Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) ist eine physikalische Eigenschaft eines Werkstoffs. Wenn sich die Temperatur ändert, wird das Teil seine Form verändern und Spannungen aufweisen. Das können wir nicht verhindern. Der Kern der Herstellung eines jeden elektronischen Produkts besteht darin, Teile, die den Anforderungen entsprechen, auf eine Leiterplatte (PCB) zu setzen. Wir verbinden die Teile mit der Platine durch Löten. Für Durchgangslochtechnik (THT), Teile haben Anschlüsse. Wenn sich die Platine verbiegt oder ausdehnt, verbiegt sich das Blei und nimmt etwas Spannung auf. Der Bauteilkörper wird dann weniger belastet. Längere Leitungen bedeuten also, dass weniger Spannung auf den Bauteilkörper einwirkt. Die durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Spannung im Lot wirkt sich dann hauptsächlich auf die Lötstelle und das Pad aus. Das wirkt sich auf die Zuverlässigkeit des Lötens aus.
Wenn wir die Oberflächenmontagetechnik (SMT), können wir mehr Teile auf der Platine unterbringen. Aber die Teile haben keine langen Leitungen, um Spannungen aufzufangen. Die Spannung geht direkt in den Körper des Bauteils. Das kann zum Bruch des Teils oder der Lötstelle führen, wenn sich Platine und Teil unterschiedlich stark ausdehnen.
CTE-Eigenschaften von FR4-Basismaterial
Herkömmliches glasfaserverstärktes Grundmaterial (fr4) hat einen unterschiedlichen WAK in der z-Achse (durch die Plattendicke) und in der x-y-Ebene (entlang der Platine). Die Platte dehnt sich stärker in z aus, wenn die Temperatur steigt. Wenn das Material unter seiner Glasübergangstemperatur Tg liegt, befindet es sich in einem Glaszustand und sein WAK ist klein. Wir nennen diesen WAK-Wert a1. Wenn das Material über Tg liegt, befindet es sich in einem gummiartigen Zustand und sein WAK ist größer. Wir nennen diesen WAK-Wert a2. Normalerweise ist a2 etwa dreimal so groß wie a1.
Liegt die Temperatur beispielsweise unter Tg, ist der WAK von Glasfaserepoxid in x- und y-Richtung ebenfalls nicht gleich. Er unterscheidet sich um etwa 1 bis 5 ppm/°C. In der z-Richtung beträgt er etwa 20 ppm/°C. Wenn ein großes oberflächenmontiertes Bauteil einen WAK hat, der zur Leiterplatte passt, ist dieser Unterschied von großer Bedeutung. Er trägt dazu bei, die Lebensdauer der Lötstelle zu erhöhen.
Auswirkungen von CTE auf PTH und Mikrovias
Der WAK ist ein wichtiger Faktor für in PWA montierte Durchgangslöcher und Mikrodurchkontaktierungen. Das Aspektverhältnis (Plattendicke geteilt durch Lochdurchmesser) für diese Durchkontaktierungen ist in der Regel größer als das Aspektverhältnis eines gerade fertiggestellten gebohrten Lochs in einer nackten Platine. Bei Prozessen wie SMT-Reflow, Bauteilentfernung, Reflow für Reparaturen, Leiterplattenherstellung, Kugelbefestigung, Heißluftnivellierung und Wellenlöten verursacht ein großer WAK in z-Richtung eine zu große PTH-Zugspannung. Das kann zu Ausfällen führen.
Wenn Sie also ein Basismaterial für die Leiterplatte auswählen, müssen Sie zuerst darüber nachdenken, ob sein WAK mit dem WAK der zu montierenden Teile übereinstimmt. Wenn sie nicht übereinstimmen, müssen Sie Ausgleichsmaßnahmen ergreifen.
Grundlegende Definition und Bedeutung des CTE für PCBs
Viele Menschen verwenden das Wort CTE, wenn sie über Leiterplatten sprechen. Aber wie viele wissen wirklich, was CTE bedeutet und wie sich CTE auf eine Leiterplatte auswirkt?
