IMPORTANZA DEL CTE LAMINATO NELLA PROGETTAZIONE DI CIRCUITI STAMPATI

consiglio

Tutti i materiali si espandono e si contraggono con il cambiamento di temperatura, questo è chiamato Coefficiente di espansione termica (CTE). Il CTE è espresso come parti per milione di variazione per grado C indicato come (ppm/°C). Dove e come il laminato si espande influenza il funzionamento del circuito stampato in diversi modi.

L'espansione x-y del piano superficiale ha serie conseguenze se i componenti sono sensibili all'espansione del PCB su cui sono saldati. I componenti come i grandi pacchetti di chip di silicio (LBGA), possono danneggiare i giunti di saldatura poiché il PCB si espande ad un tasso più alto (18 ppm/°C) rispetto al grande chip di silicio che si espande solo a 6 ppm/°C. Il ripetuto disallineamento nell'espansione creerà forze di taglio sui giunti di saldatura che causeranno stress e microcricche nel tempo e dopo un numero sufficiente di cicli di test termici (tipicamente da -65°C a +125°C) alla fine porterà all'indurimento della saldatura e alla rottura dei giunti di saldatura stessi. La risultante funzionalità intermittente del dispositivo è inaccettabile in situazioni termiche esigenti ad alta affidabilità come i sistemi di armi militari o i dispositivi medici.

I cambiamenti di temperatura possono anche essere esacerbati da un'estrema sovratemperatura (cioè il superamento della temperatura di transizione vetrosa - Tg) su un certo numero di cicli di riscaldamento, come troppi cicli di saldatura durante l'assemblaggio. Esempio un ciclo termico eccessivo per saldare il pcb, un ciclo di temperatura eccessiva per saldare i chip e un terzo ciclo termico eccessivo per saldare i grandi condensatori. Nella fabbricazione e nell'assemblaggio del PCB, limitare i cicli termici oltre la Tg è molto importante in quanto influenza il numero dei futuri cicli termici operativi. I test hanno dimostrato che tre cicli termici di assemblaggio sopra Tg equivalgono a più di 1000 cicli termici futuri a 80° C.

Ci sono laminati CTE x-y più bassi che possono ridurre l'espansione del PCB e ridurre la possibilità di rottura del giunto di saldatura. L'altro metodo è quello di controllare la temperatura e il numero di cicli termici ad alta e bassa temperatura a cui il PCB sarà esposto attraverso scelte migliori nel cabinet e nei metodi di raffreddamento.

Cricche da stress termico nell'assemblaggio di PCB

Un'altra area in cui il CTE del PCB può influenzare l'affidabilità dell'assemblaggio del PCB è l'incrinatura da stress termico della placcatura di rame delle vie, con ripetuti cicli termici.

L'espansione dei materiali PCB è volumetrica per aumento di temperatura, tuttavia la costruzione del laminato è tale che l'espansione x-y e l'asse z sono significativamente diversi.

Il tessuto di vetro di contenimento nel laminato, impedisce alla resina di espandersi isotropicamente (la stessa quantità in tutte le direzioni) quindi l'espansione x, y sarà significativamente inferiore all'asse z

L'espansione di volume della resina, (il vetro non si espande di molto) è controllata dall'alto modulo di Young (forza della forza di espansione) del vetro più forte laminato all'interno degli strati del circuito x-y. Questo significa semplicemente che la resina è limitata dal muoversi sull'asse x-y dalla minore velocità di espansione del laminato di vetro, quindi deve espandersi sull'asse z. Sfortunatamente, questo significa che la resina si espanderà molto di più nell'asse z non vincolato e applicherà uno stress al rame placcato nelle vie.

Il coefficiente di espansione termica dell'asse z aumenta bruscamente (da quattro a quattordici volte quello dell'asse x-y) quando la temperatura sale vicino alla Tg. In un tipico laminato PCB questo significa che l'asse z si espande da 50 a 200 ppm/ °C alla Tg, rispetto ai 15 ppm/ °C dell'asse x-y.

Un tipico circuito stampato multistrato ha un CTE di 16-18 ppm/°C. Il CTE più basso del PCB per qualsiasi sistema resina/fibra sarà quasi sempre quello con la concentrazione di resina più bassa. È possibile fare laminati con CTE molto bassi. Fare attenzione nella scelta del laminato e dei preimpregnati che non soffriranno di fame di resina. L'inedia è la mancanza di resina per fluire e riempire completamente le lacune del modello di rame dello strato interno. Vari sistemi di laminato sono stati progettati per controllare il CTE dell'asse z, alcuni hanno avuto successo ma molti no, quelli che hanno funzionato come il Kevlar sono molto costosi e la disponibilità è scarsa.

Tuttavia, esiste un metodo più semplice per limitare la fessurazione delle vie, all'interno di PCB ad alta affidabilità.

La resina dell'asse z si espande senza restrizioni delle fibre di vetro. Questa espansione ha abbastanza forza (modulo di Youngs) che con un gran numero di cicli termici la pressione esercitata dalla resina in espansione si incrinerà e strapperà la sottile placcatura di rame del via e creerà una crepa di tensione che porterà a un'apertura intermittente o elettrica attraverso il via. L'espansione dell'asse z aumenta di più man mano che la temperatura si avvicina a T/g fino a più del doppio di quello che era prima, fino a 120 ppm/°C.

Il rame in un foro passante placcato deve avere abbastanza duttilità o si romperà durante i normali cicli termici. La duttilità è la capacità del rame di allungarsi e restringersi con la pressione. Questo è testato e strettamente controllato all'interno del bagno di ramatura. Tuttavia, quando un PCB è sottoposto a grandi forze di espansione di 120 ppm/°C, c'è troppo poco rame nella via per allungarsi completamente sull'asse z. Dopo alcuni cicli, il rame comincerà a indurirsi attraverso lo stiramento e la sua duttilità comincerà a diminuire. Il risultato è la rottura dei fori passanti placcati e il sollevamento del pad.

C'è comunque una semplice soluzione per questo problema di affidabilità, placcare un po' più di rame nel via. Attraverso dei test si è scoperto che una via di rame lunga 0,059 pollici con uno spessore di rame di oltre 1,5 once di placcatura è ora meccanicamente abbastanza forte da resistere fisicamente e fermare la pressione dei moduli di Young inferiore della resina in espansione. Iniziando con un rame di base più sottile, cioè ¼ di oz o meno, il poco rame extra placcato nel foro e nelle tracce di superficie non viene notato. Sui PCB più spessi di .093 e oltre è necessario ancora più rame nella via per fermare la rottura se esposta a grandi temperature del ciclo termico.

Il rame leggermente più spesso che ne risulta nelle vias ha dimostrato di superare oltre 3000 cicli di espansione termica, migliorando notevolmente l'affidabilità dei cicli termici.

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