Ο συντελεστής θερμικής διαστολής υλικού (CTE) είναι μια φυσική ιδιότητα ενός υλικού. Όταν η θερμοκρασία μεταβάλλεται, το εξάρτημα αλλάζει σχήμα και παρουσιάζει τάσεις. Δεν μπορούμε να το σταματήσουμε αυτό. Ο πυρήνας της κατασκευής οποιουδήποτε ηλεκτρονικού προϊόντος είναι η τοποθέτηση εξαρτημάτων που πληρούν τις απαιτήσεις σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Ενώνουμε τα εξαρτήματα στην πλακέτα με συγκόλληση. Για το τεχνολογία διαμπερούς οπής (THT), τα μέρη έχουν καλώδια. Όταν η πλακέτα λυγίζει ή διαστέλλεται, το καλώδιο λυγίζει και απορροφά κάποια πίεση. Το σώμα του εξαρτήματος δέχεται τότε λιγότερη καταπόνηση. Έτσι, τα μεγαλύτερα καλώδια σημαίνουν ότι λιγότερη πίεση μεταφέρεται στο σώμα του εξαρτήματος. Η τάση συγκόλλησης από τη μεταβολή της θερμοκρασίας επηρεάζει τότε κυρίως την ένωση συγκόλλησης και το μαξιλάρι. Αυτό επηρεάζει την αξιοπιστία της συγκόλλησης.
Όταν χρησιμοποιούμε τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης (SMT), μπορούμε να τοποθετήσουμε περισσότερα εξαρτήματα στον πίνακα. Αλλά τα εξαρτήματα δεν έχουν μακρά καλώδια για να απορροφήσουν το στρες. Το στρες πηγαίνει κατευθείαν στο σώμα του εξαρτήματος. Αυτό μπορεί να σπάσει το εξάρτημα ή την ένωση συγκόλλησης αν η πλακέτα και το εξάρτημα διαστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς.
Χαρακτηριστικά CTE του βασικού υλικού FR4
Κοινό υλικό βάσης ενισχυμένο με ίνες γυαλιού (fr4) έχει διαφορετικό CTE στον άξονα z (μέσω του πάχους της πλακέτας) και στο επίπεδο x-y (κατά μήκος της πλακέτας). Η πλακέτα θα διαστέλλεται περισσότερο στον άξονα z όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Όταν το υλικό βρίσκεται κάτω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης Tg, το υλικό βρίσκεται σε υαλώδη κατάσταση και η CTE του είναι μικρή. Ονομάζουμε αυτή την τιμή CTE α1. Όταν το υλικό είναι πάνω από την Tg, το υλικό βρίσκεται σε κατάσταση που μοιάζει με καουτσούκ και η CTE του είναι μεγαλύτερη. Ονομάζουμε αυτή την τιμή CTE a2. Συνήθως η a2 είναι περίπου τριπλάσια της a1.
Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από την Tg, η CTE εποξειδικών ινών γυαλιού στις διευθύνσεις x και y δεν είναι η ίδια. Διαφέρει κατά περίπου 1 έως 5 ppm/°C. Στη διεύθυνση z είναι περίπου 20 ppm/°C. Όταν μια μεγάλη συσκευή επιφανειακής τοποθέτησης έχει CTE που ταιριάζει με την πλακέτα, αυτή η διαφορά έχει μεγάλη σημασία. Βοηθά στην αύξηση της διάρκειας ζωής της συγκολλητικής ένωσης.
