состоят из волокнистого наполнителя, пропитанного связующим - как правило фенолформальдегидной смолой. При этом, если применяют пропитанную бумагу, материал называют гетинаксом, если ткань из синтетических волокон – текстолитом, если стеклоткани – стеклотесктолитом. В качестве клеевого слоя для приклейки фольги при создании фольгированных слоистых пластиков применяют синтетические термореактивные клеи как таковые или использут клеящие свойства связующего, содержащегося в пропитанном наполнителе.


Стекловолокнистые наполнители. Стекловолокна для изготовления стекловолокнистых наполнителей производят по следующей схеме.

Из исходных компонентов (песок, глинозем, мел, кальцинированная сода, борная кислота и некоторые другие) путем смешения приготовляется шихта. Шихта плавится в печах для получения расплава стекла. Из расплава отформовываются стеклянные шарики, которые затем загружаются в платиновый тигель, имеющий в своем днище от 100 до 1200 и более отверстий (фильер) малого диаметра. После расплавления стеклянных шариков в тигле до получении вязкой массы (температура 1200—1400 С) из нее через фильеры вытягиваются непрерывные волокна, собирающиеся затем в пучок, который наматывается па приемную бобину. Перед намоткой пучка на бобину производится так называемое «замасливание» этого пучка так, чтобы нити в нём имели необходимое сцепление между собой. Для этого сразу по выходе элементарных волокон из фильер и сбора этих нитей в пучок устанавливается замасливающее yстройство (в простейшем виде это наклонный лоток), в которое непрерывно поступает замасливатель. В результате на бобину наматывается комплексная нить со склеенными в ней элементарными волокнами. Скорость вытягивания элементарных стекловолокон при этом достигает 50 м/с и более.

Полученные комплексные нити затем разматываются с бобины, складываются друг с другом в нужном числе сложений и подвергаются кручению (до 150 витков на 1 м) для получения нитей, из которых затем на ткацких станках изготовляются стеклоткани. Для некоторых рулонных наполнителей после сложения комплексных нитей или совсем не производят крутку, или делают минимальное число витков. Такие нити называют ровницей или жгутом. Из жгутов на специальных станках изготовляют так называемые нетканные наполнители.

Для получения штапельного волокна по выходе стеклянных волокон из фильер на них из специального сопла с большой скоростью подается струя воздуха или нагретого пара, которая разбивает непрерывные волокна на короткие отрезки. Из этого волокна затем прядут нити с последующим изготовлением штапельных стеклотканей или эти волокна принимаются на конвейерную ленту и превращаются в рулонный материал в виде стекловойлоков, называемых также матами.

Состав стёкол, применяемых для изготовления стеклотканей


Вид стекла

Состав, %

SiO2

Al2O3

B2O3

CaO

MgO

Fe2O3

Na2O

Алюмоборосиликатное (бесщелочное)

53-54

14

8-12

16

4

0.2-0.7

0.5-0.7

Известково-натриевое (щелочное) для изготовления кремнеземного

72

0.5

нет

6

4

0.08

17-18



Вид стеклоткани до и после опрессования между влажными прокладками при 160С














Изготовление фольгированных слоистых пластиков Фольгирование листовых слоистых пластиков может производиться двумя методами. По первому из них металлическая фольга приклеивается к уже готовому слоистому пластику, по второму приклейка фольги осуществляется одновременно с формованием подложки. Однако приклейка металлической фольги к готовому слоистому пластику вызывает трудности, связанные с недостаточно ровной поверхностью последнего, с отклонениями в толщинах склеиваемых материалов, а также с существованием допусков в расстоянии между плитами гидравлических прессов. Всё это в конечном счёте затрудняет создание необходимого надёжного контакта между металлической фольгой и готовым слоистым пластиком. При этом применение повышенной толщины клеевого слоя для устранения неровностей приводит, как правило, к уменьшению прочности сцепления фольги и слоистого пластика ввиду возникновения на границе раздела слоёв повышенных скалывающих напряжений.

В этом отношении приклейка металлической фольги к изоляционной подложке в процессе формования фольгированного материала позволяет использовать для выравнивания поверхности текучесть связующего в пропитанном наполнителе во время его нагревания при прессовании. Поэтому второй способ является основным в производстве фольгированных слоистых пластиков.

