Elektronische Produkte arbeiten selten bei konstanter Temperatur. Eine Leiterplatte kann sich im Normalbetrieb erwärmen, nach dem Ausschalten wieder abkühlen und diesen Zyklus im Laufe ihrer Lebensdauer tausende Male wiederholen.
Bei jedem Heiz- und Kühlzyklus dehnen sich die Materialien im Inneren der Platte aus und ziehen sich wieder zusammen. Wie stark sie sich dabei bewegen, hängt von einer Materialeigenschaft ab, die als Wärmeausdehnungskoeffizient, oder CTE.
Obwohl der CTE bei der Materialauswahl oft übersehen wird, spielt er eine wichtige Rolle für die Zuverlässigkeit von mehrschichtigen Leiterplatten, durchkontaktierten Löchern und Lötstellen.
Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient?
Der Wärmeausdehnungskoeffizient beschreibt, um wie viel sich die Größe eines Materials bei einer Temperaturänderung verändert.
Bei Leiterplattenlaminaten wird der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) üblicherweise in Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) angegeben.
Ein niedrigerer CTE bedeutet, dass sich das Material bei steigender Temperatur weniger ausdehnt.
Ein höherer CTE bedeutet unter denselben Bedingungen eine stärkere Maßänderung.
Da eine Leiterplatte aus verschiedenen Materialien besteht – darunter Kupfer, Glasfaser und Harz –, ist die Ausdehnung der einzelnen Materialien nicht identisch.
Warum CTE beim Leiterplatten-Design eine Rolle spielt
Ausdehnung und Schrumpfung sind normal, doch es treten Probleme auf, wenn sich verschiedene Materialien unterschiedlich stark ausdehnen.
Im Laufe der Zeit kann diese Fehlanpassung zu einer Belastung der Platine und ihrer Verbindungen führen.
CTE hat einen direkten Einfluss auf:
- Zuverlässigkeit von durchkontaktierten, plattierten Löchern
- Haltbarkeit der Lötstelle
- Mehrschicht-Registrierung
- Formbeständigkeit
- Leistung bei Temperaturwechselbeanspruchung
Bei Produkten, die voraussichtlich in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden, sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) zusammen mit anderen Werkstoffeigenschaften berücksichtigt werden.
CTE in verschiedene Richtungen
Leiterplattenlaminate dehnen sich nicht in alle Richtungen gleichermaßen aus.
Die Hersteller geben in der Regel Folgendes an:
Wärmeausdehnungskoeffizient der X-Achse
Ausdehnung über die gesamte Länge des Bretts.
Wärmeausdehnungskoeffizient der Y-Achse
Ausdehnung über die gesamte Breite der Platte.
Wärmeausdehnungskoeffizient der Z-Achse
Ausdehnung in Richtung der Plattenstärke.
Darunter befinden sich, Erweiterung der Z-Achse ist oft der wichtigste Faktor, da er sich direkt auf durchkontaktierte Löcher und Mehrschichtstrukturen auswirkt.
Wie Tg und CTE zusammenhängen
Der CTE und die Glasübergangstemperatur (Tg) stehen in engem Zusammenhang.
Unterhalb der Tg des Materials verläuft die Ausdehnung relativ stabil.
Sobald die Temperatur den Glasübergangspunkt (Tg) überschreitet, wird das Harz flexibler und die Ausdehnung nimmt zu.
Dies ist ein Grund, warum für Produkte, die während der Herstellung oder im Betrieb wiederholt Erwärmung ausgesetzt sind, häufig Werkstoffe mit einer höheren Tg gewählt werden.
Falls Sie mit Tg noch nicht vertraut sind, Erklärung der Glasübergangstemperatur bei Leiterplattend bietet einen detaillierten Überblick.
Warum der CTE bei mehrschichtigen Leiterplatten wichtig ist
Mit zunehmender Anzahl der Leiterplattenlagen gewinnt die Maßhaltigkeit zunehmend an Bedeutung.
Eine übermäßige Ausdehnung kann dazu beitragen, dass:
- Spannungen im Bereich der Durchkontaktierungen
- Risse im Lauf
- Fehlausrichtung der Schichten
- verminderte Langzeitzuverlässigkeit
Eine sorgfältige Materialauswahl trägt dazu bei, diese Risiken zu verringern.
Der Zusammenhang zwischen der Laminatkonstruktion und der Schichtenstabilität wird auch in Erläuterungen zum Leiterplattenlaminat für den Entwurf und die Herstellung von Leiterplatten.
