Электронные устройства редко работают при постоянной температуре. Печатная плата может нагреваться во время нормальной эксплуатации, остывать после отключения питания и повторять этот цикл тысячи раз в течение всего срока службы.
Каждый цикл нагрева и охлаждения приводит к расширению и сжатию материалов, входящих в состав платы. Величина их перемещения зависит от свойства материала, известного как коэффициент теплового расширения, или CTE.
Хотя при выборе материалов коэффициент термического расширения (CTE) часто упускают из виду, он играет важную роль в обеспечении надежности многослойных печатных плат, сквозных отверстий с гальваническим покрытием и паяных соединений.
Что такое коэффициент теплового расширения?
Коэффициент теплового расширения характеризует, насколько изменяются размеры материала при изменении его температуры.
Для ламинатов печатных плат коэффициент теплового расширения (CTE) обычно выражается в частях на миллион на градус Цельсия (ppm/°C).
Более низкий коэффициент теплового расширения (CTE) означает, что материал расширяется в меньшей степени при повышении температуры.
Более высокий коэффициент теплового расширения (CTE) означает более значительное изменение размеров при тех же условиях.
Поскольку печатная плата изготавливается из различных материалов — в том числе из меди, стекловолокна и смолы — коэффициенты расширения этих материалов различаются.
Почему CTE имеет значение при проектировании печатных плат
Расширение и сжатие — это нормальные явления, но проблемы возникают, когда разные материалы расширяются с разной скоростью.
Со временем такое несоответствие может привести к нагрузке на плату и её соединительные элементы.
CTE оказывает непосредственное влияние на:
- надежность сквозных отверстий с гальваническим покрытием
- долговечность паяного соединения
- многослойная регистрация
- стабильность размеров
- характеристики термоциклирования
В случае изделий, которые предполагается эксплуатировать в сложных условиях, коэффициент теплового расширения (CTE) следует учитывать наряду с другими свойствами материала.
CTE в разных направлениях
Ламинаты для печатных плат расширяются не одинаково во всех направлениях.
Производители обычно указывают:
Коэффициент теплового расширения по оси X
Расширение по длине доски.
Коэффициент теплового расширения по оси Y
Расширение по всей ширине доски.
Коэффициент теплового расширения по оси Z
Расширение по толщине плиты.
Среди них, Расширение по оси Z часто является наиболее важным, поскольку напрямую влияет на сквозные отверстия с металлическим покрытием и многослойные конструкции.
Как связаны Tg и CTE
Коэффициент термического расширения (CTE) и температура стеклования (Tg) тесно связаны между собой.
При температуре ниже Tg материала его расширение остается относительно стабильным.
Как только температура превышает Tg, смола становится более эластичной, а степень расширения увеличивается.
Это одна из причин, по которой для изделий, подвергающихся многократному нагреву в процессе производства или эксплуатации, часто выбирают материалы с более высокой температурой стеклования (Tg).
Если вы не знакомы с Tg, Объяснение температуры стеклования печатной платыd содержит подробный обзор.
Почему CTE имеет важное значение для многослойных печатных плат
По мере увеличения количества слоев печатной платы стабильность размеров приобретает всё большее значение.
Чрезмерное расширение может привести к:
- напряжение вокруг переходных отверстий
- растрескивание ствола
- смещение слоев
- снижение долгосрочной надежности
Тщательный подбор материалов помогает снизить эти риски.
Взаимосвязь между ламинатной конструкцией и стабильностью слоев также рассматривается в Обзор ламинатов для печатных плат: принципы проектирования и производства.
Типичные значения CTE
Точные значения варьируются в зависимости от производителя и системы материалов, однако общая тенденция заключается в следующем:
| Материал | Относительный коэффициент теплового расширения |
|---|---|
| Стандартный FR4 | Умеренный |
| FR4 с высоким содержанием ТГ | Ниже стандартного уровня FR4 |
| Полиимид | Низкий |
| Керамика | Очень низкий |
| PTFE | Более высокая, чем у многих эпоксидных материалов |
При подтверждении свойств материалов для конкретной конструкции всегда следует руководствоваться техническими паспортами производителя.
Всегда ли более низкий коэффициент теплового расширения (CTE) означает лучшее качество?
Не обязательно.
Более низкий коэффициент теплового расширения (CTE) способствует повышению стабильности размеров, однако это лишь один из факторов, влияющих на выбор материала.
К числу других факторов относятся:
- диэлектрические свойства
- теплопроводность
- влагостойкость
- стоимость изготовления
- механические требования
Выбор подходящего ламината предполагает учет всех этих факторов в совокупности, а не оптимизацию только одного параметра.
Более подробное сравнение распространенных материалов можно найти в Типы материалов, используемых в современных печатных платах.
Распространенные области применения, в которых низкий коэффициент теплового расширения (CTE) дает преимущества
Материалы с более низким коэффициентом теплового расширения обычно выбирают для:
- автомобильная электроника
- промышленные системы управления
- авиакосмическое оборудование
- телекоммуникационное оборудование
- печатные платы с большим количеством слоев
- изделия, подвергаемые многократным термоциклам
Для многих потребительских товаров стандартный FR4 по-прежнему обеспечивает надежную работу при правильном подборе в соответствии с условиями эксплуатации.
Как оценить коэффициент теплового расширения (CTE) при выборе материала
- Шаг 1
Определите максимальные температуры при монтаже и эксплуатации, которым будет подвергаться печатная плата.
- Шаг 2
Ознакомьтесь с данными производителя ламината о коэффициенте теплового расширения (CTE) во всех трех направлениях, особенно по оси Z.
- Шаг 3
Сравните CTE с Tg, диэлектрическими свойствами и механическими характеристиками.
- Шаг 4
Прежде чем окончательно утвердить схему слоения, согласуйте выбор материала с производителем печатных плат.
Заключение
Коэффициент теплового расширения — это важное свойство материала, которое влияет на поведение печатной платы при изменениях температуры.
Хотя коэффициент теплового расширения (CTE) редко является единственным фактором, определяющим выбор материала, понимание того, как различные ламинаты расширяются под воздействием тепловой нагрузки, может помочь повысить долгосрочную надежность и снизить производственные риски.
Оценка CTE в совокупности с Tg, диэлектрическими свойствами и эксплуатационными требованиями обеспечивает более полную основу для выбора материалов для печатных плат.
Часто задаваемые вопросы
A: CTE, или коэффициент теплового расширения, показывает, насколько материал печатной платы расширяется или сжимается при изменении температуры.
A: Расширение по оси Z влияет на толщину платы и напрямую сказывается на надежности металлизированных сквозных отверстий в многослойных печатных платах.
A: Не всегда. Более низкий коэффициент теплового расширения (CTE) повышает стабильность размеров, однако выбор оптимального материала зависит от общих требований к электрическим, тепловым и механическим характеристикам, а также от стоимости в конкретной области применения.
A: При температуре ниже температуры стеклования (Tg) расширение остается относительно стабильным. При температуре выше Tg материал расширяется быстрее по мере размягчения смолы.
A: Ламинаты с высокой температурой стеклования (Tg), полиимидные материалы и керамические подложки, как правило, характеризуются меньшим коэффициентом теплового расширения, чем стандартный FR4, хотя точные значения варьируются в зависимости от производителя.
