Materiaalin lämpölaajenemiskerroin (CTE) on yksi materiaalin fysikaalinen ominaisuus. Kun lämpötila muuttuu, osa muuttaa muotoaan ja siihen kohdistuu jännityksiä. Emme voi estää sitä. Kaikkien elektroniikkatuotteiden valmistuksen ydin on vaatimusten mukaisten osien asettaminen piirilevylle (PCB). Liitämme osat piirilevyyn juottamalla. Osoitteessa läpireikätekniikka (THT), osissa on johtoja. Kun levy taipuu tai laajenee, johto taipuu ja imee itseensä jännitystä. Tällöin osan runkoon kohdistuu vähemmän rasitusta. Pidemmät johtimet merkitsevät siis sitä, että osan runkoon kohdistuu vähemmän rasitusta. Lämpötilan muutoksesta johtuva juotosjännitys vaikuttaa tällöin pääasiassa juotosliitokseen ja tyynyyn. Tämä vaikuttaa juotoksen luotettavuuteen.
Kun käytämme pinta-asennustekniikka (SMT), voimme laittaa lisää osia levylle. Mutta osilla ei ole pitkiä johtoja, jotka voisivat imeä stressiä. Jännitys menee suoraan osan runkoon. Se voi rikkoa osan tai juotosliitoksen, jos levy ja osa laajenevat eri nopeudella.
FR4-perusmateriaalin CTE-ominaisuudet
Yleinen lasikuituvahvisteinen perusmateriaali (fr4) on erilainen CTE z-akselilla (levyn paksuuden läpi) ja x-y-tasossa (levyä pitkin). Levy laajenee enemmän z-akselilla, kun lämpötila nousee. Kun materiaali on alle lasittumislämpötilan Tg, materiaali on lasitilassa ja sen CTE on pieni. Kutsumme tätä CTE-arvoa a1. Kun materiaali on Tg:n yläpuolella, materiaali on kumimaisessa tilassa ja sen CTE on suurempi. Kutsumme tätä CTE-arvoa a2:ksi. Yleensä a2 on noin kolme kertaa a1.
Esimerkiksi kun lämpötila on alle Tg:n, lasikuituepoksin CTE x- ja y-suunnissa ei myöskään ole sama. Se eroaa noin 1-5 ppm/°C. Z-suunnassa se on noin 20 ppm/°C. Kun suuressa pinta-asennettavassa laitteessa CTE vastaa levyn CTE:tä, tällä erolla on paljon merkitystä. Se auttaa lisäämään juotosliitoksen käyttöikää.
CTE:n vaikutus PTH:hen ja mikroviasiin
CTE on tärkeä tekijä PWA:n asennetuissa läpivientirei'issä ja mikroviassa. Näiden läpivientien kuvasuhde (eli levyn paksuus jaettuna reiän halkaisijalla) on yleensä suurempi kuin paljaaseen levyyn juuri valmiiksi poratun reiän kuvasuhde. Prosesseissa, kuten SMT-reflow, kappaleen poisto, korjausreflow, levyn valmistus, pallon kiinnitys, kuumailmapohjustus ja aaltojuottaminen, suuri z-suuntainen CTE aiheuttaa liikaa PTH:n vetojännitystä. Se voi aiheuttaa vikoja.
Kun valitset levyn pohjamateriaalia, sinun on siis ensin mietittävä, vastaako sen CTE asennettavien osien CTE:tä. Jos ne eivät vastaa toisiaan, sinun on ryhdyttävä korvaaviin toimenpiteisiin.
CTE:n perusmääritelmä ja merkitys PCB:n osalta
Monet ihmiset käyttävät sanaa CTE puhuessaan PCB:stä. Mutta kuinka moni todella tietää, mitä CTE tarkoittaa ja miten CTE alkaa vaikuttaa piirilevyyn?