Для изготовления слоистых пластиков в зависимости от их назначения применяют: медную, никелевую или константановую фольгу. Медная и никелевая фольга применяется главным образом для фольгированных слоистых пластиков электротехнического назначения в целях изготовления печатных плат, константановая – для слоистых пластиков, предназначенных для изготовления реостатных и нагревательных элементов.

Выбор материалов для подложки и клеевого слоя, так же как и при изготовлении обычных слоистых пластиков, зависит от рабочей температуры фольгированного материала и от ряда специфических требований, предъявляемых к последнему.

Процесс изготовления фольгированного слоистого пластика по второму, наиболее принятому способу, сводится к пропитке наполнителей соответствующими связующими, сушке, если был применён лаковый раствор связующего, разрезке пропитанного наполнителя на нужные размеры, сборке заготовок, сборке пачек и пакетов для прессования, прессованию последних в гидравлическом прессе и обрезке торцов готового материала.

Пропитку наполнителей лаковыми растворами связующих ведут так же, как и для обычных слоистых пластиков. Нанесение клеевого слоя на металлическую фольгу производят на машинах, где осуществляется схема лакировки фольги. Эти машины аналогичны машинам для лакировки бумаги.

В качестве клеевого слоя иногда применяют специальные клеевые плёнки. В этом случае исключается процесс нанесения клея на металлическую фольгу и клеевая плёнка укладывается перед прессованием в пачку.

Во время прессования клей сразу после его расплавления под давлением прессования, если применена фольга, на поверхности которой созданы оксидные кристаллы, вдавливается в пространство между последними распространяется под влиянием этого давления по поверхности фольги.










3.Классификация и принцип маркировки


Классификация различных марок стеклотекстолита и гетинакса


Класс нагревостойкости

Предельно допустимая рабочая температура, °С

Название

слоистого

пластика

Промышленная марка

Возможность применения

Преимущественные

области

применения

Для напря-жений до 1000 В

Свыше 1000 В

При норм. климати-ческих условиях

Во влажном тропи-ческом климате

При норм. климати-ческих условиях

Во влажном тропи-ческом климате

А

105

гетинакс

I

+

-

-

-

Монтажные панели, распределительные щиты, перегородки, панели, рейки, шайбы, клинья

III

+

-

-

-

То же, но в морских условиях

IV

+

+

+

+

То же, что марка I, но во влажных тропических условиях

V-1, V-2

+

-

+

-

Материал с повышенной электрической прочностью и низким tgδ

VI

+

-

+

-

Для работы в трансформаторном масле и на воздухе при повышенных частотах

VII

+

-

+

-

Радиотехнического назначения

VIII

+

-

+

-

То же, материал с пониженной степенью коробления

В

130

стеклотекстолит

СТ, СТ-1

+

+

-

-

Для низковольтных деталей, работающих по классу нагревостойкости В (130°С) или во влажном тропическом климате

F

155

СТЭФ, СТЭФ-1

+

+

+

-

Для деталей, работающих по классу нагревостойкости F (155°С), с требованиями повышенной механической прочности

СТВЭ

+

+

+

+

То же для работы во влажном тропическом климате

H

180

стеклотекстолит

СТК

+

+

+

-

Для деталей сухих трансформаторов шахтного взрывобезопасного исполнения и других деталей, работающих при температуре180°С или кратковременно до 300°С

СТ-ЭТФ

+

+

+

+

С высокими механическими и электрическими свойствами при температуре до 180°С

СТК-41/4

+

+

+

-

То же, что СТК, но с повышенной монолитностью и влагостойкостью

СТВК

+

+

+

+

То же, что СТК, 41/V, для работы во влажных тропических условиях































4.Физико-химические свойства


Механическая прочность. У слоистых пластиков, так же как и у металлов, но в гораздо большей степени, наблюдается зависимость механической прочности от времени приложения механической нагрузки.



Зависимость разрушающих напряжений при изгибе слоистых пластиков от времени приложения механического напряжения.


