BEDEUTUNG VON LAMINAT-CTE BEI DER ENTWICKLUNG VON LEITERPLATTEN

Vorstand

Alle Materialien dehnen sich bei Temperaturänderungen aus und ziehen sich zusammen; dies wird als Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) bezeichnet. Der WAK wird als Änderung in Teilen pro Million Teile pro Grad Celsius ausgedrückt (ppm/°C). Wo und wie sich das Laminat ausdehnt, beeinflusst den Betrieb der Leiterplatte auf unterschiedliche Weise.

Die x-y-Ausdehnung der Oberflächenebene hat schwerwiegende Folgen, wenn Bauteile empfindlich auf die Ausdehnung der Leiterplatte reagieren, auf die sie gelötet werden. Bauteile wie große Siliziumchip-Gehäuse (LBGAs) können die Lötstellen beschädigen, da sich die Leiterplatte mit einer höheren Rate (18 ppm/°C) ausdehnt als der große Siliziumchip, der sich mit nur 6 ppm/°C ausdehnt. Die wiederholte unterschiedliche Ausdehnung führt zu Scherkräften an den Lötstellen, die im Laufe der Zeit Spannungen und Mikrorisse verursachen. Nach einer ausreichenden Anzahl von thermischen Testzyklen (typischerweise -65°C bis +125°C) führt dies schließlich zur Aushärtung des Lots und zu Rissen in den Lötstellen selbst. Die daraus resultierende intermittierende Gerätefunktionalität ist in anspruchsvollen thermischen Situationen mit hoher Zuverlässigkeit, wie z. B. bei militärischen Waffensystemen oder medizinischen Geräten, inakzeptabel.

Die Temperaturschwankungen können auch durch extreme Übertemperaturen (d.h. Überschreiten der Glasübergangstemperatur - Tg) über eine Reihe von Heizzyklen, wie z.B. zu viele Lötzyklen während der Montage, verschlechtert werden. Beispiel: ein Übertemperaturzyklus zum Wellenlöten der Leiterplatte, ein Übertemperaturzyklus zum Löten der Chips und ein dritter Übertemperaturzyklus zum Löten der großen Kondensatoren. Bei der Herstellung und Montage der Leiterplatte ist die Begrenzung der Temperaturzyklen über Tg sehr wichtig, da sie die Anzahl der künftigen thermischen Betriebszyklen beeinflusst. Tests haben gezeigt, dass drei thermische Montagezyklen über Tg mehr als 1.000 zukünftigen thermischen Zyklen bei 80 Grad Celsius entsprechen.

Es gibt Laminate mit niedrigerem x-y-Widerstandskoeffizienten, die die Ausdehnung der Leiterplatte und die Gefahr von Rissen in den Lötstellen verringern können. Eine andere Methode besteht darin, die Temperatur und die Anzahl der thermischen Hoch-Tief-Temperaturzyklen, denen die Leiterplatte ausgesetzt ist, durch eine bessere Auswahl des Gehäuses und der Kühlmethoden zu kontrollieren.

Thermische Spannungsrisse in der Leiterplattenmontage

Ein weiterer Bereich, in dem sich der WAK der Leiterplatte auf die Zuverlässigkeit der Baugruppe auswirken kann, ist die thermische Spannungsrissbildung in der Kupferbeschichtung der Durchkontaktierung bei wiederholten thermischen Zyklen.

Die Ausdehnung von PCB-Materialien erfolgt volumetrisch durch den Temperaturanstieg, jedoch ist der Laminataufbau so beschaffen, dass die x-y-Ausdehnung und die z-Achse deutlich unterschiedlich sind.

Das restriktive Glasgewebe im Laminat verhindert, dass sich das Harz isotrop ausdehnt (in alle Richtungen gleich stark), so dass die Ausdehnung in x- und y-Richtung deutlich geringer ist als in z-Richtung.

