Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là một trong những tính chất vật lý của vật liệu. Khi nhiệt độ thay đổi, linh kiện sẽ biến dạng và chịu ứng suất. Chúng ta không thể ngăn chặn điều đó. Yếu tố cốt lõi trong việc sản xuất bất kỳ sản phẩm điện tử nào là lắp đặt các linh kiện đáp ứng yêu cầu lên bảng mạch in (PCB). Chúng ta kết nối các linh kiện với bảng mạch bằng cách hàn. Đối với công nghệ lỗ thông (THT), các linh kiện có chân hàn. Khi bảng mạch uốn cong hoặc giãn nở, chân hàn sẽ uốn cong và hấp thụ một phần lực căng. Do đó, thân linh kiện phải chịu ít lực căng hơn. Vì vậy, chân hàn dài hơn đồng nghĩa với việc thân linh kiện phải chịu ít lực căng hơn. Lực căng do hàn gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ chủ yếu tác động đến mối hàn và điểm tiếp xúc. Điều này ảnh hưởng đến độ tin cậy của mối hàn.
Khi chúng ta sử dụng công nghệ lắp ráp bề mặt (SMT), chúng ta có thể lắp thêm linh kiện lên bảng mạch. Tuy nhiên, các linh kiện này không có chân dài để hấp thụ lực căng. Lực căng sẽ tác động trực tiếp lên thân linh kiện. Điều này có thể làm hỏng linh kiện hoặc mối hàn nếu bảng mạch và linh kiện giãn nở với tốc độ khác nhau.
Các đặc tính CTE của vật liệu nền FR4
Vật liệu nền gia cố sợi thủy tinh thông dụng (FR4) có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) khác nhau theo trục z (theo chiều dày tấm) và mặt phẳng x-y (theo chiều dài tấm). Tấm sẽ giãn nở nhiều hơn theo trục z khi nhiệt độ tăng. Khi vật liệu ở dưới nhiệt độ chuyển pha thủy tinh Tg, vật liệu ở trạng thái thủy tinh và hệ số giãn nở nhiệt của nó nhỏ. Chúng ta gọi giá trị CTE này là a1. Khi vật liệu ở trên Tg, vật liệu ở trạng thái giống cao su và hệ số giãn nở nhiệt của nó lớn hơn. Chúng ta gọi giá trị CTE này là a2. Thông thường, a2 gấp khoảng ba lần a1.
Ví dụ, khi nhiệt độ thấp hơn Tg, hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu sợi thủy tinh epoxy theo các hướng x và y cũng không giống nhau. Sự chênh lệch này dao động khoảng 1 đến 5 ppm/°C. Theo hướng z, giá trị này vào khoảng 20 ppm/°C. Khi một linh kiện gắn bề mặt có kích thước lớn có hệ số giãn nở nhiệt tương thích với bảng mạch, sự khác biệt này có ý nghĩa rất lớn. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ của mối hàn.
Tác động của CTE đối với PTH và các lỗ vi mạch
CTE là một yếu tố quan trọng đối với các lỗ xuyên qua và lỗ vi mô trên bảng mạch in (PWA). Tỷ lệ khung hình (tức là độ dày bảng mạch chia cho đường kính lỗ) của các lỗ này thường lớn hơn tỷ lệ khung hình của một lỗ vừa được khoan trên bảng mạch trần. Trong các quy trình như hàn lại SMT, tháo linh kiện, hàn lại để sửa chữa, sản xuất bảng mạch, gắn bóng, làm phẳng bằng khí nóng và hàn sóng, CTE theo hướng z lớn sẽ gây ra ứng suất kéo quá lớn cho PTH. Điều đó có thể dẫn đến hỏng hóc.
Vì vậy, khi chọn vật liệu nền cho bảng mạch, trước tiên bạn phải xem xét liệu hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của vật liệu đó có phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của các linh kiện sẽ được lắp đặt hay không. Nếu hai hệ số này không khớp nhau, bạn phải thực hiện các biện pháp bù đắp.
Định nghĩa cơ bản và tầm quan trọng của CTE đối với PCB
Nhiều người thường dùng từ CTE khi nói về bảng mạch in (PCB). Nhưng có bao nhiêu người thực sự hiểu CTE nghĩa là gì và CTE bắt đầu ảnh hưởng đến bảng mạch như thế nào?
