Le caratteristiche di base del circuito stampato dipendono dalle prestazioni del substrato. Per migliorare le prestazioni tecniche del circuito stampato, è necessario innanzitutto migliorare le prestazioni del substrato. Per soddisfare le esigenze di sviluppo del circuito stampato, diversi nuovi materiali vengono gradualmente sviluppati e introdotti sul mercato.

Negli ultimi anni, il mercato dei PCB ha spostato la sua attenzione dai computer alle comunicazioni, inclusi stazioni base, server e terminali mobili. I dispositivi di comunicazione mobile rappresentati dagli smartphone hanno portato i PCB a una maggiore densità, a uno spessore inferiore e a una maggiore funzionalità. La tecnologia dei circuiti stampati è indissolubilmente legata ai materiali dei substrati, il che implica anche i requisiti tecnici dei substrati dei PCB. Il contenuto pertinente dei materiali dei substrati è ora organizzato in un articolo specifico per la consultazione da parte del settore.

1 La domanda di alta densità e linee sottili

1.1 Domanda di lamina di rame

I PCB si stanno evolvendo verso l'alta densità e lo sviluppo di circuiti stampati sottili, e le schede HDI sono particolarmente importanti. Dieci anni fa, IPC ha definito la scheda HDI come una larghezza/interlinea (L/S) di 0,1 mm/0,1 mm e inferiore. Ora il settore raggiunge sostanzialmente un L/S convenzionale di 60 μm e un L/S avanzato di 40 μm. I dati della roadmap tecnologica di installazione giapponese del 2013 indicano che nel 2014 l'L/S convenzionale della scheda HDI era di 50 μm, quello avanzato di 35 μm e quello prodotto in fase di prova di 20 μm.

Formazione del pattern del circuito PCB, il tradizionale processo di incisione chimica (metodo sottrattivo) dopo fotoimaging sul substrato di lamina di rame. Il limite minimo del metodo sottrattivo per la creazione di linee sottili è di circa 30 μm ed è richiesto un substrato di lamina di rame sottile (9~12 μm). A causa dell'elevato prezzo del foglio di rame sottile CCL e dei numerosi difetti nella laminazione di lamina di rame sottile, molte fabbriche producono lamina di rame da 18 μm e quindi utilizzano l'incisione per assottigliare lo strato di rame durante la produzione. Questo metodo presenta molti processi, un difficile controllo dello spessore e costi elevati. È preferibile utilizzare lamina di rame sottile. Inoltre, quando il circuito PCB L/S è inferiore a 20 μm, la lamina di rame sottile è generalmente difficile da gestire. Richiede un substrato di lamina di rame ultrasottile (3~5 μm) e una lamina di rame ultrasottile attaccata al supporto.

Oltre a lamine di rame più sottili, le attuali linee sottili richiedono una bassa rugosità superficiale della lamina di rame. Generalmente, per migliorare la forza di legame tra la lamina di rame e il substrato e per garantire la resistenza al distacco del conduttore, lo strato di lamina di rame viene irruvidito. La rugosità della lamina di rame convenzionale è superiore a 5 μm. L'incorporazione dei picchi ruvidi della lamina di rame nel substrato migliora la resistenza al distacco, ma per controllare la precisione del filo durante l'incisione della linea, è facile che i picchi del substrato di inclusione rimangano, causando cortocircuiti tra le linee o una riduzione dell'isolamento, il che è molto importante per le linee sottili. La linea è particolarmente seria. Pertanto, sono necessarie lamine di rame con bassa rugosità (inferiore a 3 μm) e persino inferiore (1,5 μm).

1.2 La domanda di fogli dielettrici laminati

La caratteristica tecnica dei pannelli HDI è che il processo di accumulo (BuildingUpProcess), il comune foglio di rame rivestito in resina (RCC) o lo strato laminato di tessuto di vetro epossidico semi-indurito e foglio di rame rendono difficile ottenere linee sottili. Attualmente, si tende ad adottare il metodo semi-additivo (SAP) o il metodo semi-processato migliorato (MSAP), ovvero si utilizza un film dielettrico isolante per l'impilamento e poi si procede con la ramatura chimica per formare uno strato conduttore in rame. Poiché lo strato di rame è estremamente sottile, è facile ottenere linee sottili.

Uno dei punti chiave del metodo semi-additivo è il materiale dielettrico laminato. Per soddisfare i requisiti delle linee sottili ad alta densità, il materiale laminato soddisfa i requisiti di proprietà elettriche dielettriche, isolamento, resistenza al calore, forza di legame, ecc., nonché l'adattabilità al processo del circuito HDI. Attualmente, i materiali laminati HDI internazionali sono principalmente i prodotti della serie ABF/GX della giapponese Ajinomoto Company, che utilizzano resina epossidica con diversi agenti indurenti per aggiungere polvere inorganica al fine di migliorare la rigidità del materiale e ridurre il CTE; inoltre, viene utilizzato anche il tessuto in fibra di vetro per aumentare la rigidità. Esistono anche materiali laminati a film sottile simili della giapponese Sekisui Chemical Company, e anche il Taiwan Industrial Technology Research Institute ha sviluppato tali materiali. Anche i materiali ABF vengono costantemente migliorati e sviluppati. La nuova generazione di materiali laminati richiede in particolare bassa rugosità superficiale, bassa dilatazione termica, bassa perdita dielettrica e rinforzo rigido sottile.