CTE tarkoittaa lämpölaajenemiskerrointa. Se osoittaa koon prosentuaalisen muutoksen, kun piirilevyä lämmitetään tai jäähdytetään. Kaikki maailman materiaalit laajenevat tai kutistuvat hieman lämpötilan myötä. Esimerkiksi talo on kesällä hieman suurempi kuin talvella.
Jotkin materiaalit kutistuvat kuumennettaessa, mutta useimmat laajenevat hieman kuumennettaessa. Laajeneminen ilmoitetaan miljoonasosina celsiusastetta kohti (ppm/°C). Jos piirilevy laajenee sivusuunnassa 14 ppm/°C, se tarkoittaa, että jos piirilevy olisi miljoona tuumaa pitkä, se kasvaisi 14 tuumaa jokaista 1 °C:n nousua kohti.
CTE Epäsuhta PCB: n ja piisirujen välillä
Tyypillisen fr4-laminaatin CTE on 14-17 ppm/°C. Se näyttää hyvältä, kunnes sitä verrataan suureen piisiruun. Monien piisirujen CTE on lähellä 6 ppm/°C. Ero laajenemisessa on riittävän suuri - erityisesti suurissa BGA-paketeissa - jotta piirilevyn ja sirun lämmetessä piirilevy laajenee enemmän kuin siru. Tämä ylimääräinen liike voi vetää juotosliitoksia irti sirusta.
Piirilevyjen näkökulmasta valmistajat käyttävät usein matalan CTE-materiaalin materiaaleja. Mutta miten CTE vaikuttaa piirilevyyn ja siihen, miten me suunnittelemme ja valmistamme sen?
PCB-materiaalien ja komponenttien tyypilliset CTE-arvot
| Materiaali / komponentti | CTE (X-Y-suunta) ppm/°C | CTE (Z-suunta) ppm/°C | Huomautukset |
|---|---|---|---|
| Standardi FR-4 laminaatti | 14 - 17 | 60 - 70 (Tg:n yläpuolella voi olla >200) | Yleisin PCB-materiaali |
| Korkea Tg FR-4 | 12 - 16 | 50 - 60 | Parempi lämmönkestävyys |
| Polyimidi PCB-materiaali | 12 - 14 | 40 - 50 | Käytetään korkean lämpötilan sovelluksissa |
| Kupari | 16.5 - 17 | 16.5 - 17 | Viitejohtimen materiaali |
| Piisiru | 2,6 - 3 (irtotavarana oleva pii) | - | Paketin tehollinen ~6 ppm/°C |
| BGA-kotelo (tyypillinen) | 6 - 10 | - | Riippuu alustatyypistä |
| Keraaminen pakkaus | 6 - 8 | - | Hyvä CTE-yhteensopivuus piin kanssa |
| Alumiini | 22 - 24 | 22 - 24 | Käytetään metalliydinpiirilevyissä |
| Kupari-Invar-kupari (CIC) -ydin | 8 - 10 | 8 - 10 | Matala CTE-metalliydin |
| Kupari-molybdeeni-kupari (CMC) ydin | 6 - 8 | 6 - 8 | Erittäin alhainen CTE-metalliydin |
| Aramidi / Kevlar ydin | 7 - 8 | 7 - 8 | Matala CTE-komposiittimateriaali |
Low-CTE PCB Core -ratkaisut
Kun valitsemme laminaattia, tarkastelemme muun muassa Tg:n, dielektrisyysvakion Dk:n ja häviökertoimen Df:n kaltaisia ominaisuuksia. Näillä kaikilla on merkitystä ja ne vaikuttavat toisiinsa. Jos valitsemme laminaatin CTE:tä pienemmäksi, huomaamme, että kaikilla fr4-tyypeillä on samanlaiset CTE-arvot. Useimmat ovat edelleen korkeita (noin 14 ppm/°C). Tämä tarkoittaa, että hyvin suurissa piipaketeissa tarvitsemme toisen lähestymistavan CTE:n hallintaan. Yksi tapa on lisätä metallia, kevlaria tai aramidia oleva ydin.