Typische CTE-Werte
Die genauen Werte variieren je nach Hersteller und Materialsystem, doch der allgemeine Trend ist folgender:
| Material | Relative CTE |
|---|---|
| Standard FR4 | Mäßig |
| Hoch-Tg FR4 | Niedriger als bei Standard-FR4 |
| Polyimid | Niedrig |
| Keramik | Sehr niedrig |
| PTFE | Höher als bei vielen Epoxidharzwerkstoffen |
Bei der Überprüfung der Materialeigenschaften für eine bestimmte Konstruktion sollten stets die Datenblätter des Herstellers herangezogen werden.
Ist ein niedrigerer CTE immer besser?
Nicht unbedingt.
Ein niedrigerer CTE verbessert die Dimensionsstabilität, ist jedoch nur ein Faktor bei der Materialauswahl.
Weitere zu berücksichtigende Aspekte sind:
- dielektrische Eigenschaften
- Wärmeleitfähigkeit
- Feuchtigkeitsbeständigkeit
- Herstellungskosten
- mechanische Anforderungen
Bei der Auswahl des richtigen Laminats geht es darum, all diese Faktoren gegeneinander abzuwägen, anstatt nur eine einzige Eigenschaft zu optimieren.
Einen umfassenderen Vergleich gängiger Materialien finden Sie unter In modernen Leiterplatten verwendete Leiterplattenmaterialien.
Häufige Anwendungsbereiche, die von einem niedrigen CTE profitieren
Materialien mit einem niedrigeren CTE werden üblicherweise für folgende Zwecke ausgewählt:
- Automobilelektronik
- industrielle Steuerungssysteme
- Luft- und Raumfahrttechnik
- Telekommunikationshardware
- Leiterplatten mit hoher Schichtenanzahl
- Produkte, die wiederholten Temperaturwechseln ausgesetzt sind
Bei vielen Konsumgütern bietet Standard-FR4 nach wie vor zuverlässige Leistung, sofern es auf die jeweilige Anwendung abgestimmt ist.
So bewerten Sie die Wärmeausdehnung bei der Materialauswahl
- Schritt 1
Ermitteln Sie die höchsten Montage- und Betriebstemperaturen, denen die Leiterplatte ausgesetzt sein wird.
- Schritt 2
Prüfen Sie die CTE-Daten des Laminatherstellers in allen drei Richtungen, insbesondere in der Z-Achse.
- Schritt 3
Vergleichen Sie die CTE mit der Tg, den dielektrischen Eigenschaften und den mechanischen Eigenschaften.
- Schritt 4
Klären Sie die Materialauswahl mit Ihrem Leiterplattenhersteller ab, bevor Sie den Schichtaufbau endgültig festlegen.
Schlussfolgerung
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist eine wichtige Materialeigenschaft, die Einfluss darauf hat, wie eine Leiterplatte auf Temperaturänderungen reagiert.
Zwar ist die CTE selten der einzige Faktor, der die Materialauswahl bestimmt, doch kann das Verständnis dafür, wie sich verschiedene Laminate unter thermischer Belastung ausdehnen, dazu beitragen, die langfristige Zuverlässigkeit zu verbessern und Fertigungsrisiken zu verringern.
Die Bewertung des CTE in Verbindung mit dem Tg, den dielektrischen Eigenschaften und den Anwendungsanforderungen bietet eine umfassendere Grundlage für die Auswahl von Leiterplattenmaterialien.
Häufig gestellte Fragen
A: Der CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) gibt an, um wie viel sich ein Leiterplattenmaterial bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht.
A: Die Ausdehnung in Z-Richtung wirkt sich auf die Dicke der Leiterplatte aus und hat direkte Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der durchkontaktierten Löcher in mehrschichtigen Leiterplatten.
A: Nicht immer. Ein niedrigerer CTE verbessert zwar die Dimensionsstabilität, doch die Wahl des besten Werkstoffs hängt von den elektrischen, thermischen, mechanischen und kostenseitigen Gesamtanforderungen der jeweiligen Anwendung ab.
A: Unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) verläuft die Ausdehnung relativ gleichmäßig. Oberhalb von Tg dehnt sich das Material schneller aus, da das Harz weicher wird.
A: Laminate mit hohem Tg, Polyimid-Werkstoffe und Keramiksubstrate weisen im Allgemeinen eine geringere Wärmeausdehnung auf als Standard-FR4, wobei die genauen Werte je nach Hersteller variieren.