1 – гетинакс I;

2 – стеклотекстолит СТ;

3 – стеклотекстолит СТЭФ



Аналогично металлам, разрушение слоистых пластиков при приложении повторно-переменных напряжений можно объяснить тем, что в результате внутреннего трения в материале возникают и постепенно расширяются трещины, ослабляющие его вплоть до разрушения. Так, многократное приложение нагрузки, составляющей всего 75% предела прочности при растяжении в течение 20 с, вызвало следующее изменение механических свойств гетинакса:


Характер приложения

механического напряжения

Предел прочности при растяжении, % к исходному

Исходное состояние

100

После пятидесятого приложения нагрузки

92

После сотого приложения нагрузки

85


Для оценки материалов при циклических нагружениях пользуются показателем предела выносливости, который показывает максимальное напряжение, при котором материал выдерживает приблизительно 10 млн. повторных циклов без разрушения. Ниже приводятся ориентировочные данные о пределах выносливости некоторых слоистых пластиков.


Вид нагрузки

Предел выносливости для различных слоистых пластиков, МПа

стеклотекстолит

гетинакс

текстолит

Изгиб


60

35-40

27.5-30

Растяжение

и сжатие

-

58

39


Предел выносливости слоистых пластиков зависит от содержания связующего. При этом увеличение содержания смолы, например, в гетинаксе, с 40% до 50% уменьшает его предел выносливости примерно на 20%


Влияние нагревания. Механические свойства большинства видов слоистых пластиков довольно сильно изменяются даже при небольшом повышении температуры.



В
лияние температуры испытания на предел прочности при растяжении


1 – гетинакс I стеклотекстолит СТ

2 – текстолит А




Зависимость предела прочности слоистых пластиков при сжатии перпендикулярно слоям от температуры





1 – стеклотекстолит СТ-ЭТФ

2 – стеклотекстолит СТЭФ

3 – стеклотекстолит СТ

4 – гетинакс I

5 – текстолит А




Как видно из графиков, понижение прочности у различного вида слоистых пластиков происходит в неодинаковой степени и зависит от вида как применяемого связующего, так и наполнителя.


Длительное нагревание слоистых пластиков приводит в конечном счёте к довольно большому снижению их механических свойств.


Зависимость предела прочности при статическом изгибе слоистых пластиков от времени старения при температуре 160С (измерения при 20С)





1 – стеклотекстолит СТ

2 – гетинакс I







Как видно из графика, некоторое превышение предела прочности при статическом изгибе гетинакса после первого месяца нагревания следует объяснить процессом увеличения степени отверждения связующего, которое при прессовании гетинакса этой марки, по-видимому, прошло не до конца.

Однако нагревание слоистых пластиков при недопустимо высоких температурах может привести к резкой деструкции либо связующего, либо наполнителя. Так, при нагревании слоистых пластиков, изготовленных с применением фенолформальдегидных связующих, начиная примерно с 200C появляется науглероживание этих связующих, которое усиливается при повышении температуры до 300-400С. В то же время при нагревании слоистых пластиков, изготовленных с применением эпоксиднофенолформальдегидного связующего, при упомянутых температурах начинается сильная деструкция связующего с возгонкой продуктов деструкции без существенного образования продуктов обугливания. Если в первом случае, даже при полном обугливании связующего, ещё остаётся ощутимая механическая прочность за счёт оставшегося кокса, способного в некоторой степени связывать между собой слои наполнителя, то во втором случае практически наступает полное разрушение пластика.

Помимо падения жёсткости слоистых пластиков по мере увеличения температуры нагревания, также ухудшаются их электрические свойства, что видно из графиков.






Зависимость кратковременной электрической прочности слоистых пластиков от температуры испытания




1 – стеклотекстолит СТ

2 – стеклотекстолит СТК

3 – гетинакс I




Однако снижение такого показателя электрических свойств как электрическая прочность, происходит и после теплового старения слоистых пластиков. Из приведённых ниже графиков следует, что если даже кратковременный нагрев до соответствующей температуры может не влиять на электрическую прочность слоистого пластика, то тепловое старение при такой же температуре приводит к снижению его электрической прочности.



Влияние теплового старения Зависимость электрической прочности

на кратковременную электрическую гетинакса I и стеклотекстолита СТ

прочность стеклотекстолита СТК от времени старения при 160С

(температура испытания 20С)








1 – стеклотекстолит СТ

2 – гетинакс I



Влияние увлажнения. Большинство слоистых пластиков обладает сравнительно высоко влагопоглощаемостью. Исключение составляют такие пластики как текстолит ЛТ и стеклотекстолит СТВЭ, изготовленные с применением негидрофильных наполнителей, у которых водопоглощаемость оказывается и существенно не увеличивается при продолжительном увлажнении. У всех других видов слоистых пластиков с течением времени водопоголощение увеличивается до насыщения. Одновременно с увеличением водопоглощения изменяются и размеры самого пластика.


