ZNACZENIE LAMINATU CTE W PROJEKTOWANIU OBWODÓW DRUKOWANYCH

forum

Wszystkie materiały rozszerzają się i kurczą wraz ze zmianą temperatury, nazywa się to współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE). Współczynnik rozszerzalności cieplnej wyraża się w częściach na milion zmian na stopień C, co oznacza się jako (ppm/°C). To, gdzie i jak rozszerza się laminat, wpływa na działanie płytki drukowanej na różne sposoby.

Rozszerzanie się płaszczyzny powierzchni x-y ma poważne konsekwencje, jeśli jakiekolwiek komponenty są wrażliwe na rozszerzanie się płytki PCB, do której są przylutowane. Komponenty takie jak duże pakiety układów krzemowych (LBGA) mogą uszkodzić złącza lutowane, ponieważ PCB rozszerza się z większą szybkością (18 ppm/°C) niż duży układ krzemowy, który rozszerza się z szybkością tylko 6 ppm/°C. Powtarzające się niedopasowanie rozszerzalności spowoduje powstanie sił ścinających na złączach lutowniczych, które z czasem spowodują naprężenia i mikropęknięcia, a po wystarczającej liczbie cykli testów termicznych (typowo od -65°C do +125°C) doprowadzi do utwardzenia lutu i pęknięcia samych złączy lutowniczych. Wynikająca z tego przerywana funkcjonalność urządzenia jest nie do przyjęcia w wymagających wysokiej niezawodności sytuacjach termicznych, takich jak wojskowe systemy uzbrojenia lub urządzenia medyczne.

Zmiany temperatury mogą być również nasilone przez ekstremalne przekroczenie temperatury (tj. przekroczenie temperatury zeszklenia - Tg) w wielu cyklach grzewczych, takich jak zbyt wiele cykli lutowania podczas montażu. Przykład: jeden cykl termiczny do lutowania na fali płyty pcb, jeden cykl temperaturowy do lutowania układów scalonych i trzeci cykl termiczny do lutowania dużych kondensatorów. W produkcji i montażu płyt PCB, ograniczenie liczby cykli termicznych powyżej Tg jest bardzo ważne, ponieważ wpływa na liczbę przyszłych roboczych cykli termicznych. Testy wykazały, że trzy termiczne cykle montażowe powyżej Tg są równoważne ponad 1000 przyszłych cykli termicznych w temperaturze 80 stopni C.

Istnieją laminaty o niższym x-y CTE, które mogą zmniejszyć rozszerzalność płytki drukowanej i ograniczyć możliwość pękania spoin lutowniczych. Inną metodą jest kontrola temperatury i liczby cykli termicznych wysokich i niskich temperatur, na które narażona jest płytka PCB, poprzez ulepszone wybory w szafie i metodach chłodzenia.

Termiczne pęknięcia naprężeniowe w montażu PCB

Innym obszarem, w którym CTE PCB może wpływać na niezawodność zespołu PCB, jest termiczne pękanie naprężeniowe miedzianej powłoki przelotowej przy powtarzających się cyklach termicznych.

Rozszerzalność materiałów PCB jest objętościowa w zależności od wzrostu temperatury, jednak konstrukcja laminatu jest taka, że rozszerzalność w osi x-y, oraz w osi z jest znacząco różna.

Ograniczająca tkanina szklana w laminacie zapobiega izotropowemu rozszerzaniu się żywicy (taka sama ilość we wszystkich kierunkach), dlatego rozszerzalność w osiach x, y będzie znacznie mniejsza niż w osi z.

Rozszerzalność objętościowa żywicy (szkło nie rozszerza się zbytnio) jest kontrolowana przez wysoki moduł Younga (siłę rozprężania) mocniejszego szkła laminowanego w warstwach obwodu x-y. Oznacza to po prostu, że żywica nie może poruszać się w osi x-y ze względu na niższy współczynnik rozszerzalności laminatu szklanego, dlatego musi rozszerzać się w osi z. Oznacza to po prostu, że żywica nie może poruszać się w osi x-y ze względu na niższy współczynnik rozszerzalności laminatu szklanego, dlatego też musi rozszerzać się w osi z. Niestety, oznacza to, że żywica rozszerzy się znacznie bardziej w nieutrudnionej osi z i spowoduje naprężenia na miedzi w przelotkach.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej osi z gwałtownie wzrasta (nawet cztero- lub czternastokrotnie w stosunku do osi x-y), gdy temperatura zbliża się do Tg. W typowym laminacie PCB oznacza to, że oś z rozszerza się od 50 do 200 ppm/ °C w temperaturze Tg, w porównaniu do 15 ppm/ °C w osi x-y.

Typowa wielowarstwowa płytka drukowana ma CTE na poziomie 16-18 ppm/°C. Najniższy współczynnik CTE płytki drukowanej dla każdego systemu żywica/włókno prawie zawsze będzie występował przy najniższym stężeniu żywicy. Możliwe jest wykonanie laminatów o bardzo niskim CTE. Należy uważać przy wyborze laminatów i prepregów, które nie będą cierpiały na głód żywiczny. Głodówka polega na tym, że żywica nie jest w stanie spłynąć i w pełni wypełnić szczelin w warstwie wewnętrznej. Różne systemy laminatów zostały zaprojektowane w celu kontroli CTE osi z, kilka z nich odniosło sukces, ale wiele nie, te które się sprawdziły, takie jak Kevlar są bardzo drogie, a ich dostępność jest niewielka.

