Součinitel tepelné roztažnosti materiálu (CTE) je jednou z fyzikálních vlastností materiálu. Při změně teploty se mění tvar součásti a vzniká napětí. Tomu nemůžeme zabránit. Podstatou výroby jakéhokoli elektronického výrobku je umístění součástek, které splňují požadavky, na desku s plošnými spoji (DPS). Součástky k desce připojujeme pájením. Pro průchozí technologie (THT), díly mají přívody. Když se deska ohýbá nebo rozšiřuje, vedení se ohýbá a pohlcuje napětí. Tělo dílu je pak méně namáháno. Delší vývody tedy znamenají menší napětí v tělese součásti. Napětí v pájce způsobené změnou teploty pak ovlivňuje hlavně pájecí spoj a podložku. To ovlivňuje spolehlivost pájení.
Když používáme technologie povrchové montáže (SMT), můžeme na desku umístit více dílů. Součástky však nemají dlouhé přívody, které by pohlcovaly napětí. Napětí jde přímo do těla součástky. Pokud se deska a součástka rozpínají různou rychlostí, může dojít k poškození součástky nebo pájecího spoje.
Charakteristiky CTE základního materiálu FR4
Běžný základní materiál vyztužený skleněnými vlákny (fr4) má rozdílnou CTE v ose z (přes tloušťku desky) a v rovině x-y (podél desky). Při zvýšení teploty se deska v ose z více rozpíná. Když je materiál pod teplotou skelného přechodu Tg, je materiál ve stavu skla a jeho CTE je malá. Tuto hodnotu CTE nazýváme a1. Když je materiál nad teplotou Tg, je materiál ve stavu podobném gumě a jeho CTE je větší. Tuto hodnotu CTE nazýváme a2. Obvykle je a2 přibližně trojnásobkem a1.
Například při teplotě nižší než Tg není CTE epoxidu se skleněnými vlákny ve směru x a y stejná. Liší se přibližně o 1 až 5 ppm/°C. Ve směru z je to přibližně 20 ppm/°C. Pokud má velké zařízení pro povrchovou montáž CTE odpovídající desce, má tento rozdíl velký význam. Pomáhá zvýšit životnost pájecího spoje.
Vliv CTE na PTH a mikroorganismy
CTE je důležitým faktorem pro průchozí otvory a mikrodrážky namontované na PWA. Poměr stran (tj. tloušťka desky dělená průměrem otvoru) je u těchto průchodek obvykle větší než poměr stran právě vyvrtaného otvoru v holé desce. V procesech, jako je přetavení SMT, vyjmutí dílu, přetavení pro opravu, výroba desek, upevnění kuliček, vyrovnávání horkým vzduchem a pájení vlnou, způsobí velký CTE ve směru z příliš velké tahové napětí PTH. To může způsobit poruchy.
Při výběru materiálu pro základovou desku je tedy třeba nejprve zvážit, zda jeho CTE odpovídá CTE montovaných dílů. Pokud se neshodují, musíte přijmout kompenzační opatření.
Základní definice a význam CTE pro PCB
Mnoho lidí používá slovo CTE, když mluví o PCB. Ale kolik z nich skutečně ví, co CTE znamená a jak CTE začíná ovlivňovat desku?
CTE je zkratka pro koeficient tepelné roztažnosti. Ukazuje procentuální změnu velikosti při zahřívání nebo ochlazování desky plošných spojů. Každý materiál na světě se s teplotou trochu rozpíná nebo smršťuje. Například dům je v létě o něco větší než v zimě.
Některé materiály se při zahřátí smršťují, ale většina se při zahřátí mírně rozpíná. Roztažnost se udává v částech na milion na stupeň Celsia (ppm/°C). Pokud se deska plošných spojů rozšiřuje do stran o 14 ppm/°C, znamená to, že kdyby byla deska plošných spojů dlouhá jeden milion palců, zvětšila by se o 14 palců na každý nárůst o 1°C.
Nesoulad CTE mezi PCB a křemíkovými čipy
Typický laminát fr4 má CTE 14 až 17 ppm/°C. To vypadá dobře, dokud to neporovnáme s velkým křemíkovým čipem. Mnoho křemíkových čipů má CTE blízké 6 ppm/°C. Rozdíl v roztažnosti je dostatečně velký - zejména u velkých BGA balíčků - aby se při zahřívání desky plošných spojů a čipu deska plošných spojů roztahovala více než čip. Tento dodatečný pohyb může vytrhnout pájecí spoje z čipu.
Z hlediska PCB tedy výrobci často používají materiály s nízkým obsahem CTE. Jak ale CTE ovlivňuje desku a způsob jejího návrhu a výroby?