Зависимость водопоглощения и изменения размеров слоистых пластиков от времени пребывания в воде.
















А – водопоглощение Б – изменение размеров


1 – текстолит Вч 1 – длины текстолита Вч

2 – стеклотекстолит СТ 2 – длины стеклотекстолита СТ

3 – стеклотекстолит СТ-1 3 – длины стеклотекстолита СТ-1

4 – толщины текстолита Вч

5 – толщины стеклотекстолита СТ

6 – толщины стеклотекстолита СТ-1


Из сравнения графиков следует, что водонасыщение у стеклотекстолитов наступает гораздо раньше, чем у гетинакса и текстолита типа Вч, и что после наступления водонасыщения прекращается и изменение размеров слоистых пластиков. После пребывания слоистых пластиков в воде их механическая прочность несколько падает и, например для отдельных видов стеклотекстолитов это падение достигает 20-25%. Однако механическая прочность таких стеклотекстолитов восстанавливается после сушки при умеренной температуре (около 105С). Снижение механических свойств наблюдается у слоистых пластиков, способных к существенному влагопоглощению после пребывания при высокой относительной влажности воздуха. Так, у стеклотекстолита марки СТЭФ, после его пребывания в течение 6 мес. при относительной влажности воздуха 98-100%наблюдается падение предела прочности при растяжении на 5%, удельной ударной вязкости на 7% и предела прочности при изгибе даже на 50%.

Также увлажнение в заметной степени ухудшает электрические характеристики слоистых пластиков. При этом очень чувствительными показателями оказываются tg и сопротивление изоляции, что видно из графиков.


Зависимость tg (при 50 Гц) от времени увлажнения слоистых пластиков при относительной влажности воздуха 98% и температуре 35С







1 – стеклотекстолит ЛТ

2 – стеклотекстолит ЛТВЭ

3 – стеклотекстолит СТЭФ

4 – гетинакс IV

5 – стеклотекстолит СТ

6 – гетинакс I







При этом сушка слоистых пластиков после увлажнения не всегда приводит к восстановлению электрических свойств до исходного состояния. Так после увлажнения стеклотекстолита СТЭФ при относительной влажности 95-98% и температуре 30С, tg его возрастает с 3 до 23-26%. Однако даже после продолжительной сушки при 160С tg остаётся выше 10-15%. В меньшей степени ухудшается удельное объёмное сопротивление слоистых пластиков.


Зависимость удельного объёмного сопротивления слоистых пластиков от времени увлажнения при относительной влажности воздуха 95-98% и температуре 35С




1 – гетинакс I

2 – гетинакс IV

3 – стеклотекстолит СТВЭ

4 – стеклотекстолит СТ

5 – стеклотекстолит СТЭФ

6 – текстолит А

7 – текстолит ЛТ





Влияние времени приложения электрического напряжения. Электрическая прочность слоистых пластиков зависит от продолжительности приложения электрического напряжения. Если причиной понижения механической прочности являются релаксационные процессы, то продолжительное действие электрического напряжения, по-видимому, связано с вызываемыми им процессами ионизации воздуха в порах слоистого пластика и в конечном счёте со сквозным расширением этих пор за счёт ударов ионов воздуха в стенки этих пор. После появления в слоистом пластике за счёт длительного приложения электрического напряжения сквозных пор, наполненных ионизированным воздухом, происходит ионный элестрический пробой материала. Однако если слоистый пластик обладает повышенным значением tg , то раньше, чем наступит ионный пробой, может вследствие очень сильного разогревания и обугливания слоистого пластика произойти тепловой пробой. Поэтому электрическая прочность большинства слоистых пластиков при высокой частоте, когда степень ионизаци воздуха увеличивается, оказывается существенно более низкой, чем при токе промышленной частоты. Так, если гетинакс, имеющий tg около 0.1, при температуре 90С выдерживает в течение 1 мин вдольслоёв при частоте 50 Гц и расстоянии между электродами 50 мм напряжение в 55 кВ, то при частоте тока 100 кГц он выдерживает только 25 кВ.


Зависимость электрической прочности слоистых пластиков перпендикулярно слоям от времени приложения электрического напряжения (частотой 50 Гц)