Nel packaging globale dei semiconduttori, i substrati per il packaging dei circuiti integrati hanno sostituito i substrati ceramici con substrati organici. Il passo dei substrati per il packaging dei flip chip (FC) si sta riducendo sempre di più. Attualmente, la larghezza/interlinea tipica è di 15 μm e in futuro sarà ancora più sottile. Le prestazioni del supporto multistrato richiedono principalmente basse proprietà dielettriche, basso coefficiente di dilatazione termica ed elevata resistenza al calore, nonché la ricerca di substrati a basso costo per raggiungere gli obiettivi prestazionali. Attualmente, la produzione in serie di circuiti sottili adotta essenzialmente il processo MSPA con isolamento laminato e sottile foglio di rame. Il metodo SAP consente di produrre circuiti con L/S inferiore a 10 μm.

Con l'aumento della densità e dello spessore dei PCB, la tecnologia delle schede HDI si è evoluta dai laminati con nucleo centrale ai laminati di interconnessione Anylayer senza nucleo (Anylayer). Le schede HDI con laminati di interconnessione Anylayer con la stessa funzione sono migliori delle schede HDI con laminati con nucleo centrale. Area e spessore possono essere ridotti di circa il 25%. Queste schede devono utilizzare uno strato dielettrico più sottile e mantenere buone proprietà elettriche.

2 Domanda di alta frequenza e alta velocità

La tecnologia delle comunicazioni elettroniche spazia dalle reti cablate a quelle wireless, dalle basse frequenze e basse velocità alle alte frequenze e alte velocità. Le prestazioni attuali dei telefoni cellulari sono entrate nel 4G e si sposteranno verso il 5G, ovvero con velocità di trasmissione più elevate e una maggiore capacità di trasmissione. L'avvento dell'era globale del cloud computing ha raddoppiato il traffico dati e le apparecchiature di comunicazione ad alta frequenza e alta velocità sono una tendenza inevitabile. I PCB sono adatti alla trasmissione ad alta frequenza e alta velocità. Oltre a ridurre le interferenze e le perdite di segnale nella progettazione dei circuiti, a mantenere l'integrità del segnale e a garantire che la produzione dei PCB soddisfi i requisiti di progettazione, è importante disporre di un substrato ad alte prestazioni.

Per risolvere il problema dell'aumento della velocità e dell'integrità del segnale dei PCB, i progettisti si concentrano principalmente sulle proprietà di perdita del segnale elettrico. I fattori chiave per la selezione del substrato sono la costante dielettrica (Dk) e la perdita dielettrica (Df). Quando Dk è inferiore a 4 e Df 0,010, si parla di laminato con Dk/Df medio, mentre quando Dk è inferiore a 3,7 e Df 0,005 è inferiore, si parla di laminati con Dk/Df basso. Oggi, il mercato offre un'ampia varietà di substrati tra cui scegliere.

Attualmente, i substrati per circuiti stampati ad alta frequenza più comunemente utilizzati sono principalmente resine a base di fluoro, resine di polifenilene etere (PPO o PPE) e resine epossidiche modificate. I substrati dielettrici a base di fluoro, come il politetrafluoroetilene (PTFE), presentano le proprietà dielettriche più basse e sono solitamente utilizzati sopra i 5 GHz. Esistono anche substrati epossidici modificati FR-4 o PPO.

Oltre alla resina e agli altri materiali isolanti sopra menzionati, anche la rugosità superficiale (profilo) del rame del conduttore è un fattore importante che influenza la perdita di trasmissione del segnale, che è influenzata dall'effetto pelle (SkinEffect). L'effetto pelle è l'induzione elettromagnetica generata nel filo durante la trasmissione di segnali ad alta frequenza, e l'induttanza è elevata al centro della sezione del filo, quindi la corrente o il segnale tende a concentrarsi sulla superficie del filo. La rugosità superficiale del conduttore influisce sulla perdita del segnale di trasmissione, e la perdita di superficie liscia è minima.

A parità di frequenza, maggiore è la rugosità della superficie del rame, maggiore è la perdita di segnale. Pertanto, nella produzione effettiva, cerchiamo di controllare il più possibile la rugosità dello spessore superficiale del rame. La rugosità deve essere la più piccola possibile senza influire sulla forza di legame. Soprattutto per segnali nell'intervallo superiore a 10 GHz. A 10 GHz, la rugosità della lamina di rame deve essere inferiore a 1 μm ed è preferibile utilizzare una lamina di rame superplanare (rugosità superficiale 0,04 μm). La rugosità superficiale della lamina di rame deve inoltre essere combinata con un adeguato trattamento di ossidazione e un sistema di resina legante. Nel prossimo futuro, sarà disponibile una lamina di rame rivestita in resina quasi priva di contorni, che può avere una maggiore resistenza al distacco e non influirà sulla perdita dielettrica.