Materialets varmeudvidelseskoefficient (CTE) er en fysisk egenskab ved et materiale. Når temperaturen ændrer sig, vil delen ændre form og få stress. Det kan vi ikke forhindre. Kernen i fremstillingen af ethvert elektronisk produkt er at sætte dele, der opfylder kravene, på et printkort (PCB). Vi sætter delene sammen med printet ved at lodde. For Gennemgående hul-teknologi (THT), dele har ledninger. Når pladen bøjes eller udvides, bøjes ledningen og optager noget stress. Delens krop udsættes så for mindre stress. Så længere ledninger betyder, at der går mindre stress ind i delens krop. Loddestress fra temperaturændringer påvirker så hovedsageligt loddefugen og puden. Det påvirker loddets pålidelighed.
Når vi bruger teknologi til overflademontering (SMT), kan vi sætte flere dele på printet. Men delene har ingen lange ledninger til at opsuge stress. Stress går direkte ind i delens krop. Det kan ødelægge delen eller loddeforbindelsen, hvis printet og delen udvider sig forskelligt.
CTE-karakteristika for FR4-basismateriale
Almindeligt glasfiberforstærket basismateriale (fr4) har forskellig CTE i z-aksen (gennem pladetykkelsen) og i x-y-planet (langs pladen). Pladen vil udvide sig mere i z, når temperaturen stiger. Når materialet er under sin glasovergangstemperatur Tg, er materialet i glastilstand, og dets CTE er lille. Vi kalder denne CTE-værdi for a1. Når materialet er over Tg, er det i en gummilignende tilstand, og dets CTE er større. Vi kalder den CTE-værdi for a2. Normalt er a2 omkring tre gange a1.
Når temperaturen for eksempel er under Tg, er glasfiber-epoxy-CTE i x- og y-retningen heller ikke den samme. Den afviger med ca. 1 til 5 ppm/°C. I z-retningen er det ca. 20 ppm/°C. Når en stor overflademonteret enhed har en CTE, der matcher printet, betyder denne forskel meget. Den er med til at øge loddesamlingens levetid.
CTE's indvirkning på PTH og mikrovias
CTE er en vigtig faktor for PWA-monterede gennemgående huller og mikrovias. Aspect ratio (dvs. pladetykkelse divideret med huldiameter) for disse vias er normalt større end aspect ratio for et lige færdigboret hul i en blank plade. I processer som SMT-reflow, fjernelse af dele, reflow til reparation, fremstilling af printkort, fastgørelse af kugler, varmluftudjævning og bølgelodning vil en stor CTE i z-retningen forårsage for meget PTH-strækspænding. Det kan føre til fejl.
Så når du vælger et basismateriale, skal du først overveje, om dets CTE matcher CTE for de dele, der skal monteres. Hvis de ikke stemmer overens, skal du træffe kompenserende foranstaltninger.
Grundlæggende definition og betydning af CTE for PCB'er
Mange mennesker bruger ordet CTE, når de taler om printkort. Men hvor mange ved egentlig, hvad CTE betyder, og hvordan CTE begynder at påvirke et printkort?
CTE står for termisk udvidelseskoefficient. Den viser den procentvise ændring i størrelse, når et printkort opvarmes eller afkøles. Alle materialer i verden udvider sig eller krymper en smule med temperaturen. For eksempel er et hus lidt større om sommeren end om vinteren.
Nogle materialer krymper, når de opvarmes, men de fleste udvider sig lidt, når de opvarmes. Udvidelsen vises i dele pr. million pr. grad Celsius (ppm/°C). Hvis et printkort udvider sig 14 ppm/°C sideværts, betyder det, at hvis et printkort var en million tommer langt, ville det vokse 14 tommer for hver 1°C stigning.
CTE-misforhold mellem PCB og siliciumchips
Et typisk fr4-laminat har en CTE på 14 til 17 ppm/°C. Det ser ok ud, indtil vi sammenligner med en stor siliciumchip. Mange siliciumchips har en CTE på næsten 6 ppm/°C. Forskellen i ekspansion er stor nok - især for store BGA-pakker - til, at når printet og chippen opvarmes, vil printet udvide sig mere end chippen. Den ekstra bevægelse kan trække loddefuger af chippen.
Så set fra printkortets synspunkt bruger producenterne ofte materialer med lav CTE. Men hvordan påvirker CTE printet, og hvordan vi designer og fremstiller det?