Die Volumenausdehnung des Harzes (Glas dehnt sich nur wenig aus) wird durch das hohe Elastizitätsmodul (Stärke der Ausdehnungskraft) des stärkeren Glases gesteuert, das in die x-y-Schaltkreisschichten laminiert ist. Das bedeutet einfach, dass das Harz durch die geringere Ausdehnungsrate des Glaslaminats an einer Bewegung in der x-y-Achse gehindert wird und sich daher in der z-Achse ausdehnen muss. Leider bedeutet dies, dass sich das Harz in der ungehinderten z-Achse wesentlich stärker ausdehnt und das Kupfer in den Durchkontaktierungen unter Spannung setzt.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient der z-Achse steigt stark an (bis zum Vier- bis Vierzehnfachen der x-y-Achse), wenn die Temperatur in die Nähe der Tg steigt. Bei einem typischen Leiterplattenlaminat bedeutet dies, dass sich die z-Achse bei der Tg um 50 bis 200 ppm/°C ausdehnt, verglichen mit 15 ppm/°C in der x-y-Achse.

Eine typische mehrlagige Leiterplatte hat einen WAK von 16-18 ppm/°C. Der niedrigste WAK einer Leiterplatte für ein beliebiges Harz-/Fasersystem ist fast immer derjenige mit der niedrigsten Harzkonzentration. Es ist möglich, Laminate mit sehr niedrigen WAKs herzustellen. Achten Sie bei der Auswahl von Laminaten und Prepregs darauf, dass sie nicht unter Harzmangel leiden. Harzmangel bedeutet, dass das Harz nicht fließt und die Lücken in der inneren Schicht des Kupfermusters nicht vollständig ausfüllt. Verschiedene Laminatsysteme wurden entwickelt, um den z-Achsen-Widerstandswiderstand zu kontrollieren. Einige wenige waren erfolgreich, viele jedoch nicht, und diejenigen, die funktionierten, wie Kevlar, sind sehr teuer und schlecht verfügbar.

Es gibt jedoch eine einfachere Methode zur Begrenzung der Rissbildung bei hochzuverlässigen Leiterplatten.

Das Harz der Z-Achse dehnt sich ohne Einschränkung durch die Glasfasern aus. Diese Ausdehnung hat eine so große Kraft (Youngs-Modul), dass bei einer großen Anzahl von thermischen Zyklen der durch das sich ausdehnende Harz ausgeübte Druck die dünne Kupferdurchkontaktierung zerreißt und einen Spannungsriss erzeugt, der zu einer unterbrochenen oder offenen elektrischen Verbindung durch die Durchkontaktierung führt. Die Ausdehnung in der z-Achse nimmt mit zunehmender Temperatur auf mehr als das Doppelte zu, nämlich bis zu 120 ppm/°C.

Das Kupfer in einer durchkontaktierten Bohrung muss eine ausreichende Duktilität aufweisen, da es sonst bei normalen Temperaturschwankungen reißen würde. Duktilität ist die Fähigkeit des Kupfers, sich unter Druck zu dehnen und zu schrumpfen. Dies wird im Kupferbad getestet und streng kontrolliert. Wenn eine Leiterplatte jedoch großen Ausdehnungskräften von 120 ppm/°C ausgesetzt ist, ist zu wenig Kupfer im Via vorhanden, um sich vollständig in der Z-Achse zu dehnen. Nach einigen Zyklen beginnt das Kupfer durch die Dehnung zu verfestigen und seine Duktilität nimmt ab. Das Ergebnis sind rissige Durchkontaktierungen und ein Abheben des Pads.

Es gibt jedoch eine einfache Lösung für dieses Zuverlässigkeitsproblem, Platte ein wenig mehr Kupfer in der via. Durch Tests wurde festgestellt, dass ein Kupfer über .059 Zoll lang mit einer Kupferstärke von über 1,5 oz. der Beschichtung jetzt mechanisch stark genug ist, um physikalisch zu widerstehen und stoppen die unteren Young's Module Druck des expandierenden Harzes. Wenn man mit dünnerem Basiskupfer, d.h. ¼ Unze oder weniger, beginnt, wird das bisschen zusätzliches Kupfer, das in den Löchern und Oberflächenbahnen plattiert ist, nicht bemerkt. Auf dickeren Leiterplatten von 0,093 und mehr ist noch mehr Kupfer in der Durchkontaktierung erforderlich, um Rissbildung zu verhindern, wenn sie hohen thermischen Zyklustemperaturen ausgesetzt ist.

Das daraus resultierende etwas stärkere Kupfer in den Durchkontaktierungen übersteht nachweislich mehr als 3.000 thermische Ausdehnungszyklen, was die Zuverlässigkeit bei thermischen Zyklen erheblich verbessert.

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