CTE là viết tắt của hệ số giãn nở nhiệt. Chỉ số này thể hiện mức thay đổi về kích thước tính theo phần trăm khi bảng mạch in (PCB) được làm nóng hoặc làm lạnh. Mọi vật liệu trên thế giới đều giãn nở hoặc co lại một chút khi nhiệt độ thay đổi. Ví dụ, một ngôi nhà sẽ có kích thước lớn hơn một chút vào mùa hè so với mùa đông.
Một số vật liệu co lại khi được làm nóng, nhưng phần lớn lại giãn nở một chút khi được làm nóng. Độ giãn nở được biểu thị bằng đơn vị phần triệu trên mỗi độ C (ppm/°C). Nếu một bảng mạch in (PCB) giãn nở 14 ppm/°C theo chiều ngang, điều đó có nghĩa là nếu bảng mạch đó dài một triệu inch, nó sẽ giãn nở thêm 14 inch cho mỗi độ C tăng lên.
Sự không tương thích CTE giữa bảng mạch in (PCB) và chip silicon
Một tấm laminate FR4 tiêu chuẩn có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) từ 14 đến 17 ppm/°C. Con số này có vẻ chấp nhận được cho đến khi so sánh với một chip silicon cỡ lớn. Nhiều chip silicon có CTE khoảng 6 ppm/°C. Sự chênh lệch về độ giãn nở này đủ lớn — đặc biệt đối với các gói BGA cỡ lớn — đến mức khi PCB và chip nóng lên, PCB sẽ giãn nở nhiều hơn chip. Sự dịch chuyển thêm này có thể làm bong các mối hàn khỏi chip.
Vì vậy, từ góc độ PCB, các nhà sản xuất thường sử dụng các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp. Nhưng hệ số giãn nở nhiệt (CTE) ảnh hưởng đến bảng mạch như thế nào, và nó tác động ra sao đến quá trình thiết kế và sản xuất của chúng ta?
Các giá trị CTE điển hình của vật liệu và linh kiện PCB
| Vật liệu / Linh kiện | CTE (hướng X-Y) ppm/°C | CTE (hướng Z) ppm/°C | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Tấm laminate FR-4 tiêu chuẩn | 14 – 17 | 60 – 70 (giá trị Tg có thể lớn hơn 200) | Vật liệu PCB phổ biến nhất |
| FR-4 có nhiệt độ chuyển pha cao | 12 – 16 | 50 – 60 | Độ ổn định nhiệt cao hơn |
| Vật liệu PCB polyimide | 12 – 14 | 40 – 50 | Dùng cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao |
| Đồng | 16,5 – 17 | 16,5 – 17 | Vật liệu dây dẫn tham chiếu |
| Con chip silicon | 2,6 – 3 (silic khối) | — | Hiệu suất của gói ~6 ppm/°C |
| Gói BGA (loại thông thường) | 6 – 10 | — | Tùy thuộc vào loại chất nền |
| Vỏ gốm | 6 – 8 | — | Khả năng tương thích CTE tốt với silicon |
| Nhôm | 22 – 24 | 22 – 24 | Được sử dụng trong bảng mạch in lõi kim loại |
| Lõi đồng-Invar-đồng (CIC) | 8 – 10 | 8 – 10 | Lõi kim loại có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp |
| Lõi đồng-molypden-đồng (CMC) | 6 – 8 | 6 – 8 | Lõi kim loại có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) rất thấp |
| Lõi aramid / Kevlar | 7 – 8 | 7 – 8 | Vật liệu composite có hệ số giãn nở nhiệt thấp |
Giải pháp lõi PCB có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp
Khi lựa chọn vật liệu laminate, chúng ta xem xét các thông số kỹ thuật như nhiệt độ chuyển pha (Tg), hằng số điện môi (Dk) và hệ số tiêu tán (Df), cùng một số thông số khác. Tất cả các yếu tố này đều quan trọng và có ảnh hưởng lẫn nhau. Nếu chúng ta chọn vật liệu laminate để giảm hệ số giãn nở nhiệt (CTE), chúng ta sẽ thấy rằng tất cả các loại FR4 đều có giá trị CTE tương tự nhau. Hầu hết các giá trị này vẫn còn cao (khoảng 14 ppm/°C). Điều đó có nghĩa là đối với các gói silicon rất lớn, chúng ta cần một phương pháp khác để kiểm soát CTE. Một cách là thêm một lõi làm bằng kim loại, Kevlar hoặc aramid.
