Новые технологии печатных плат со встроенными компонентами

Технология встраивания электронных компонентов внутрь структуры печатного узла известна еще с 1960-х годов и тем не менее до сих пор стремительно развивается. Известны практические результаты по успешному встраиванию как активных, так и пассивных компонентов. Главной целью данной технологии является тенденция микроминиатюризации современных устройств, с сохранением тактико-технических характеристик изделия, учет целостности сигнала, повышение надежности и качества изделия. Основными проблемами при реализации конструкции печатного узла с конструкторской точки зрения является правильный выбор элементной базы по габаритам и характеристикам, так как после процесса изготовления такой печатной платы не будет возможности провести доработку печатного узла по замене встроенного компонента. Но тем не менее, учитывая массовый характер производимой современной электронной продукции, возможно замена всей печатной платы или модуля, реализованная по технологии встраивания компонентов. Кроме того, с технологической точки зрения следует иметь ввиду теплопередачу энергии от встроенных компонентов во внешнюю среду, герметизации этих компонентов, а также влияния процессов прессования и нагревания встроенных компонентов в процессе прессования печатной платы.

Ученые из Польши: Wojciech Stęplewski, Kamil Janeczek, Aneta Chołaj, Marek Kościelski (Łukasiewicz Research Network, Tele and Radio Research Institute, Ul. Ratuszowa 11, 03‑450 Warsaw, Poland); Andrzej Rybak, Marcin Bialas, Mariusz Wojcik (ABB Corporate Technology Center, Ul. Starowiślna 13A, 31‑038 Kraków, Poland), Andrzej Dziedzic, Dariusz Ostaszewski, Edward Ramotowski, Anna Sitek, Dorota Liszewska (Faculty of Electronics, Photonics and Microsystems, Wrocław University of Science and Technology, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50‑370 Wrocław, Poland), - для решения указанных выше проблем предложили технологию заполнения внутреннего пространства печатной платы, где расположены встроенные компоненты, специальным герметизирующим материалом. Были проведены структурный и тепловой анализы для оценки возможности применения данных герметизирующих материалов для реализации надежной электронной аппаратуры.

В качестве материала основания печатной платы был выбран материал типа FR4 ISOLA DE104 ML и препрег типа 106—ISOLA DE104 ML. Перечень исследуемых герметизирующих материалов приведен в таблице.

Name Base Color/appearance Viscosity at 20 oC
DIN EN ISO 3219
Component A
Component B
Mixture
Density at 20 oC
DIN EN ISO 2811–1
Component A
Component B
Mixture
Pot life of mixture
at 18–23 oC
(initial temp. 20 oC,
set-up quantity 500 g)
double/tenfold viscosity
VU 4045 NV Epoxy resin (ER) Black 1100 ± 150 mPa s
8000 ± 1000 mPa s
1800 ± 250 mPa s
1.87 ± 0.05 g/cm3
1.19 ± 0.05 g/cm3
1.66 ± 0.05 g/cm3
Approx. 2–3.5 h temperature increase of approx. 9 oC
VU 4085 NV Epoxy resin (ER) Brown 1100 ± 150 mPa s
5500 ± 500 mPa s
1600 ± 250 mPa s
1.87 ± 0.05 g/cm3
1.19 ± 0.05 g/cm3
1.66 ± 0.05 g/cm3
Approx. 2–3.5 h temperature increase of approx. 9 oC
VU 4675 Silicone (SR) Gray 5000 ± 1000 mPa s
5000 ± 1000 mPa s
5000 ± 1000 mPa s
2.10 ± 0.05 g/cm3
2.20 ± 0.05 g/cm3
2.15 ± 0.05 g/cm3
100 ± 10 min
180 ± 20 min
VU 4694 E Silicone (SR) White 4700 ± 500 mPa s
30 ± 10 mPa s
4000 ± 700 mPa s
1,45 ± 0,05 g/cm3
0,97 ± 0,05 g/cm3
1,42 ± 0,05 g/cm3
55 ± 10 min
90 ± 10 min

Как показали результаты исследования наилучшие результаты были достигнуты с применением герметизирующего материала VU 4694 E (см. рисунок 1-4), что связано с лучшими техническими характеристиками: эластичность, хорошая усадка и заполняемость внутреннего пространства с образованием незначительного количества пустот и воздушных зазоров между электронными компонентами и элементами печатного монтажа.

Силиконовый наполнитель VU 4694 E

Рисунок 1- Эпоксидный наполнитель VU 4045 NV

Силиконовый наполнитель VU 4694 E

Рисунок 2- Эпоксидный наполнитель VU 4085 NV

Силиконовый наполнитель VU 4694 E

Рисунок 3- Силиконовый наполнитель VU 4675

Силиконовый наполнитель VU 4694 E

Рисунок 4- Силиконовый наполнитель VU 4694 E

Первоначальные исследования применения силиконовых наполнителей взамен эпоксидных при изготовлении печатных плат со встроенными компонентами показали огромный потенциал для применения данной технологии в различных областях радиоэлектронной промышленности. Это связано с хорошей совместимостью силиконовых наполнителей с традиционными материалами для изготовления печатных плат, таких как FR4, высокой надежностью реализуемой конструкции печатной платы, а также отсутствие каких-либо дефектов паянных соединений у встроенных компонентов.