Επίδραση της CTE στην PTH και τις Microvias
Η CTE είναι ένας σημαντικός παράγοντας για τις διαμπερείς οπές και τις μικροδιαβρώσεις που τοποθετούνται σε PWA. Ο λόγος διαστάσεων (δηλαδή το πάχος της πλακέτας διαιρούμενο με τη διάμετρο της οπής) για αυτά τα vias είναι συνήθως μεγαλύτερος από τον λόγο διαστάσεων μιας μόλις τελειωμένης διάτρητης οπής σε μια γυμνή πλακέτα. Σε διεργασίες όπως η επαναπλήρωση SMT, η αφαίρεση εξαρτημάτων, η επαναπλήρωση για επισκευή, η κατασκευή πλακετών, η προσάρτηση σφαιρών, η ισοπέδωση με θερμό αέρα και η κυματοκόλληση, ένα μεγάλο CTE στην κατεύθυνση z θα προκαλέσει υπερβολική εφελκυστική τάση PTH. Αυτό μπορεί να προκαλέσει αστοχίες.
Έτσι, όταν επιλέγετε ένα υλικό βάσης πλακέτας, πρέπει πρώτα να σκεφτείτε αν το CTE του ταιριάζει με το CTE των εξαρτημάτων που πρόκειται να τοποθετηθούν. Εάν δεν ταιριάζουν, πρέπει να λάβετε μέτρα αντιστάθμισης.
Βασικός ορισμός και σημασία της CTE για τα PCBs
Πολλοί άνθρωποι χρησιμοποιούν τη λέξη CTE όταν μιλούν για τα PCB. Αλλά πόσοι γνωρίζουν πραγματικά τι σημαίνει CTE και πώς αρχίζει να επηρεάζει μια πλακέτα;
CTE σημαίνει συντελεστής θερμικής διαστολής. Δείχνει την ποσοστιαία μεταβολή του μεγέθους όταν ένα PCB θερμαίνεται ή ψύχεται. Κάθε υλικό στον κόσμο διαστέλλεται ή συρρικνώνεται λίγο με τη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, ένα σπίτι είναι ελαφρώς μεγαλύτερο το καλοκαίρι από ό,τι το χειμώνα.
Ορισμένα υλικά συρρικνώνονται όταν θερμαίνονται, αλλά τα περισσότερα διαστέλλονται λίγο όταν θερμαίνονται. Η διαστολή εμφανίζεται σε μέρη ανά εκατομμύριο ανά βαθμό Κελσίου (ppm/°C). Εάν ένα PCB διαστέλλεται κατά 14 ppm/°C πλευρικά, αυτό σημαίνει ότι εάν ένα PCB είχε μήκος ένα εκατομμύριο ίντσες, θα μεγάλωνε κατά 14 ίντσες για κάθε αύξηση κατά 1°C.
Αντιστοιχία CTE μεταξύ PCB και τσιπ πυριτίου
Ένα τυπικό έλασμα fr4 έχει CTE 14 έως 17 ppm/°C. Αυτό φαίνεται εντάξει μέχρι να το συγκρίνουμε με ένα μεγάλο τσιπ πυριτίου. Πολλά τσιπ πυριτίου έχουν CTE κοντά στα 6 ppm/°C. Η διαφορά στη διαστολή είναι αρκετά μεγάλη -ειδικά για μεγάλα πακέτα BGA- ώστε όταν η πλακέτα και το τσιπ θερμαίνονται, η πλακέτα θα διασταλεί περισσότερο από το τσιπ. Αυτή η επιπλέον κίνηση μπορεί να τραβήξει τις ενώσεις συγκόλλησης από το τσιπ.