Các lõi có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp này thường được sử dụng dưới các lớp ngoài FR4 để sản xuất bảng mạch có hệ số giãn nở nhiệt thấp. Lõi kim loại có thể là cấu trúc đồng-invar-đồng (CIC) hoặc đồng-molypden-đồng (CMC). Chúng thường có độ dày khoảng 6 mil. Lớp đồng trên bề mặt ngoài của lõi kim loại cho phép chúng ta dán các tấm prepreg FR4 thông thường và các lõi lên trên bề mặt kim loại.
Hai loại lõi kim loại được sử dụng rộng rãi là CIC và CMC. Giá trị hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của chúng lần lượt là khoảng 8 ppm/°C và 6 ppm/°C. Khi gắn các lớp ngoài FR4 vào lõi kim loại, hệ số giãn nở nhiệt tổng thể của bảng mạch sẽ là khoảng 12 ppm/°C đối với CIC và khoảng 9 ppm/°C đối với CMC.
Chúng ta cũng có thể sử dụng vật liệu Kevlar Thermount hoặc tấm laminate aramid làm lõi. Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp của lõi này vào khoảng 7 đến 8 ppm/°C. Khi kết hợp với các lớp ngoài tiêu chuẩn FR4, hệ số CTE của toàn bộ bảng mạch sẽ vào khoảng 12 ppm/°C. Trong sản xuất nhiều lớp, lõi CTE thấp thay thế lõi FR4 thông thường. Điều thú vị là sợi Kevlar thực tế có độ giãn nở nhiệt âm. Khi chúng ta kết dính các sợi bằng epoxy, kết quả là CTE dương nhỏ.
Chi phí, quy trình và những lợi ích bổ sung của lõi có hệ số giãn nở nhiệt thấp (Low-CTE)
Khi sử dụng vật liệu composite có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp, lựa chọn đắt nhất thường là lõi kim loại. Các loại composite Kevlar và aramid có giá thành thấp hơn. Trước đây, Arlon Kevlar Thermount rất khó tìm, nhưng hiện nay sản lượng mới đã giúp tăng nguồn cung. Tất cả các loại lõi có CTE thấp đều khó khoan và gia công hơn. Tuy nhiên, đây là giải pháp duy nhất để đáp ứng yêu cầu 6–9 ppm/°C đối với các gói chip silicon cỡ lớn.
Ngoài việc kiểm soát hệ số giãn nở nhiệt (CTE), bảng mạch in lõi kim loại còn có thể cải thiện khả năng tản nhiệt ở công suất cao. Hãy nhớ rằng kim loại giãn nở nhiều hơn FR4 khi được làm nóng. Lõi kim loại giúp kiểm soát sự giãn nở của bảng mạch tốt hơn so với Kevlar. Lõi kim loại có thể điều chỉnh mức độ giãn nở của toàn bộ bảng mạch hiệu quả hơn so với Kevlar.
Các biện pháp thiết thực nhằm giảm thiểu rủi ro không phù hợp về CTE
Trên thực tế, để giảm thiểu rủi ro không khớp CTE, bạn có thể thực hiện những việc cơ bản sau:
Hãy cố gắng điều chỉnh hệ số nhiệt độ (CTE) của bảng mạch sao cho phù hợp với hệ số nhiệt độ (CTE) của vỏ lớn nhất có thể.
Hãy sử dụng các loại lõi có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp như CIC, CMC, Kevlar hoặc aramid cho các gói sản phẩm cỡ lớn.
Hãy theo dõi nhiệt độ chuyển pha (Tg) và sử dụng các vật liệu có nhiệt độ chuyển pha (Tg) cao hơn nhiệt độ xử lý cao nhất của bạn.
Đối với các linh kiện SMT, hãy thiết kế các điểm hàn và bố cục bề mặt hàn sao cho giảm thiểu ứng suất lên các mối hàn.
Trong quá trình sản xuất, cần kiểm soát nhiệt độ đỉnh trong quá trình hàn nóng chảy và tốc độ làm mát.
Đối với các linh kiện lỗ thông, hãy sử dụng các chân dẫn có thể uốn cong để chịu lực.
Cần lưu ý rằng các lõi có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp có giá thành cao hơn và đòi hỏi phải sử dụng các dụng cụ khoan và quy trình khoan khác.
Tóm tắt về tầm quan trọng của CTE
CTE là một con số đơn giản, nhưng nó ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của một dự án PCB. Nếu bạn không tính đến yếu tố này từ sớm, bạn có thể gặp phải các sự cố như mối hàn bị hỏng, linh kiện nứt vỡ và độ tin cậy thấp. Nếu bạn tính toán CTE ngay từ đầu, tuổi thọ của bảng mạch và các linh kiện sẽ được cải thiện.