Näitä matalan CTE:n ytimiä käytetään usein fr4-ulkokerrosten alla matalan CTE:n levyjen valmistuksessa. Metallisydämet voivat olla kupari-invar-kupari (CIC) tai kupari-molybdeenikupari (CMC). Ne ovat yleensä noin 6 milin paksuisia. Metallisydämen ulkopinnalla olevan kuparin ansiosta metallin päälle voidaan laminoida tavallisia fr4-prepregejä ja -sydämiä.
Kaksi yleisesti käytettyä metalliydintä ovat CIC ja CMC. Niiden CTE-arvot ovat noin 8 ppm/°C ja 6 ppm/°C. Kun kiinnität fr4-ulkokerrokset metalliytimeen, koko levyn CTE-arvoksi tulee noin 12 ppm/°C CIC:n osalta ja noin 9 ppm/°C CMC:n osalta.
Voimme käyttää ytimenä myös Kevlar Thermountia tai aramidilaminaattia. Niiden matala ydin-CTE on noin 7-8 ppm/°C. Kun käytetään tavallisia fr4-ulkokerroksia, koko levyn CTE on noin 12 ppm/°C. Monikerrostuotannossa matalan CTE:n ydin korvaa tyypillisen fr4-ytimen. On mielenkiintoista, että Kevlar-kuidulla on itse asiassa negatiivinen lämpölaajeneminen. Kun sidomme kuidut epoksilla, tuloksena on pieni positiivinen CTE.
Kustannukset, prosessi ja matalan CTE-asteen ydinten lisäedut
Kun käytetään low-CTE-laminaattia, kallein vaihtoehto on yleensä metalliydin. Kevlar- ja aramidilaminaatit maksavat vähemmän. Aiemmin Arlon Kevlar Thermount -laminaattia oli vaikea saada, mutta uusi tuotanto lisää nyt tarjontaa. Kaikki matalan CTE:n ytimet ovat vaikeampia porata ja käsitellä. Ne ovat kuitenkin ainoa tapa täyttää hyvin suurten piipakettien 6-9 ppm/°C:n vaatimukset.
CTE: n hallinnan lisäksi metalliydinpiirilevyt voivat myös parantaa suuritehoisen lämmönsiirron. Muista, että metalli laajenee kuumennettaessa enemmän kuin fr4. Metalliydin antaa paremman hallinnan levyn laajenemiseen kuin Kevlar. Metallisydän voi muuttaa koko levyn laajenemista enemmän kuin Kevlar.
Käytännön toimenpiteet CTE-eroriskin vähentämiseksi
Käytännössä voit vähentää CTE-virheiden riskiä tekemällä seuraavat perusasiat:
Yritä mahdollisuuksien mukaan sovittaa levyn CTE suuren paketin CTE:hen.
Käytä suurissa pakkauksissa matalan CTE:n ytimiä, kuten CIC-, CMC-, Kevlar- tai Aramid-sydämiä.
Tarkkaile Tg:tä ja käytä materiaaleja, joiden Tg on korkeimman prosessilämpötilasi yläpuolella.
Suunnittele SMT-osille tyynyt ja maadoituskuviot niin, että juotosliitoksiin kohdistuva rasitus vähenee.
Valmistaessa on säädettävä reflow-huippulämpötilaa ja jäähdytysnopeutta.
Käytä läpirei'itetyissä osissa johtimia, jotka voivat taipua ja ottaa vastaan jännitystä.
Tiedä, että matalan CTE-arvon omaavat sydämet maksavat enemmän ja että ne vaativat erilaisia poraustyökaluja ja -prosesseja.
Yhteenveto CTE:n merkityksestä
CTE on yksinkertainen luku, mutta se vaikuttaa moniin PCB-projektin osiin. Jos sitä ei mietitä aikaisessa vaiheessa, seurauksena voi olla juotosliitosten epäonnistumisia, halkeilevia osia ja heikko luotettavuus. Jos suunnittelet CTE:n alusta alkaen, saat levystäsi ja osistasi paremman käyttöiän.
