معامل التمدد الحراري للمادة (CTE) هو أحد الخصائص الفيزيائية للمادة. عندما تتغير درجة الحرارة، سيتغير شكل الجزء وسيتعرض للإجهاد. لا يمكننا إيقاف ذلك. جوهر صناعة أي منتج إلكتروني هو وضع الأجزاء التي تلبي المتطلبات على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). نربط الأجزاء باللوحة عن طريق اللحام. بالنسبة لـ تقنية الثقب العابر (THT), ، تحتوي الأجزاء على أسلاك. عندما ينحني اللوح أو يتمدد، ينحني السلك ويمتص بعض الضغط. وعندها يتعرض جسم الجزء لضغط أقل. لذا فإن الخيوط الأطول تعني ضغطًا أقل في جسم الجزء. ثم يؤثر إجهاد اللحام الناتج عن تغير درجة الحرارة بشكل أساسي على وصلة اللحام والوسادة. وهذا يؤثر على موثوقية اللحام.
عندما نستخدم تقنية التثبيت على السطح (SMT), يمكننا وضع المزيد من الأجزاء على اللوح. ولكن لا تحتوي الأجزاء على أسلاك طويلة لامتصاص الضغط. يذهب الضغط مباشرة إلى جسم الجزء. يمكن أن يؤدي ذلك إلى كسر الجزء أو وصلة اللحام إذا كانت اللوحة والجزء يتمددان بمعدلات مختلفة.
خصائص CTE للمادة الأساسية FR4
مادة القاعدة المقواة بالألياف الزجاجية الشائعة (fr4) لها CTE مختلف في المحور z (من خلال سمك اللوح) والمستوى x-y (على طول اللوح). يتمدد اللوح أكثر في المحور z عندما ترتفع درجة الحرارة. عندما تكون المادة أقل من درجة حرارة الانتقال الزجاجي Tg، تكون المادة في حالة زجاجية ويكون CTE الخاص بها صغيرًا. نسمي قيمة CTE هذه a1. عندما تكون المادة أعلى من Tg، تكون المادة في حالة تشبه المطاط وتكون قيمة CTE أكبر. نسمي قيمة CTE هذه a2. عادةً ما تكون قيمة a2 حوالي ثلاثة أضعاف a1.
على سبيل المثال، عندما تكون درجة الحرارة أقل من Tg، لا تكون CTE الألياف الزجاجية الإيبوكسي الإيبوكسي في الاتجاهين x و y متماثلة أيضًا. فهو يختلف بحوالي 1 إلى 5 جزء في المليون/ درجة مئوية. أما في الاتجاه z فيبلغ حوالي 20 جزء في المليون/درجة مئوية. عندما يحتوي جهاز كبير مثبت على سطح كبير على CTE يتطابق مع اللوحة، فإن هذا الاختلاف مهم جدًا. فهو يساعد على زيادة عمر وصلة اللحام.
تأثير CTE على الـ PTH والميكروفيات الدقيقة
يعد CTE عاملًا مهمًا بالنسبة للثقوب العابرة والميكروفيات المثبتة في PWA. عادةً ما تكون نسبة العرض إلى الارتفاع (أي سمك اللوحة مقسومًا على قطر الفتحة) لهذه الفتحات أكبر من نسبة العرض إلى الارتفاع للفتحة المحفورة للتو في اللوحة العارية. في عمليات مثل إعادة التدفق SMT، وإزالة القِطع، وإعادة التدفق للإصلاح، وتصنيع اللوحة، والتوصيل بالكرة، والتسوية بالهواء الساخن، واللحام الموجي، فإن نسبة العرض إلى الارتفاع الكبيرة في الاتجاه z ستسبب الكثير من إجهاد الشد PTH. يمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث أعطال.
لذلك عندما تختار مادة قاعدة اللوحة، يجب أن تفكر أولاً فيما إذا كانت CTE الخاصة بها تتطابق مع CTE للأجزاء المراد تركيبها. إذا لم تتطابق، يجب عليك اتخاذ تدابير تعويضية.
التعريف الأساسي لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور CTE وأهميتها
يستخدم العديد من الأشخاص كلمة CTE عندما يتحدثون عن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ولكن كم منهم يعرف حقاً معنى CTE وكيف تبدأ CTE في التأثير على اللوح؟
يرمز CTE إلى معامل التمدد الحراري. وهو يوضح النسبة المئوية للتغير في الحجم عند تسخين أو تبريد ثنائي الفينيل متعدد الكلور. كل مادة في العالم تتمدد أو تنكمش قليلاً مع درجة الحرارة. على سبيل المثال، يكون المنزل أكبر قليلاً في الصيف منه في الشتاء.