Έτσι, από την άποψη των PCB, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν συχνά υλικά χαμηλής CTE. Αλλά πώς επηρεάζει το CTE την πλακέτα και τον τρόπο με τον οποίο τη σχεδιάζουμε και την κατασκευάζουμε;
Τυπικές τιμές CTE υλικών και εξαρτημάτων PCB
| Υλικό / Συστατικό | CTE (κατεύθυνση X-Y) ppm/°C | CTE (κατεύθυνση Z) ppm/°C | Σημειώσεις |
|---|---|---|---|
| Τυποποιημένο φύλλο FR-4 | 14 - 17 | 60 - 70 (πάνω από το Tg μπορεί να είναι >200) | Πιο κοινό υλικό PCB |
| Υψηλή Tg FR-4 | 12 - 16 | 50 - 60 | Καλύτερη θερμική σταθερότητα |
| Υλικό PCB πολυμερούς | 12 - 14 | 40 - 50 | Χρησιμοποιείται για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας |
| Χαλκός | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | Υλικό αγωγού αναφοράς |
| Chip πυριτίου | 2,6 - 3 (πυρίτιο χύμα) | - | Συσκευασία αποτελεσματική ~6 ppm/°C |
| Συσκευασία BGA (τυπική) | 6 - 10 | - | Εξαρτάται από τον τύπο του υποστρώματος |
| Κεραμικό πακέτο | 6 - 8 | - | Καλή αντιστοίχιση CTE με πυρίτιο |
| Αλουμίνιο | 22 - 24 | 22 - 24 | Χρησιμοποιείται σε PCB με μεταλλικό πυρήνα |
| Πυρήνας χαλκού-ινβάρ-χαλκού (CIC) | 8 - 10 | 8 - 10 | Μεταλλικός πυρήνας χαμηλής CTE |
| Πυρήνας χαλκού-μολυβδαινίου-χαλκού (CMC) | 6 - 8 | 6 - 8 | Μεταλλικός πυρήνας πολύ χαμηλού CTE |
| Πυρήνας αραμιδίου / Kevlar | 7 - 8 | 7 - 8 | Σύνθετο υλικό χαμηλής CTE |
Λύσεις πυρήνων PCB χαμηλής CTE
Όταν επιλέγουμε ένα έλασμα εξετάζουμε προδιαγραφές όπως Tg, διηλεκτρική σταθερά Dk και παράγοντα διάχυσης Df, μεταξύ άλλων. Όλα αυτά έχουν σημασία και επηρεάζουν το ένα το άλλο. Εάν επιλέξουμε ένα έλασμα για να μειώσουμε το CTE, θα διαπιστώσουμε ότι όλοι οι τύποι fr4 έχουν παρόμοιες τιμές CTE. Οι περισσότερες εξακολουθούν να είναι υψηλές (περίπου 14 ppm/°C). Αυτό σημαίνει ότι για πολύ μεγάλες συσκευασίες πυριτίου χρειαζόμαστε μια άλλη προσέγγιση για τον έλεγχο του CTE. Ένας τρόπος είναι να προσθέσουμε έναν πυρήνα από μέταλλο, Kevlar ή αραμίδιο.
Αυτοί οι πυρήνες χαμηλής CTE χρησιμοποιούνται συχνά κάτω από εξωτερικές στρώσεις fr4 για την κατασκευή πλακετών χαμηλής CTE. Οι μεταλλικοί πυρήνες μπορεί να είναι χαλκός-ινβάρ-χαλκός (CIC) ή χαλκός-μολυβδαίνιο-χαλκός (CMC). Το πάχος τους είναι συνήθως περίπου 6 mil. Ο χαλκός στην εξωτερική επιφάνεια του μεταλλικού πυρήνα μας επιτρέπει να τοποθετήσουμε κανονικά prepregs και πυρήνες fr4 πάνω στο μέταλλο.
Δύο ευρέως χρησιμοποιούμενοι μεταλλικοί πυρήνες είναι οι CIC και CMC. Οι τιμές CTE των πυρήνων τους είναι περίπου 8 ppm/°C και 6 ppm/°C, αντίστοιχα. Όταν αγκυρώνετε τα εξωτερικά στρώματα fr4 σε έναν μεταλλικό πυρήνα, η συνολική CTE της πλακέτας γίνεται περίπου 12 ppm/°C για το CIC και περίπου 9 ppm/°C για το CMC.
Μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε ένα Kevlar Thermount ή ένα έλασμα αραμιδίου ως πυρήνα. Το χαμηλό CTE πυρήνα τους είναι περίπου 7 έως 8 ppm/°C. Με τα τυπικά εξωτερικά στρώματα fr4, η CTE ολόκληρης της πλακέτας γίνεται περίπου 12 ppm/°C. Στην παραγωγή πολλαπλών στρωμάτων, ένας πυρήνας χαμηλής CTE αντικαθιστά έναν τυπικό πυρήνα fr4. Είναι ενδιαφέρον ότι η ίδια η ίνα Kevlar έχει στην πραγματικότητα αρνητική θερμική διαστολή. Όταν δεσμεύουμε τις ίνες με εποξειδικό υλικό, το αποτέλεσμα είναι ένα μικρό θετικό CTE.
Κόστος, διαδικασία και πρόσθετα πλεονεκτήματα των πυρήνων Low-CTE
Χρησιμοποιώντας ένα έλασμα χαμηλής CTE, η πιο ακριβή επιλογή είναι συνήθως ο μεταλλικός πυρήνας. Τα ελάσματα κέβλαρ και αραμιδίου κοστίζουν λιγότερο. Στο παρελθόν, το Arlon Kevlar Thermount ήταν δυσεύρετο, αλλά η νέα παραγωγή αυξάνει τώρα την προσφορά. Όλοι οι πυρήνες χαμηλής CTE είναι πιο δύσκολοι στη διάτρηση και στην επεξεργασία. Αλλά είναι ο μόνος τρόπος για να καλυφθούν οι ανάγκες των 6-9 ppm/°C των πολύ μεγάλων πακέτων πυριτίου.
Εκτός από τον έλεγχο του CTE, τα PCB με μεταλλικό πυρήνα μπορούν επίσης να βελτιώσουν τη μεταφορά θερμότητας υψηλής ισχύος. Θυμηθείτε ότι το μέταλλο διαστέλλεται περισσότερο από το fr4 όταν θερμαίνεται. Ένας μεταλλικός πυρήνας δίνει μεγαλύτερο έλεγχο της διαστολής της πλακέτας από ό,τι το Kevlar. Ένας μεταλλικός πυρήνας μπορεί να αλλάξει τη διαστολή ολόκληρης της πλακέτας περισσότερο από ό,τι το Kevlar.
Πρακτικά μέτρα για τη μείωση του κινδύνου αναντιστοιχίας CTE
Στην πράξη, για να μειώσετε τον κίνδυνο αναντιστοιχίας CTE μπορείτε να κάνετε τα εξής βασικά πράγματα:
Προσπαθήστε να ταιριάξετε το CTE της πλακέτας με το CTE της μεγάλης συσκευασίας όταν μπορείτε.
Χρησιμοποιήστε πυρήνες χαμηλής CTE όπως CIC, CMC, Kevlar ή αραμίδιο για μεγάλες συσκευασίες.
Προσέξτε την Tg και χρησιμοποιήστε υλικά με Tg πάνω από την υψηλότερη θερμοκρασία της διεργασίας σας.
Για εξαρτήματα SMT, σχεδιάστε τα μαξιλαράκια και τα μοτίβα γείωσης για να μειώσετε την πίεση στις ενώσεις συγκόλλησης.
Κατά την κατασκευή, ελέγξτε τη μέγιστη θερμοκρασία επαναρροής και τους ρυθμούς ψύξης.
Για εξαρτήματα διαμπερούς οπής, χρησιμοποιήστε καλώδια που μπορούν να λυγίσουν για να αναλάβουν την πίεση.
Γνωρίζετε ότι οι πυρήνες με χαμηλό CTE κοστίζουν περισσότερο και χρειάζονται διαφορετικά εργαλεία και διαδικασίες διάτρησης.
Σύνοψη της σημασίας του CTE
Το CTE είναι ένας απλός αριθμός, αλλά επηρεάζει πολλά μέρη ενός έργου PCB. Αν δεν το σκεφτείτε έγκαιρα, μπορεί να δείτε αστοχίες στις ενώσεις συγκόλλησης, ραγισμένα εξαρτήματα και χαμηλή αξιοπιστία. Αν σχεδιάσετε το CTE από την αρχή, θα έχετε καλύτερη διάρκεια ζωής από την πλακέτα και τα εξαρτήματά σας.
