Koeficijent termičkog širenja (CTE) je jedna od fizičkih osobina materijala. Kada se temperatura promijeni, dio će promijeniti oblik i doći će do naprezanja. To ne možemo spriječiti. Suština izrade bilo kojeg elektroničkog proizvoda je postavljanje dijelova koji zadovoljavaju zahtjeve na štampanu ploču (PCB). Dijelove spajamo na ploču lemljenjem. Za tehnologija kroz-rupu (THT), dijelovi imaju izbočine. Kada se ploča savije ili se proširi, izbočina se savije i upije dio naprezanja. Tijelo dijela tada doživljava manje naprezanja. Dakle, duže izbočine znače da manje naprezanja ulazi u tijelo dijela. Naprezanje lemljenja uslijed promjene temperature potom uglavnom utječe na lemni spoj i pad. To utječe na pouzdanost lemljenja.
Kada koristimo tehnologija površinskog montažiranja (SMT), možemo staviti više dijelova na ploču. Ali dijelovi nemaju duge vodove koji bi upijali naprezanje. Naprezanje ide direktno u tijelo dijela. To može oštetiti dio ili lemni spoj ako se ploča i dio šire različitim brzinama.
CTE karakteristike osnovnog materijala FR4
Uobičajeni osnovni materijal ojačan staklenim vlaknima (FR4) ima različitu CTE duž z-ose (kroz debljinu ploče) i u x-y ravnini (duž ploče). Ploča će se više širiti u z-osmjeru kada temperatura poraste. Kada je materijal ispod svoje staklaste prijelazne temperature Tg, materijal je u staklasto stanje i njegova CTE je mala. Ovu vrijednost CTE nazivamo a1. Kada je materijal iznad Tg, materijal je u gumoliktom stanju i njegov CTE je veći. Tu vrijednost CTE nazivamo a2. Obično je a2 oko tri puta veći od a1.
Na primjer, kada je temperatura ispod Tg, koeficijent toplinskog širenja epoksida sa staklenim vlaknima u x i y smjeru također nije isti. Razlikuje se za otprilike 1 do 5 ppm/°C. U z-smjeru iznosi oko 20 ppm/°C. Kada veliki površinski montažni uređaj ima CTE koji odgovara pločici, ta razlika je vrlo važna. Pomaže produžiti vijek trajanja lemnog spoja.
Utjecaj CTE na PTH i mikrovia
CTE je važan faktor za PWA montirane krozne rupe i mikroviase. Omjer stranica (debljina ploče podijeljena promjerom rupe) za ove viase obično je veći od omjera stranica tek izbušene rupe na goloj ploči. U procesima poput SMT reflow-a, uklanjanja dijelova, reflow-a za popravak, proizvodnje ploča, postavljanja kuglica (ball attachment), niveliranja toplim zrakom i talasnog lemljenja, velika CTE u z-smjeru uzrokuje preveliki zatezni napon u PTH rupama. To može dovesti do otkaza.
Dakle, kada birate osnovni materijal ploče, prvo morate razmisliti da li se njegov CTE podudara sa CTE dijelova koji se montiraju. Ako se ne podudaraju, morate poduzeti mjere kompenzacije.
Osnovna definicija i značaj CTE za PCB-ove
Mnogi ljudi koriste riječ CTE kada govore o PCB-ovima. Ali koliko ih zaista zna šta CTE znači i kako CTE počinje utjecati na ploču?
CTE označava koeficijent toplinske ekspanzije. Pokazuje postotnu promjenu veličine kada se PCB zagrije ili ohladi. Svaki materijal na svijetu se malo širi ili skuplja s temperaturom. Na primjer, kuća je ljeti malo veća nego zimi.
Neki materijali se skupljaju pri zagrijavanju, ali većina se malo širi pri zagrijavanju. Širenje se izražava u dijelovima na milion po stupnju Celzijusa (ppm/°C). Ako se PCB bočno širi 14 ppm/°C, to znači da bi, kad bi bio dug milion inča, narastao za 14 inča pri svakom porastu temperature od 1 °C.
CTE neusklađenost između PCB-a i silicijskih čipova
Tipični FR4 laminat ima toplinsko širenje od 14 do 17 ppm/°C. To izgleda u redu dok ga ne uporedimo s velikim silicijskim čipom. Mnogi silicijski čipovi imaju toplinsko širenje blizu 6 ppm/°C. Razlika u širenju je dovoljno velika—posebno kod velikih BGA paketa—da se, kada se PCB i čip zagriju, PCB proširi više od čipa. Taj dodatni pomak može odvojiti lemne spojeve od čipa.
