ضریب انبساط حرارتی ماده (CTE) یکی از خواص فیزیکی یک ماده است. وقتی دما تغییر میکند، قطعه شکل خود را تغییر میدهد و تنش ایجاد میشود. ما نمیتوانیم این را متوقف کنیم. هستهی ساخت هر محصول الکترونیکی، قرار دادن قطعاتی است که نیازمندیها را برآورده میکنند روی برد مدار چاپی (PCB). ما قطعات را با لحیمکاری به برد متصل میکنیم. برای فناوری سوراخگذر (THT), قطعات دارای پایهها هستند. وقتی برد خم یا منبسط میشود، پایه خم شده و مقداری از تنش را جذب میکند. در نتیجه بدنهی قطعه تنش کمتری را تجربه میکند. بنابراین پایههای بلندتر به معنای وارد شدن تنش کمتر به بدنهی قطعه است. تنش لحیم ناشی از تغییر دما عمدتاً بر محل لحیم و پد تأثیر میگذارد. این امر بر قابلیت اطمینان لحیم تأثیر دارد.
وقتی ما استفاده میکنیم فناوری نصب سطحی (SMT), میتوانیم قطعات بیشتری روی برد قرار دهیم. اما قطعات پایههای بلندی ندارند که تنش را جذب کنند. تنش مستقیماً وارد بدنه قطعه میشود. این میتواند قطعه یا محل لحیم را بشکند اگر برد و قطعه با نرخهای متفاوتی منبسط شوند.
ویژگیهای CTE ماده پایه FR4
مادهٔ پایهٔ رایج تقویتشده با الیاف شیشهای (FR4) CTE در محور z (در ضخامت برد) و صفحه x-y (در طول برد) متفاوت است. برد با افزایش دما در محور z بیشتر منبسط میشود. وقتی ماده زیر دمای انتقال شیشهای Tg باشد، در حالت شیشهای قرار دارد و ضریب انبساط حرارتی آن کم است. این مقدار CTE را a1 مینامیم. وقتی ماده بالای Tg باشد، در حالت لاستیکی قرار دارد و ضریب انبساط حرارتی آن بزرگتر است. ما این مقدار ضریب انبساط حرارتی را a2 مینامیم. معمولاً a2 حدود سه برابر a1 است.
برای مثال، وقتی دما زیر Tg باشد، ضریب انبساط حرارتی (CTE) اپوکسی الیاف شیشهای در جهات x و y نیز یکسان نیست. این اختلاف حدود ۱ تا ۵ ppm/°C است. در جهت z حدود ۲۰ ppm/°C است. وقتی یک دستگاه بزرگ نصب سطحی (SMD) ضریب انبساط حرارتیاش با برد مطابقت داشته باشد، این اختلاف اهمیت زیادی دارد. این موضوع به افزایش عمر محل لحیم کمک میکند.
تأثیر CTE بر PTH و میکروویاها
CTE یک عامل مهم برای سوراخهای عبوری نصبشده PWA و میکروویاها است. نسبت ابعاد (یعنی ضخامت برد تقسیم بر قطر سوراخ) برای این ویاس معمولاً بزرگتر از نسبت ابعاد یک سوراخ تازه مته شده در یک برد خام است. در فرآیندهایی مانند ریفلو SMT، برداشت قطعه، ریفلو برای تعمیر، ساخت برد، نصب توپک (بول)، ترازسازی با هوای گرم و لحیمکاری موجی، ضریب انبساط حرارتی زیاد در جهت z باعث ایجاد تنش کششی بیش از حد در PTH میشود. این امر میتواند منجر به نقص شود.
پس وقتی مادهٔ پایهٔ تخته را انتخاب میکنید، ابتدا باید بررسی کنید که ضریب انبساط حرارتی (CTE) آن با ضریب انبساط حرارتی قطعاتی که قرار است روی آن نصب شوند مطابقت دارد یا خیر. اگر مطابقت نداشته باشند، باید اقدامات جبرانی انجام دهید.
تعریف و اهمیت پایهای CTE برای بردهای PCB
بسیاری از افراد وقتی درباره PCBها صحبت میکنند از واژه CTE استفاده میکنند. اما چند نفر واقعاً میدانند CTE به چه معناست و چگونه CTE شروع به تأثیرگذاری بر یک برد میکند؟
CTE مخفف ضریب انبساط حرارتی است. این ضریب درصد تغییر در اندازه را هنگام گرم یا سرد شدن یک برد مدار چاپی نشان میدهد. هر مادهای در جهان با تغییر دما کمی منبسط یا منقبض میشود. برای مثال، یک خانه در تابستان کمی بزرگتر از زمستان است.