تتقلص بعض المواد عند تسخينها، لكن معظمها يتمدد قليلاً عند تسخينها. ويظهر التمدد بالأجزاء لكل مليون لكل درجة مئوية (جزء في المليون لكل درجة مئوية). إذا كان ثنائي الفينيل متعدد الكلور يتمدد 14 جزء في المليون/درجة مئوية أفقياً، فهذا يعني أنه إذا كان طول ثنائي الفينيل متعدد الكلور مليون بوصة، فإنه سيزداد 14 بوصة لكل ارتفاع بمقدار 1 درجة مئوية.
عدم تطابق CTE بين ثنائي الفينيل متعدد الكلور ورقاقات السيليكون
تحتوي صفائح fr4 النموذجية على CTE من 14 إلى 17 جزء في المليون/درجة مئوية. يبدو ذلك جيدًا حتى نقارن مع رقاقة سيليكون كبيرة. تحتوي العديد من رقائق السيليكون على CTE بالقرب من 6 جزء في المليون/درجة مئوية. والفرق في التمدد كبير بما فيه الكفاية - خاصةً بالنسبة لحزم BGA الكبيرة - فعندما تسخن لوحة الدارات ثنائية الفينيل متعدد الكلور والرقاقة، تتمدد لوحة الدارات ثنائية الفينيل متعدد الكلور أكثر من الرقاقة. يمكن لهذه الحركة الإضافية أن تسحب وصلات اللحام من الرقاقة.
لذا، من وجهة نظر ثنائي الفينيل متعدد الكلور، غالبًا ما يستخدم المصنعون مواد منخفضة CTE. ولكن كيف تؤثر CTE على اللوحة وكيف نصممها ونصنعها؟
قيم CTE النموذجية لمواد ومكونات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ومكوناته
| المواد/المكونات | CTE (الاتجاه X-Y) جزء في المليون/ درجة مئوية | CTE (الاتجاه Z) جزء في المليون/ درجة مئوية | الملاحظات |
|---|---|---|---|
| صفائح FR-4 القياسية | 14 - 17 | 60 - 70 (يمكن أن يكون أكثر من 200 درجة مئوية) | أكثر مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور شيوعاً |
| ارتفاع Tg العالي FR-4 | 12 - 16 | 50 - 60 | ثبات حراري أفضل |
| مادة البولي إيميد ثنائي الفينيل متعدد الكلور | 12 - 14 | 40 - 50 | تُستخدم للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية |
| النحاس | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | مادة الموصلات المرجعية |
| رقاقة السيليكون | 2.6 - 3 (سيليكون سائب) | - | الحزمة الفعالة ~ 6 جزء في المليون/درجة مئوية |
| حزمة BGA (نموذجي) | 6 - 10 | - | يعتمد على نوع الركيزة |
| عبوة سيراميك | 6 - 8 | - | مطابقة CTE جيدة مع السيليكون |
| ألومنيوم | 22 - 24 | 22 - 24 | تُستخدم في ثنائي الفينيل متعدد الكلور ثنائي الفينيل متعدد الكلور |
| قلب نحاس-إنفار-نحاس (CIC) | 8 - 10 | 8 - 10 | قلب معدني منخفض CTE |
| قلب النحاس-الموليبدينوم-النحاس (CMC) | 6 - 8 | 6 - 8 | قلب معدني منخفض للغاية CTE |
| الجزء الداخلي من الأراميد/كيفلر | 7 - 8 | 7 - 8 | مادة مركبة منخفضة CTE |
الحلول الأساسية لثنائي الفينيل متعدد الكلور منخفضة استهلاك الطاقة الكهربائية
عندما نختار صفيحة، فإننا ننظر إلى مواصفات مثل Tg، وثابت العزل الكهربائي Dk، وعامل التبديد Df، من بين مواصفات أخرى. كل هذه الأمور مهمة وتؤثر على بعضها البعض. إذا اخترنا صفائح لخفض CTE، فسنجد أن جميع أنواع fr4 لها قيم CTE متشابهة. معظمها لا تزال مرتفعة (حوالي 14 جزء في المليون/درجة مئوية). هذا يعني أنه بالنسبة لحزم السيليكون الكبيرة جدًا نحتاج إلى طريقة أخرى للتحكم في CTE. تتمثل إحدى الطرق في إضافة قلب مصنوع من المعدن أو الكيفلار أو الأراميد.