CTE steht für den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Er zeigt die prozentuale Größenänderung an, wenn eine Leiterplatte erhitzt oder abgekühlt wird. Jedes Material auf der Welt dehnt sich mit der Temperatur ein wenig aus oder schrumpft. Ein Haus zum Beispiel ist im Sommer etwas größer als im Winter.
Einige Materialien schrumpfen beim Erhitzen, aber die meisten dehnen sich beim Erhitzen ein wenig aus. Die Ausdehnung wird in Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) angegeben. Wenn sich eine Leiterplatte um 14 ppm/°C seitlich ausdehnt, bedeutet dies, dass sie bei einer Länge von einer Million Zoll pro 1°C Anstieg um 14 Zoll wachsen würde.
CTE-Fehlanpassung zwischen PCB und Siliziumchips
Ein typisches fr4-Laminat hat einen WAK von 14 bis 17 ppm/°C. Das sieht gut aus, bis wir es mit einem großen Siliziumchip vergleichen. Viele Siliziumchips haben einen WAK von fast 6 ppm/°C. Der Unterschied in der Ausdehnung ist groß genug - vor allem bei großen BGA-Gehäusen -, dass sich die Leiterplatte und der Chip bei Erwärmung stärker ausdehnen als der Chip. Diese zusätzliche Bewegung kann Lötstellen vom Chip abziehen.
Aus Sicht der Leiterplattenhersteller werden daher häufig Materialien mit niedrigem CTE verwendet. Aber wie wirkt sich der WAK auf die Leiterplatte aus und wie wir sie entwerfen und herstellen?
Typische CTE-Werte von PCB-Materialien und Komponenten
| Material/Bauteil | CTE (X-Y-Richtung) ppm/°C | CTE (Z-Richtung) ppm/°C | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| Standard FR-4-Laminat | 14 - 17 | 60 - 70 (über Tg kann >200 sein) | Häufigstes PCB-Material |
| Hohe Tg FR-4 | 12 - 16 | 50 - 60 | Bessere thermische Stabilität |
| Polyimid PCB Material | 12 - 14 | 40 - 50 | Einsatz für Hochtemperaturanwendungen |
| Kupfer | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | Referenz-Leitermaterial |
| Silizium-Chip | 2,6 - 3 (Silizium in loser Schüttung) | - | Gehäuse effektiv ~6 ppm/°C |
| BGA-Gehäuse (typisch) | 6 - 10 | - | Abhängig von der Art des Substrats |
| Keramik-Paket | 6 - 8 | - | Gute CTE-Übereinstimmung mit Silizium |
| Aluminium | 22 - 24 | 22 - 24 | Verwendet in Metallkern-Leiterplatten |
| Kupfer-Invar-Kupfer (CIC) Kern | 8 - 10 | 8 - 10 | Metallkern mit niedrigem WAK |
| Kupfer-Molybdän-Kupfer (CMC) Kern | 6 - 8 | 6 - 8 | Metallkern mit sehr niedrigem WAK |
| Aramid / Kevlar Kern | 7 - 8 | 7 - 8 | Verbundwerkstoff mit niedrigem WAK |
PCB-Kernlösungen mit niedrigem CTE
Bei der Auswahl eines Laminats achten wir unter anderem auf Werte wie Tg, Dielektrizitätskonstante Dk und Verlustfaktor Df. Sie alle spielen eine Rolle und beeinflussen sich gegenseitig. Wenn wir ein Laminat mit einem niedrigeren WAK wählen, werden wir feststellen, dass alle fr4-Typen ähnliche WAK-Werte haben. Die meisten sind immer noch hoch (etwa 14 ppm/°C). Das bedeutet, dass wir für sehr große Siliziumgehäuse einen anderen Ansatz zur Kontrolle des WAK benötigen. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Kern aus Metall, Kevlar oder Aramid hinzuzufügen.