Typické hodnoty CTE materiálů a součástek DPS
| Materiál / součást | CTE (směr X-Y) ppm/°C | CTE (směr Z) ppm/°C | Poznámky |
|---|---|---|---|
| Standardní laminát FR-4 | 14 - 17 | 60 - 70 (nad Tg může být >200) | Nejběžnější materiál PCB |
| FR-4 s vysokou Tg | 12 - 16 | 50 - 60 | Lepší tepelná stabilita |
| Polyimidový materiál PCB | 12 - 14 | 40 - 50 | Používá se pro vysokoteplotní aplikace |
| Měď | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | Referenční materiál vodiče |
| Křemíkový čip | 2,6 - 3 (objemový křemík) | - | Efektivní balení ~6 ppm/°C |
| Balení BGA (typické) | 6 - 10 | - | Závisí na typu substrátu |
| Keramický obal | 6 - 8 | - | Dobrá shoda CTE s křemíkem |
| Hliník | 22 - 24 | 22 - 24 | Používá se v deskách s kovovým jádrem |
| Jádro z mědi a mědi (CIC) | 8 - 10 | 8 - 10 | Kovové jádro s nízkou CTE |
| Jádro z mědi, molybdenu a mědi (CMC) | 6 - 8 | 6 - 8 | Kovové jádro s velmi nízkou CTE |
| Aramidové / kevlarové jádro | 7 - 8 | 7 - 8 | Kompozitní materiál s nízkou CTE |
Řešení pro jádra PCB s nízkým obsahem CTE
Při výběru laminátu sledujeme mimo jiné parametry jako Tg, dielektrická konstanta Dk a rozptylový faktor Df. Na všech těchto parametrech záleží a vzájemně se ovlivňují. Pokud vybereme laminát na nižší CTE, zjistíme, že všechny typy fr4 mají podobné hodnoty CTE. Většina z nich je stále vysoká (přibližně 14 ppm/°C). To znamená, že pro velmi velké křemíkové balíčky potřebujeme jiný přístup ke kontrole CTE. Jednou z možností je přidat jádro z kovu, kevlaru nebo aramidu.
Tato jádra s nízkým CTE se často používají pod vnějšími vrstvami fr4 pro výrobu desek s nízkým CTE. Kovová jádra mohou být měď-var-měď (CIC) nebo měď-molybden-měď (CMC). Obvykle mají tloušťku asi 6 mil. Měď na vnějším povrchu kovového jádra nám umožňuje laminovat přes kovové jádro běžné prepregy a jádra fr4.
Dvě široce používaná kovová jádra jsou CIC a CMC. Hodnoty CTE jejich jader jsou přibližně 8 ppm/°C a 6 ppm/°C. Pokud ke kovovému jádru ukotvíte vnější vrstvy fr4, celková CTE desky se pohybuje okolo 12 ppm/°C u CIC a okolo 9 ppm/°C u CMC.
Jako jádro můžeme použít také kevlarový Thermount nebo aramidový laminát. Jejich nízká CTE jádra je přibližně 7 až 8 ppm/°C. Se standardními vnějšími vrstvami fr4 se CTE celé desky pohybuje kolem 12 ppm/°C. Při vícevrstvé výrobě nahrazuje jádro s nízkou CTE typické jádro fr4. Je zajímavé, že kevlarové vlákno má ve skutečnosti samo o sobě zápornou tepelnou roztažnost. Když vlákna spojíme epoxidem, výsledkem je malá kladná CTE.
Náklady, proces a další výhody jader s nízkým obsahem CTE
Při použití laminátu s nízkým obsahem CTE je obvykle nejdražší variantou kovové jádro. Kevlarové a aramidové lamináty stojí méně. V minulosti bylo obtížné sehnat kevlarový laminát Arlon Thermount, ale nová výroba nyní zvyšuje nabídku. Všechna jádra s nízkým CTE se hůře vrtají a zpracovávají. Jsou však jediným způsobem, jak splnit požadavky 6-9 ppm/°C u velmi velkých křemíkových balíčků.
Kromě kontroly CTE mohou desky s kovovým jádrem také zlepšit přenos tepla při vysokém výkonu. Pamatujte, že kov se při zahřívání rozpíná více než fr4. Kovové jádro poskytuje větší kontrolu nad roztažností desky než kevlar. Kovové jádro může měnit roztažnost celé desky více než kevlar.
Praktická opatření ke snížení rizika nesouladu CTE
V praxi můžete pro snížení rizika nesouladu CTE udělat tyto základní kroky:
Pokud můžete, snažte se sladit CTE desky s CTE velkého balení.
Pro velké balíky používejte jádra s nízkým CTE, jako je CIC, CMC, kevlar nebo aramid.
Sledujte Tg a používejte materiály s Tg vyšší, než je vaše nejvyšší procesní teplota.
U dílů SMT navrhněte podložky a vzory půdy tak, abyste snížili namáhání pájecích spojů.
Při výrobě kontrolujte špičkovou teplotu přetavení a rychlost chlazení.
U průchozích dílů používejte vodiče, které se mohou ohýbat a přenášet napětí.
Vězte, že jádra s nízkým obsahem CTE jsou dražší a vyžadují jiné vrtací nástroje a postupy.
Shrnutí významu CTE
CTE je jednoduché číslo, ale ovlivňuje mnoho částí projektu PCB. Pokud se nad ním včas nezamyslíte, můžete se dočkat poruch pájecích spojů, prasklin a nízké spolehlivosti. Pokud budete CTE plánovat od začátku, dosáhnete lepší životnosti desky a součástek.