وغالبًا ما تُستخدم هذه النوى منخفضة معامل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تحت الطبقات الخارجية fr4 لصنع ألواح منخفضة معامل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يمكن أن تكون النوى المعدنية من النحاس والنحاس النحاسي (CIC) أو النحاس والموليبدينوم والنحاس (CMC). وعادةً ما يكون سمكها حوالي 6 مل. يتيح لنا النحاس الموجود على السطح الخارجي للقلب المعدني الخارجي تصفيح ألواح fr4 المسبقة واللب العادي فوق المعدن.
هناك نوعان من النوى المعدنية المستخدمة على نطاق واسع هما CIC وCMC. تبلغ قيم CTE الأساسية الخاصة بهما حوالي 8 جزء في المليون/درجة مئوية و6 جزء في المليون/درجة مئوية، على التوالي. عند تثبيت الطبقات الخارجية fr4 على قلب معدني، يصبح إجمالي CTE للوحة حوالي 12 جزء في المليون/درجة مئوية بالنسبة ل CIC وحوالي 9 جزء في المليون/درجة مئوية بالنسبة ل CMC.
يمكننا أيضًا استخدام Kevlar Thermount أو صفائح الأراميد كقلب. تبلغ درجة CTE المنخفضة في اللب حوالي 7 إلى 8 جزء في المليون/درجة مئوية. مع الطبقات الخارجية القياسية fr4، يصبح CTE للوحة بأكملها حوالي 12 جزء في المليون/درجة مئوية. في الإنتاج متعدد الطبقات، تحل النواة منخفضة CTE محل النواة النموذجية لـ fr4. ومن المثير للاهتمام أن الألياف الكيفلارية لها في الواقع تمدد حراري سلبي في حد ذاتها. عندما نقوم بربط الألياف بالإيبوكسي، تكون النتيجة هي CTE موجب صغير CTE.
التكلفة، والعملية والمزايا الإضافية للنوى منخفضة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات
وباستخدام صفائح منخفضة-CTE، عادةً ما يكون الخيار الأغلى ثمناً هو اللب المعدني. تكلف صفائح الكيفلار والأراميد أقل تكلفة. في الماضي، كان من الصعب الحصول على أرلون كيفلر ثيرماونت من أرلون كيفلر ثيرماونت، ولكن الإنتاج الجديد يزيد من المعروض الآن. جميع النوى منخفضة الكفاءة في اختبار الكفاءة في المعالجة أصعب في الحفر والمعالجة. لكنها الطريقة الوحيدة لتلبية احتياجات 6-9 جزء في المليون/درجة مئوية لحزم السيليكون الكبيرة جدًا.
إلى جانب التحكم في CTE، يمكن لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات القلب المعدني أيضًا تحسين نقل الحرارة عالية الطاقة. تذكر أن المعدن يتمدد أكثر من fr4 عند تسخينه. توفر النواة المعدنية تحكمًا أكبر في تمدد اللوح أكثر من كيفلر. يمكن لللب المعدني تغيير تمدد اللوح بأكمله أكثر من كيفلر.
تدابير عملية للحد من مخاطر عدم تطابق CTE
من الناحية العملية، لتقليل مخاطر عدم تطابق CTE يمكنك القيام بهذه الأمور الأساسية:
حاول مطابقة CTE اللوحة CTE مع الحزمة الكبيرة CTE عندما تستطيع.
استخدم أنوية منخفضة الاستهلاك الحراري المنخفض مثل CIC أو CMC أو Kevlar أو الأراميد للحزم الكبيرة.
راقب Tg واستخدم مواد ذات Tg أعلى من أعلى درجة حرارة للمعالجة.
بالنسبة لأجزاء SMT، قم بتصميم الوسادات وأنماط الهبوط لتقليل الضغط على وصلات اللحام.
في التصنيع، تحكم في ذروة درجة حرارة إعادة التدفق ومعدلات التبريد.
بالنسبة للأجزاء ذات الفتحات العابرة، استخدم خيوطاً يمكن أن تنثني لتحمل الضغط.
اعلم أن النوى منخفضة الاستهلاك المنخفض للكهرباء المقطعية تكلف أكثر وتحتاج إلى أدوات وعمليات حفر مختلفة.
ملخص أهمية CTE
CTE هو رقم بسيط، ولكنه يؤثر على أجزاء كثيرة من مشروع ثنائي الفينيل متعدد الكلور. إذا لم تفكر في ذلك في وقت مبكر، يمكنك أن ترى أعطالاً في وصلات اللحام والأجزاء المتشققة والموثوقية المنخفضة. إذا كنت تخطط ل CTE من البداية، فستحصل على عمر أفضل من اللوحة والأجزاء.