Istnieje jednak łatwiejsza metoda ograniczenia pękania przelotek w płytach PCB o wysokiej niezawodności.

Żywica w osi z rozszerza się bez ograniczeń ze strony włókien szklanych. Rozszerzalność ta ma na tyle dużą siłę (moduł Youngsa), że przy dużej liczbie cykli termicznych ciśnienie wywierane przez rozszerzającą się żywicę spowoduje pęknięcie i rozerwanie cienkiej miedzianej przelotki i powstanie pęknięcia naprężeniowego, prowadzącego do przerwania lub przerwania przepływu prądu przez przelotkę. Rozszerzalność osi z wzrasta wraz z temperaturą zbliżającą się do T/g do ponad dwukrotności tego, co było wcześniej, aż do 120 ppm/°C.

Miedź w platerowanym otworze przelotowym musi mieć wystarczającą plastyczność, w przeciwnym razie będzie pękać podczas normalnych cykli termicznych. Plastyczność to zdolność miedzi do rozciągania i kurczenia się pod wpływem ciśnienia. Jest ona testowana i ściśle kontrolowana w kąpieli galwanicznej. Jednakże, gdy płytka PCB jest poddawana działaniu dużych sił rozszerzających rzędu 120 ppm/°C, w przelotce jest zbyt mało miedzi, aby w pełni rozciągnąć się w osi z. Po kilku cyklach, miedź zacznie twardnieć w wyniku rozciągania, a jej plastyczność zacznie się zmniejszać. Rezultatem są pęknięte otwory przelotek i unoszenie się podkładek.

Istnieje jednak proste rozwiązanie tego problemu niezawodności, należy umieścić nieco więcej miedzi w przelotce. Testy wykazały, że miedziana przelotka o długości 0,059 cala o grubości ponad 1,5 uncji miedzi jest wystarczająco mocna mechanicznie, aby fizycznie oprzeć się i zatrzymać niższe ciśnienie modułów Younga rozprężającej się żywicy. Zaczynając od cieńszej miedzi bazowej, tj. ¼ oz lub mniej, odrobina dodatkowej miedzi poszycia w otworze i ścieżek powierzchniowych nie jest zauważalna. Na grubszych PCB z .093 i powyżej nawet więcej miedzi jest potrzebne w przelotce, aby zatrzymać pękanie, jeśli narażone na duże temperatury cyklu termicznego.

Wykazano, że uzyskana w ten sposób nieco grubsza miedź w przelotkach jest w stanie przejść ponad 3000 cykli rozszerzalności cieplnej, znacznie poprawiając niezawodność w warunkach cyklicznych.

Centrum wiedzy

Fördelar i användning av värmeavledning

Fördelar i användning av värmeavledning

Jörgen Paulsson

Odkryj więcej
Co to są podkładki termiczne w płytach PCB?

Co to są podkładki termiczne w płytach PCB?

Jörgen Paulsson

Odkryj więcej
Jak uniknąć wygięć i skręceń w płytkach drukowanych

Jak uniknąć wygięć i skręceń w płytkach drukowanych

Thomas Wernsdörfer

Odkryj więcej
Proces produkcji płytek drukowanych

Proces produkcji płytek drukowanych

Proces produkcji obwodów drukowanych, czyli jak projektujemy, opracowujemy i produkujemy obwody drukowane.

Odkryj więcej
Przewodnik po surowcach do produkcji płytek drukowanych

Przewodnik po surowcach do produkcji płytek drukowanych

Przez Maysa Salameh

Odkryj więcej
Znaczenie kontroli impedancji w projektowaniu płytek drukowanych

Znaczenie kontroli impedancji w projektowaniu płytek drukowanych

Michael Schmitz

Odkryj więcej
Technologia Micro Via

Technologia Micro Via

Przez Boya van Veghela

Odkryj więcej
Znaczenie zarządzania temperaturą podczas projektowania obwodów drukowanych

Znaczenie zarządzania temperaturą podczas projektowania obwodów drukowanych

Albert Schweitzer

Odkryj więcej
Całkowity koszt posiadania rozwiązania sztywnoelastycznej płytki drukowanej Kierownik ds. zastosowań technologicznych Boy van Veghel

Całkowity koszt posiadania rozwiązania sztywnoelastycznej płytki drukowanej Kierownik ds. zastosowań technologicznych Boy van Veghel

Przez Boya van Veghela

Odkryj więcej

Jesteśmy tu, aby pomóc

Od doradztwa inżynieryjnego po wybór właściwego partnera produkcyjnego dla
- nasze doświadczenie i wiedza dają Ci właściwe rozwiązanie.

Skontaktuj się z nami i rozpocznijmy współpracę.