Diese Kerne mit niedrigem WAK werden häufig unter den Außenschichten von FR4 verwendet, um Platten mit niedrigem WAK herzustellen. Metallkerne können aus Kupfer-Invar-Kupfer (CIC) oder Kupfer-Molybdän-Kupfer (CMC) bestehen. Sie sind in der Regel etwa 6 mil dick. Das Kupfer auf der Außenfläche des Metallkerns ermöglicht es uns, normale fr4-Prepregs und -Kerne über das Metall zu laminieren.
Zwei weit verbreitete Metallkerne sind CIC und CMC. Ihre Kern-WAK-Werte liegen bei etwa 8 ppm/°C bzw. 6 ppm/°C. Bei der Verankerung von vier Außenschichten auf einem Metallkern beträgt der Gesamt-Widerstandsbeiwert der Leiterplatte etwa 12 ppm/°C für CIC und etwa 9 ppm/°C für CMC.
Wir können auch ein Kevlar Thermount oder ein Aramidlaminat als Kern verwenden. Ihr niedriger Kern-Widerstandskoeffizient liegt bei 7 bis 8 ppm/°C. Mit Standard-FR4-Außenlagen beträgt der WAK der gesamten Leiterplatte etwa 12 ppm/°C. In der Mehrlagenproduktion ersetzt ein Kern mit niedrigem WAK einen typischen fr4-Kern. Interessant ist, dass die Kevlarfaser selbst eine negative Wärmeausdehnung hat. Wenn wir die Fasern mit Epoxid binden, ergibt sich ein kleiner positiver WAK.
Kosten, Verfahren und zusätzliche Vorteile von Low-CTE-Kernen
Bei Verwendung eines Laminats mit niedrigem WAK ist der Metallkern in der Regel die teuerste Option. Kevlar- und Aramid-Laminate kosten weniger. In der Vergangenheit war Arlon Kevlar Thermount schwer zu bekommen, aber durch die neue Produktion ist das Angebot jetzt größer. Alle Kerne mit niedrigem CTE sind schwieriger zu bohren und zu verarbeiten. Aber sie sind die einzige Möglichkeit, die Anforderungen von 6-9 ppm/°C für sehr große Siliziumgehäuse zu erfüllen.
Neben der Kontrolle des WAK können Leiterplatten mit Metallkern auch die Wärmeübertragung im Hochleistungsbereich verbessern. Vergessen Sie nicht, dass sich Metall bei Erwärmung stärker ausdehnt als FR4. Ein Metallkern bietet mehr Kontrolle über die Ausdehnung der Leiterplatte als Kevlar. Ein Metallkern kann die Ausdehnung der gesamten Leiterplatte stärker verändern als Kevlar.
Praktische Maßnahmen zur Verringerung des CTE-Fehlanpassungsrisikos
In der Praxis können Sie diese grundlegenden Dinge tun, um das Risiko einer CTE-Fehlanpassung zu verringern:
Versuchen Sie, den CTE der Platine mit dem CTE des großen Pakets abzustimmen, wenn Sie können.
Verwenden Sie für große Pakete Kerne mit niedrigem WAK wie CIC, CMC, Kevlar oder Aramid.
Achten Sie auf die Tg und verwenden Sie Materialien mit einer Tg, die über Ihrer höchsten Prozesstemperatur liegt.
Entwerfen Sie bei SMT-Bauteilen Pads und Lötaugenmuster, um die Belastung der Lötstellen zu verringern.
Kontrollieren Sie bei der Herstellung die Reflow-Spitzentemperatur und die Kühlraten.
Verwenden Sie für durchkontaktierte Teile Leitungen, die sich biegen können, um die Spannung aufzunehmen.
Sie sollten wissen, dass Kerne mit niedrigem WAK mehr kosten und andere Bohrwerkzeuge und -verfahren erfordern.
Zusammenfassung der Bedeutung des CTE
CTE ist eine einfache Zahl, aber sie wirkt sich auf viele Teile eines Leiterplattenprojekts aus. Wenn Sie nicht frühzeitig daran denken, kann es zu Lötstellenausfällen, gerissenen Teilen und geringer Zuverlässigkeit kommen. Wenn Sie den WAK von Anfang an einplanen, können Sie die Lebensdauer Ihrer Leiterplatte und Ihrer Bauteile erhöhen.
