印制电路板设计中层压板的重要性

董事会

所有材料都会随着温度变化而膨胀和收缩,这被称为热膨胀系数(CTE)。CTE表示为每摄氏度的百万分之一变化,表示为(ppm/°C)。层压板膨胀的位置和方式会以不同的方式影响印刷电路板的操作。

如果任何元件对其所焊接的PCB的膨胀敏感,那么表面平面的X-Y膨胀会产生严重的后果。诸如大型硅芯片封装(LBGA)等元件会损坏焊点,因为PCB的膨胀率(18 ppm/°C)高于大型硅芯片的膨胀率(仅6 ppm/°C)。膨胀的反复不匹配将在焊点上产生剪切力,随着时间的推移,将导致应力和微裂纹,经过足够数量的热测试周期(通常为-65°C至+125°C),最终将导致焊料的工作硬化和焊点本身的裂纹。由此产生的间歇性设备功能在要求高可靠性的热情况下是不可接受的,如军事武器系统或医疗设备。

温度变化也会因若干次加热循环中的极端过温(即超过玻璃转化温度--Tg)而加剧,例如在组装过程中的太多焊接循环。例如一个热过循环来波峰焊PCB,一个过温循环来焊接芯片,第三个过热循环来焊接大电容。在PCB的制造和组装过程中,限制超过Tg的热循环是非常重要的,因为它影响到未来操作热循环的数量。测试表明,三次超过Tg的热装配循环相当于未来1000多次热循环到80摄氏度。

有一些较低的X-Y CTE层压板,可以减少PCB的膨胀,减少焊点开裂的机会。另一种方法是通过改进柜子和冷却方法的选择来控制温度和PCB将接触的热高低温循环的次数。

PCB组装中的热应力裂纹

PCB的CTE可能影响PCB组装的可靠性的另一个领域是通孔铜镀层的热应力开裂,反复热循环。

PCB材料的膨胀是由温度上升带来的体积膨胀,然而层压板的结构是这样的,X-Y膨胀,和Z轴是明显不同的。

层压板中的限制性玻璃纤维,阻止了树脂的各向同性膨胀(在所有方向上的数量相同),因此X、Y轴的膨胀将明显小于Z轴的膨胀。

树脂的体积膨胀,(玻璃不会膨胀很多)是由X-Y电路层内较强的玻璃层的高杨氏模量(膨胀力的强度)所控制。这就意味着,由于玻璃层的膨胀率较低,树脂在X-Y轴上的移动受到限制,因此它必须在Z轴上膨胀。不幸的是,这意味着树脂在无限制的Z轴上的膨胀率会大大增加,并会对通孔中的电镀铜施加应力。

当温度上升到接近Tg时,Z轴的热膨胀系数急剧增加(多达X-Y轴的4至14倍)。在一个典型的PCB层压板中,这意味着Z轴在Tg时的膨胀率为50至200ppm/℃,而X-Y轴的膨胀率为15ppm/℃。

一个典型的多层印刷电路板的CTE为16-18ppm/°C。任何树脂/纤维系统的印刷电路板的最低CTE几乎总是具有最低的树脂浓度。制作CTE非常低的层压板是可能的。在选择层压板和预浸料时要小心谨慎,不要出现树脂饥饿的情况。饿死是指缺乏树脂流动,无法完全填充内层铜板的缝隙。为了控制Z轴的CTE,设计了各种层压板系统,有一些是成功的,但很多都不成功,那些成功的层压板如Kevlar是非常昂贵的,而且可用性很差。

然而,确实存在一种更容易的方法来限制通孔开裂,在高可靠性的PCB中。

Z轴树脂不受玻璃纤维的限制而膨胀。这种膨胀有足够的力量(杨氏模量),在大量的热循环中,膨胀的树脂所施加的压力会裂开,并将薄的铜通孔镀层撕开,形成应力裂缝,导致通孔间歇性地或电性地打开。当温度接近T/g时,Z轴的膨胀会增加更多,达到之前的两倍以上,高达120ppm/℃。

电镀通孔中的铜必须有足够的延展性,否则在正常的热循环中会开裂。延展性是指铜在压力下拉伸和收缩的能力。这一点在镀铜液中是经过测试和严格控制的。然而,当一块PCB受到120ppm/°C的巨大膨胀力时,通孔中的铜太少,无法在Z轴上完全伸展。经过几个周期后,铜将开始通过拉伸而变硬,其延展性也开始降低。其结果是电镀通孔开裂和垫子抬起。

然而,对于这个可靠性问题有一个简单的解决办法,就是在通孔中多镀一点铜。通过测试发现,一个0.059英寸长的铜通孔,其铜镀层厚度超过1.5盎司,现在的机械强度足以在物理上抵抗和阻止膨胀树脂的低杨氏模块压力。从较薄的基础铜开始,即1/4盎司或更少,在孔和表面轨道上的一点额外的铜镀层就不会被注意到。在0.093及以上的较厚的PCB上,如果暴露在较大的热循环温度下,甚至需要更多的铜来阻止裂纹。

由此产生的通孔中稍厚的铜已被证明可以通过3000次以上的热膨胀循环,大大提高了热循环的可靠性。

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