Tous les matériaux se dilatent et se contractent avec les changements de température, c'est ce qu'on appelle le coefficient de dilatation thermique (CTE). Le CTE est exprimé en parties par million de changement par degré C (ppm/°C). L'endroit et la manière dont le stratifié se dilate affectent le fonctionnement du circuit imprimé de différentes manières.
La dilatation x-y du plan de surface a de graves conséquences si des composants sont sensibles à la dilatation du PCB sur lequel ils sont soudés. Les composants tels que les grands boîtiers de puce en silicium (LBGA) peuvent endommager les joints de soudure car le PCB se dilate à un taux plus élevé (18 ppm/°C) que la grande puce en silicium qui se dilate à seulement 6 ppm/°C. Le décalage répété de la dilatation crée des forces de cisaillement sur les joints de soudure, ce qui provoque des contraintes et des microfissures au fil du temps. Après un nombre suffisant de cycles de tests thermiques (généralement de -65°C à +125°C), cela conduit finalement à un durcissement de la soudure et à la fissuration des joints de soudure eux-mêmes. La fonctionnalité intermittente du dispositif qui en résulte est inacceptable dans des situations thermiques exigeantes et de haute fiabilité telles que les systèmes d'armes militaires ou les dispositifs médicaux.
Les changements de température peuvent également être exacerbés par une surchauffe extrême (c'est-à-dire le dépassement de la température de transition vitreuse - Tg) sur un certain nombre de cycles de chauffage, comme par exemple un trop grand nombre de cycles de soudage pendant l'assemblage. Exemple : un cycle de surchauffe pour souder le PCB à la vague, un cycle de surchauffe pour souder les puces et un troisième cycle de surchauffe pour souder les gros condensateurs. Lors de la fabrication et de l'assemblage du PCB, la limitation des cycles thermiques au-dessus de Tg est très importante car elle affecte le nombre de cycles thermiques de fonctionnement futurs. Des tests ont montré que trois cycles thermiques d'assemblage au-dessus de Tg sont équivalents à plus de 1000 cycles thermiques futurs à 80°C.
Il existe des stratifiés à faible coefficient de transfert x-y qui peuvent réduire la dilatation du circuit imprimé et diminuer le risque de fissuration des joints de soudure. L'autre méthode consiste à contrôler la température et le nombre de cycles thermiques de haute et de basse température auxquels le circuit imprimé sera exposé en choisissant mieux l'armoire et les méthodes de refroidissement.
Fissuration sous contrainte thermique dans l'assemblage des PCB
Un autre domaine dans lequel le CTE du PCB peut affecter la fiabilité de l'assemblage du PCB est la fissuration par contrainte thermique du placage de cuivre des via, avec des cycles thermiques répétés.
La dilatation des matériaux du PCB est volumétrique en fonction de l'augmentation de la température, mais la construction du stratifié est telle que la dilatation x-y et l'axe z sont sensiblement différents.
Le tissu de verre de retenue dans le stratifié empêche la résine de se dilater de manière isotrope (la même quantité dans toutes les directions). Par conséquent, la dilatation en x et y sera nettement inférieure à celle de l'axe z.
L'expansion du volume de la résine (le verre ne se dilate pas beaucoup) est contrôlée par le module de Young élevé (force de la dilatation) du verre plus résistant laminé dans les couches du circuit x-y. Cela signifie simplement que la résine ne peut pas se déplacer dans l'axe x-y en raison du taux de dilatation plus faible du verre laminé. Cela signifie simplement que la résine ne peut pas se déplacer dans l'axe x-y en raison du taux d'expansion plus faible du verre stratifié. Malheureusement, cela signifie que la résine se dilatera beaucoup plus dans l'axe z non contraint et appliquera une contrainte sur le cuivre plaqué dans les vias.
Le coefficient de dilatation thermique de l'axe z augmente fortement (jusqu'à quatre à quatorze fois celui de l'axe x-y) lorsque la température s'approche de la Tg. Dans un stratifié de PCB typique, cela signifie que l'axe z se dilate de 50 à 200 ppm/°C à la Tg, par rapport à 15 ppm/°C dans l'axe x-y.
Un circuit imprimé multicouche typique a un CDT de 16-18 ppm/°C. Le CTE le plus faible d'un circuit imprimé, quel que soit le système résine/fibre, sera presque toujours celui dont la concentration en résine est la plus faible. Il est possible de fabriquer des stratifiés dont le CDT est très faible. Il faut faire attention à la sélection des stratifiés et des préimprégnés qui ne souffriront pas d'un manque de résine. La carence en résine est le manque de résine pour s'écouler et remplir complètement les espaces du motif en cuivre de la couche interne. Différents systèmes de stratifiés ont été conçus pour contrôler le CTE sur l'axe Z. Quelques-uns ont réussi, mais beaucoup n'ont pas réussi. Ceux qui ont fonctionné, comme le Kevlar, sont très chers et peu disponibles.
Cependant, il existe une méthode plus simple pour limiter la fissuration des via, dans les circuits imprimés de haute fiabilité.
La résine de l'axe Z se dilate sans restriction des fibres de verre. Cette expansion a suffisamment de force (module de Young) pour qu'avec un grand nombre de cycles thermiques, la pression exercée par la résine en expansion se fissure et déchire le mince placage de cuivre du via et crée une fissure de contrainte entraînant une ouverture intermittente ou électrique à travers le via. L'expansion de l'axe z augmente davantage à mesure que la température approche de T/g pour atteindre plus du double de ce qu'elle était auparavant, jusqu'à 120 ppm/°C.
Le cuivre d'un trou traversant plaqué doit avoir une ductilité suffisante, sinon il se fissurera lors des cycles thermiques normaux. La ductilité est la capacité du cuivre à s'étirer et à se rétracter sous la pression. Elle est testée et strictement contrôlée dans le bain de cuivre. Cependant, lorsqu'un circuit imprimé est soumis à des forces de dilatation importantes de 120 ppm/°C, il y a trop peu de cuivre dans le via pour qu'il puisse s'étirer complètement dans l'axe Z. Après quelques cycles, le cuivre se fissure. Après quelques cycles, le cuivre commence à se durcir par étirement et sa ductilité commence à diminuer. Il en résulte des trous traversants plaqués fissurés et un soulèvement du tampon.
Il existe cependant une solution simple à ce problème de fiabilité : plaquer un peu plus de cuivre dans le via. Des tests ont montré qu'un via en cuivre de 0,059 pouces de long avec une épaisseur de cuivre de plus de 1,5 oz de placage est maintenant suffisamment fort mécaniquement pour résister physiquement et arrêter la pression des modules de Young inférieurs de la résine en expansion. En commençant avec un cuivre de base plus fin, c'est-à-dire ¼ oz ou moins, le peu de cuivre supplémentaire plaqué dans le trou et les pistes de surface n'est pas remarqué. Sur les PCB plus épais de 0,093 et plus, il faut encore plus de cuivre dans le via pour empêcher la fissuration en cas d'exposition à des températures de cycle thermique élevées.
Il a été démontré que le cuivre légèrement plus épais qui en résulte dans les vias résiste à plus de 3000 cycles de dilatation thermique, ce qui améliore considérablement la fiabilité des cycles thermiques.