برخی مواد هنگام گرم شدن منقبض میشوند، اما بیشتر مواد هنگام گرم شدن کمی منبسط میشوند. میزان انبساط بر حسب بخش در میلیون به ازای هر درجه سانتیگراد (ppm/°C) نشان داده میشود. اگر یک برد مدار چاپی (PCB) از نظر جانبی با نرخ ۱۴ بخش در میلیون به ازای هر درجه سانتیگراد منبسط شود، یعنی اگر طول آن یک میلیون اینچ باشد، با هر افزایش ۱ درجه سانتیگراد، ۱۴ اینچ رشد خواهد کرد.
نامطابقت CTE بین برد مدار چاپی و تراشههای سیلیکونی
یک لایمیت FR4 معمولی ضریب انبساط حرارتی (CTE) برابر با ۱۴ تا ۱۷ قسمت در میلیون در هر درجه سانتیگراد دارد. این مقدار تا زمانی که آن را با یک تراشه بزرگ سیلیکونی مقایسه نکنیم، مناسب به نظر میرسد. بسیاری از تراشههای سیلیکونی ضریب انبساط حرارتی نزدیک به ۶ قسمت در میلیون در هر درجه سانتیگراد دارند. تفاوت در انبساط به اندازهای زیاد است—بهویژه برای بستههای بزرگ BGA—که وقتی PCB و تراشه گرم میشوند، PCB بیشتر از تراشه منبسط میشود. این حرکت اضافی میتواند باعث جدا شدن اتصالات لحیم از روی تراشه شود.
از دیدگاه برد مدار چاپی، سازندگان اغلب از مواد با ضریب انبساط حرارتی پایین استفاده میکنند. اما ضریب انبساط حرارتی چگونه بر برد و نحوه طراحی و ساخت آن تأثیر میگذارد؟
مقادیر معمول CTE برای مواد و قطعات PCB
| مواد / مؤلفه | CTE (جهت X-Y) ppm/°C | CTE (جهت Z) ppm/°C | یادداشتها |
|---|---|---|---|
| لامینت استاندارد FR-4 | ۱۴ – ۱۷ | ۶۰ – ۷۰ (در بالای Tg میتواند >۲۰۰ باشد) | رایجترین ماده برد مدار چاپی |
| FR-4 با Tg بالا | ۱۲ – ۱۶ | پنجاه – شصت | پایداری حرارتی بهتر |
| مواد PCB پلیامید | ۱۲ – ۱۴ | چهل – پنجاه | مورد استفاده برای کاربردهای دمایی بالا |
| مس | ۱۶.۵ – ۱۷ | ۱۶.۵ – ۱۷ | مادهٔ رسانای مرجع |
| چیپ سیلیکونی | ۲.۶ – ۳ (سیلیکون عمده) | — | بسته: تقریباً ۶ قسمت در میلیون به ازای هر درجه سانتیگراد |
| پکیج BGA (معمولی) | شش تا ده | — | بسته به نوع بستر است |
| بسته سرامیکی | شش – هشت | — | مطابقت خوب CTE با سیلیکون |
| آلومینیوم | ۲۲ – ۲۴ | ۲۲ – ۲۴ | مورد استفاده در PCB با هسته فلزی |
| هسته مسی-اینوار-مس (CIC) | هشت – ده | هشت – ده | هسته فلزی با CTE پایین |
| هسته مس-مولیبدن-مس (CMC) | شش – هشت | شش – هشت | هسته فلزی با CTE بسیار پایین |
| هسته آرامیل / کولار | هفت – هشت | هفت – هشت | ماده مرکب کمهزینه تولید |
راهکارهای هسته PCB با ضریب انبساط حرارتی پایین
وقتی یک لامینیت را انتخاب میکنیم، به مشخصاتی مانند Tg، ضریب دیالکتریک Dk و ضریب اتلاف Df و غیره نگاه میکنیم. همه اینها مهم هستند و بر یکدیگر تأثیر میگذارند. اگر لامینیتی را برای کاهش ضریب انبساط حرارتی (CTE) انتخاب کنیم، متوجه میشویم که همه انواع FR4 دارای مقادیر CTE مشابهی هستند. اکثر آنها هنوز بالا هستند (حدود ۱۴ قسمت در میلیون در هر درجه سانتیگراد). این بدان معناست که برای بستهبندیهای بسیار بزرگ سیلیکون باید رویکرد دیگری برای کنترل ضریب انبساط حرارتی اتخاذ کنیم. یکی از راهها افزودن هستهای از فلز، کولار یا آرامیل است.