Dakle, s aspekta PCB-a, proizvođači često koriste materijale s niskim CTE. Ali kako CTE utječe na ploču i na način na koji je dizajniramo i izrađujemo?
Tipične CTE vrijednosti PCB materijala i komponenti
| Materijal / Komponenta | CTE (smjer X-Y) ppm/°C | CTE (u Z smjeru) ppm/°C | Bilješke |
|---|---|---|---|
| Standardni FR-4 laminat | 14 – 17 | 60 – 70 (iznad Tg može biti >200) | Najčešći materijal za PCB |
| Visok Tg FR-4 | 12 – 16 | 50 – 60 | Bolja toplotna stabilnost |
| Poliamidni materijal za štampane pločice | 12 – 14 | 40 – 50 | Koristi se za primjene na visokim temperaturama |
| Bakar | 16,5 – 17 | 16,5 – 17 | Referentni materijal za provodnike |
| Silicijski čip | 2.6 – 3 (masivni silicij) | — | Paket efikasan ~6 ppm/°C |
| BGA pakovanje (tipično) | 6 – 10 | — | Ovisi o vrsti podloge |
| Keramički paket | 6 – 8 | — | Dobro usklađivanje CTE sa silicijem |
| Aluminij | 22 – 24 | 22 – 24 | Koristi se u štampanim pločama s metalnom jezgrom |
| Bakar-Invar-Bakar (CIC) jezgro | 8 – 10 | 8 – 10 | Low CTE metal core |
| Copper-Molybdenum-Copper (CMC) Core | 6 – 8 | 6 – 8 | Very low CTE metal core |
| Aramid / Kevlar Core | 7 – 8 | 7 – 8 | Low CTE composite material |
Low-CTE PCB Core Solutions
When we pick a laminate we look at specs like Tg, dielectric constant Dk, and dissipation factor Df, among others. These all matter and they affect each other. If we pick a laminate to lower CTE, we will find that all fr4 types have similar CTE values. Most are still high (about 14 ppm/°C). That means for very large silicon packages we need another approach to control CTE. One way is to add a core made of metal, Kevlar, or aramid.
These low-CTE cores are often used under fr4 outer layers to make low-CTE boards. Metal cores can be copper-invar-copper (CIC) or copper-molybdenum-copper (CMC). They are usually about 6 mil thick. The copper on the metal core outer surface lets us laminate normal fr4 prepregs and cores over the metal.
Two widely used metal cores are CIC and CMC. Their core CTE values are about 8 ppm/°C and 6 ppm/°C, respectively. When you anchor fr4 outer layers to a metal core, the overall board CTE becomes about 12 ppm/°C for CIC and about 9 ppm/°C for CMC.
We can also use a Kevlar Thermount or an aramid laminate as a core. Their low core CTE is about 7 to 8 ppm/°C. With standard fr4 outer layers, the whole board CTE becomes about 12 ppm/°C. In multilayer production, a low-CTE core replaces a typical fr4 core. It is interesting that Kevlar fiber actually has a negative thermal expansion itself. When we bind the fibers with epoxy, the result is a small positive CTE.
Cost, Process and Additional Advantages of Low-CTE Cores
Using a low-CTE laminate, the most expensive option is usually the metal core. Kevlar and aramid laminates cost less. In the past, Arlon Kevlar Thermount was hard to get, but new production increases supply now. All low-CTE cores are harder to drill and to process. But they are the only way to meet the 6–9 ppm/°C needs of very large silicon packages.
Besides controlling CTE, metal core PCBs can also improve high-power heat transfer. Remember metal expands more than fr4 when heated. A metal core gives more control of board expansion than Kevlar. A metal core can change the expansion of the whole board more than Kevlar can.
Practical Measures to Reduce CTE Mismatch Risk
In practice, to reduce CTE mismatch risk you can do these basic things:
Try to match board CTE to the large package CTE when you can.
Use low-CTE cores like CIC, CMC, Kevlar, or aramid for big packages.
Watch Tg and use materials with a Tg above your highest process temperature.
For SMT parts, design pads and land patterns to reduce stress on solder joints.
In manufacture, control peak reflow temperature and cooling rates.
For through-hole parts, use leads that can flex to take up stress.
Know that low-CTE cores cost more and need different drilling tools and processes.
Summary of CTE Importance
CTE is a simple number, but it affects many parts of a PCB project. If you do not think about it early, you can see solder joint failures, cracked parts, and low reliability. If you plan for CTE from the start, you will get better life from your board and parts.