Typiske CTE-værdier for PCB-materialer og -komponenter
| Materiale/komponent | CTE (X-Y-retning) ppm/°C | CTE (Z-retning) ppm/°C | Noter |
|---|---|---|---|
| Standard FR-4-laminat | 14 - 17 | 60 - 70 (over Tg kan være >200) | Mest almindelige PCB-materiale |
| Høj Tg FR-4 | 12 - 16 | 50 - 60 | Bedre termisk stabilitet |
| PCB-materiale af polyimid | 12 - 14 | 40 - 50 | Bruges til applikationer med høj temperatur |
| Kobber | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | Referenceledermateriale |
| Silicium-chip | 2,6 - 3 (bulk-silicium) | - | Pakke effektiv ~6 ppm/°C |
| BGA-pakke (typisk) | 6 - 10 | - | Afhænger af substrattype |
| Keramisk pakke | 6 - 8 | - | God CTE-matchning med silicium |
| Aluminium | 22 - 24 | 22 - 24 | Bruges i printkort med metalkerne |
| Kobber-Invar-Kobber (CIC) kerne | 8 - 10 | 8 - 10 | Metalkerne med lav CTE |
| Kobber-molybdæn-kobber-kerne (CMC) | 6 - 8 | 6 - 8 | Metalkerne med meget lav CTE |
| Aramid/kevlar-kerne | 7 - 8 | 7 - 8 | Kompositmateriale med lav CTE |
PCB-kerneløsninger med lav CTE
Når vi vælger et laminat, ser vi blandt andet på specifikationer som Tg, dielektrisk konstant Dk og spredningsfaktor Df. De er alle vigtige, og de påvirker hinanden. Hvis vi vælger et laminat med lavere CTE, vil vi opdage, at alle fr4-typer har lignende CTE-værdier. De fleste er stadig høje (ca. 14 ppm/°C). Det betyder, at vi til meget store siliciumpakker har brug for en anden tilgang til at kontrollere CTE. En måde er at tilføje en kerne af metal, kevlar eller aramid.
Disse lav-CTE-kerner bruges ofte under ydre lag af fr4 til at lave lav-CTE-plader. Metalkerner kan være kobber-invar-kobber (CIC) eller kobber-molybdæn-kobber (CMC). De er normalt ca. 6 mil tykke. Kobberet på metalkernens ydre overflade giver os mulighed for at laminere normale fr4-prepregs og -kerner over metallet.
To udbredte metalkerner er CIC og CMC. Deres kerne-CTE-værdier er henholdsvis ca. 8 ppm/°C og 6 ppm/°C. Når du forankrer de fire yderste lag til en metalkerne, bliver den samlede CTE for printkortet ca. 12 ppm/°C for CIC og ca. 9 ppm/°C for CMC.
Vi kan også bruge en Kevlar Thermount eller et aramidlaminat som kerne. Deres lave kerne-CTE er ca. 7 til 8 ppm/°C. Med standard fr4 ydre lag bliver hele kortets CTE ca. 12 ppm/°C. I flerlagsproduktion erstatter en lav-CTE-kerne en typisk fr4-kerne. Det er interessant, at kevlarfibre faktisk har en negativ varmeudvidelse i sig selv. Når vi binder fibrene med epoxy, bliver resultatet en lille positiv CTE.
Omkostninger, proces og yderligere fordele ved lav-CTE-kerner
Hvis man bruger et lav-CTE-laminat, er metalkernen normalt den dyreste løsning. Kevlar- og aramidlaminater koster mindre. Tidligere var det svært at få fat i Arlon Kevlar Thermount, men ny produktion øger udbuddet nu. Alle kerner med lav CTE er sværere at bore og bearbejde. Men de er den eneste måde, hvorpå man kan opfylde kravene på 6-9 ppm/°C i meget store siliciumpakker.
Ud over at kontrollere CTE kan PCB'er med metalkerne også forbedre varmeoverførslen ved høj effekt. Husk, at metal udvider sig mere end fr4, når det opvarmes. En metalkerne giver mere kontrol over kortets udvidelse end kevlar. En metalkerne kan ændre udvidelsen af hele printet mere end kevlar kan.
Praktiske foranstaltninger til at reducere risikoen for CTE-mismatch
I praksis kan du gøre disse grundlæggende ting for at reducere risikoen for CTE-mismatch:
Prøv at matche kortets CTE med den store pakkes CTE, når du kan.
Brug kerner med lav CTE som CIC, CMC, Kevlar eller aramid til store pakker.
Hold øje med Tg, og brug materialer med en Tg over din højeste procestemperatur.
Til SMT-dele skal du designe puder og landingsmønstre for at reducere belastningen på loddesamlingerne.
Ved fremstilling skal man kontrollere den højeste reflow-temperatur og kølehastighed.
Til dele med gennemgående huller skal du bruge ledninger, der kan bøjes for at optage stress.
Du skal vide, at kerner med lav CTE koster mere og kræver andre boreværktøjer og -processer.
Oversigt over CTE's betydning
CTE er et simpelt tal, men det påvirker mange dele af et printkortprojekt. Hvis du ikke tænker på det tidligt, kan du se fejl i loddefugerne, revnede dele og lav pålidelighed. Hvis du planlægger CTE fra starten, får du en bedre levetid for dit printkort og dine dele.