این هستههای با ضریب انبساط حرارتی پایین اغلب زیر لایههای بیرونی FR4 برای ساخت بردهای با ضریب انبساط حرارتی پایین استفاده میشوند. هستههای فلزی میتوانند از نوع مس-اینوار-مس (CIC) یا مس-مولیبدن-مس (CMC) باشند. ضخامت آنها معمولاً حدود ۶ میل است. وجود مس روی سطح بیرونی هستهی فلزی به ما امکان میدهد تا پریپرگهای FR4 معمولی و هستهها را روی فلز لمینت کنیم.
دو هسته فلزی رایج CIC و CMC هستند. مقادیر ضریب انبساط حرارتی هسته آنها به ترتیب حدود ۸ ppm/°C و ۶ ppm/°C است. وقتی لایههای بیرونی FR4 را به هسته فلزی متصل میکنید، ضریب انبساط حرارتی کلی برد برای CIC حدود ۱۲ ppm/°C و برای CMC حدود ۹ ppm/°C میشود.
ما همچنین میتوانیم از Kevlar Thermount یا یک لامینیت آرامیل به عنوان هسته استفاده کنیم. ضریب انبساط حرارتی (CTE) پایین هسته آنها حدود ۷ تا ۸ ppm/°C است. با لایههای بیرونی استاندارد FR4، ضریب انبساط حرارتی کل برد به حدود ۱۲ ppm/°C میرسد. در تولید چندلایه، هستهای با ضریب انبساط حرارتی پایین جایگزین هستهٔ معمولی FR4 میشود. جالب است که فیبر کولار خود دارای انبساط حرارتی منفی است. وقتی الیاف را با اپوکسی میبندیم، نتیجه ضریب انبساط مثبت و کمی است.
هزینه، فرآیند و مزایای اضافی هستههای با ضریب انبساط حرارتی پایین
با استفاده از لمینت با ضریب انبساط حرارتی پایین، معمولاً گرانترین گزینه هسته فلزی است. لمینتهای کولار و آرامیل هزینه کمتری دارند. در گذشته تهیه Arlon Kevlar Thermount دشوار بود، اما تولید جدید اکنون عرضه را افزایش داده است. تمام هستههای با ضریب انبساط حرارتی پایین سختتر سوراخکاری و پردازش میشوند. اما آنها تنها راه برای برآورده کردن نیاز ۶–۹ پیپیام بر درجه سانتیگراد در بستهبندیهای بسیار بزرگ سیلیکون هستند.
علاوه بر کنترل CTE، بردهای PCB با هسته فلزی میتوانند انتقال حرارت در توانهای بالا را نیز بهبود بخشند. به یاد داشته باشید که فلز هنگام گرم شدن بیشتر از FR4 منبسط میشود. هسته فلزی کنترل بیشتری بر انبساط برد نسبت به کولار فراهم میکند. هسته فلزی میتواند انبساط کل برد را بیش از کولار تغییر دهد.
اقدامات عملی برای کاهش خطر عدم تطابق CTE
در عمل، برای کاهش خطر ناسازگاری CTE میتوانید این کارهای پایهای را انجام دهید:
هرگاه امکان دارد، سعی کنید ضریب انبساط حرارتی برد را با ضریب انبساط حرارتی بستهبندی بزرگ مطابقت دهید.
برای بستهبندیهای بزرگ از هستههای با ضریب انبساط حرارتی پایین مانند CIC، CMC، کولار یا آرامیل استفاده کنید.
دمای انتقال شیشهای (Tg) را زیر نظر داشته باشید و از موادی استفاده کنید که دمای انتقال شیشهای آنها بالاتر از بالاترین دمای فرآیند شما باشد.
برای قطعات SMT، پدها و الگوهای زمین را طوری طراحی کنید که تنش روی اتصالات لحیم را کاهش دهد.
در ساخت، دمای اوج ریفلو و نرخهای خنکسازی را کنترل کنید.
برای قطعات با سوراخهای عبوری، از پایههایی استفاده کنید که بتوانند خم شوند تا تنش را جذب کنند.
بدانید که هستههای با ضریب انبساط حرارتی پایینتر هزینه بیشتری دارند و به ابزارها و فرآیندهای حفاری متفاوتی نیاز دارند.
خلاصهای از اهمیت آموزش حرفهای و فنی
CTE یک عدد ساده است، اما بر بخشهای زیادی از یک پروژه PCB تأثیر میگذارد. اگر از ابتدا به آن فکر نکنید، ممکن است شاهد خرابی محل لحیمکاری، ترکخوردگی قطعات و کاهش قابلیت اطمینان باشید. اگر از ابتدا برای CTE برنامهریزی کنید، عمر مفید برد و قطعاتتان افزایش خواهد یافت.
