Коэффициент теплового расширения (КТР) печатных плат: полное руководство

Введение

Каждый материал расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении — это фундаментальная наука. печатные платы (ПП), это расширение измеряется чем-то, называемым Коэффициент теплового расширения (КТР). Если разные части печатной платы расширяются с разной скоростью, это может привести к таким проблемам, как трещины в паяных соединениях, поломка переходных отверстий или даже деформация платы.

В этой статье мы объясним, что такое КТР, почему он важен при проектировании печатных плат и как с ним работать. Независимо от того, выбираете ли вы материалы, планируете структуру слоёв или стремитесь повысить долгосрочную надёжность, понимание КТР — ключ к созданию долговечной печатной платы.

Что такое КТР в печатных платах?

КТР означает Коэффициент теплового расширения. Он показывает, насколько расширяется материал при нагревании. В печатных платах это важно, поскольку разные материалы (например, медь и материал платы) расширяются при нагревании с разной скоростью.

КТР измеряется в ppm/°C, что означает миллионные доли на градус Цельсия. Например, если КТР материала составляет 17 ppm/°C, он расширится на 17 частей на каждый миллион частей при повышении температуры на 1°C.

В печатных платах расширение происходит в трех направлениях: х, у, и зНаправления X и Y проходят по поверхности платы, а направление Z — по её толщине. Большинство проблем возникает, когда материалы расширяются по-разному в этих направлениях, особенно по оси Z.

Почему КТР имеет значение при проектировании печатных плат

Термоциклирование и напряжение материала

Печатные платы часто проходят через отопление и охлаждение— во время пайки, тестирования и даже при обычном использовании. Когда это происходит, материалы внутри платы расширяются и сжимаются. Но не все материалы движутся одинаково, и это может привести к стресс.

Большим поворотным моментом является температура стеклования (Tg). Как только плата нагревается выше этой температуры, она расширяется быстрее и оказывает большее давление на медные и паяные соединения. Просто один цикл выше Tg может причинить столько же вреда, сколько 1000 нормальных цикловВот почему так важно контролировать тепло.

Реальные сбои, вызванные несоответствием CTE

Если материалы расширяются по-разному, что-то может пойти не так. Вы можете увидеть трещины припоя, особенно под крупные чипсы или BGA-компонентыСо временем эти небольшие трещины могут привести к разрушению соединения.

The ось z (толщина платы) — ещё одно слабое место. Медь внутри отверстий, называемая переходные отверстия, может треснуть от давления. Вы также можете увидеть деформация доски, слои отслаиваются, или колодки отрываютсяВ некоторых случаях жара может даже вызвать припой к мосту между штифтами, что приводит к коротким замыканиям.

Эти проблемы могут повредить печатную плату и сократить срок ее службы, поэтому важно учитывать КТР при проектировании.

Значения КТР распространенных материалов печатных плат

Различные материалы печатных плат расширяются с разной скоростью при нагревании. Зная их Значения КТР помогает вам выбрать правильные материалы для повышения производительности и надежности. Вот краткий обзор типичных Значения КТР для материалов, обычно используемых в печатных платах:

• ФР-4 является наиболее распространенным материалом для печатных плат, но его КТР по оси z резко увеличивается вблизи Tg, что может вызвать напряжение в переходных отверстиях.
• Полиимид обеспечивает лучшую стабильность при высоких температурах и более низкий КТР, чем FR-4, что делает его идеальным для суровых условий.
• ПТФЭ используется в высокочастотных платах, но имеет гораздо выше КТР, что требует тщательного терморегулирования.
• Медь, алюминий и кремний используются для слоев, ядер и компонентов — и все они имеют много более низкие значения КТР, вот почему соответствующие материалы очень важен при проектировании печатных плат.

Понимание этих ценностей помогает избежать Несоответствие КТР, что со временем может привести к трещинам, разрушению паяных соединений или деформации платы.

Проблемы несоответствия КТР при сборке печатных плат

Несоответствие расширения компонента и платы

Не все части печатной платы расширяются одинаково при нагревании. Например, кремниевые чипы расширяться гораздо меньше, чем ФР-4, обычный материал для досок. При их соединении разница в движении может нагружать паяные соединения и со временем привести к их растрескиванию.

Это большая проблема с BGA и CSP Корпуса. Эти компоненты не имеют гибких выводов, поэтому они не могут легко поглощать нагрузку. По мере нагревания и охлаждения платы шарики припоя под ней могут ослабнуть или разрушиться.

Расширение оси Z и надежность переходных отверстий

The ось z (толщина печатной платы) расширяется сильнее, чем её поверхность. Это создаёт большое давление на переходные отверстия— крошечные отверстия, соединяющие слои. Если напряжение слишком велико, медь внутри переходных отверстий может треснуть.

Этот риск еще выше при глубокие и узкие отверстия. смола в доске расширяется больше, чем стеклоткань, поэтому напряжение передается в отверстия, что повышает вероятность их разрушения.

Бессвинцовый припой и более высокий КТР

Многие производители теперь используют припой без свинца для соблюдения экологических норм. Но бессвинцовый припой обычно имеет более высокий КТР, что означает, что он расширяется больше при нагревании.

Чтобы предотвратить проблемы, важно отрегулировать процесс пайки— используя правильную температуру и время. Кроме того, выбор припоя, хорошо соответствующего вашей плате и деталям, может помочь снизить напряжение и повысить надёжность.

Стратегии минимизации проблем ХТЭ

Советы по выбору материала

Чтобы уменьшить проблемы с ХТЭ, начните с выбора правильные материалы. Использовать ламинаты с низким КТР для лучшей стабильности, особенно в устройствах, которые должны работать долго. Материалы с высокая Тг и низкое влагопоглощение также хорошо справляются с жарой.

Если ваша печатная плата будет использоваться в суровые условия, как аэрокосмические или промышленные машины, керамические подложки Отличный выбор. Они сохраняют прочность даже при высоких температурах.

Оптимизация стека и дизайна

То, как вы строите слои вашей печатной платы, также имеет большое значение. симметричное наложение помогает сохранить доску ровной и сбалансированной. Вы также можете использовать разные материалы в разных слоях, чтобы распределить напряжение.

Добавление специального основные слои сделан из металл, Кевлар, или углерод может помочь контролировать степень расширения доски, особенно в направлении z.

Контроль процесса пайки

То, как вы паяете печатную плату, тоже имеет значение. контролировать температуру Во время пайки не нагревайте плату слишком быстро или слишком сильно. Это поможет предотвратить повреждение платы и деталей.

Выбирать припой, который соответствует Хорошо с платой и компонентами. Также попробуйте избегать превышения температуры Tg слишком много раз во время сборки, так как со временем это может ослабить доску.

Решения по управлению тепловым режимом

Хороший контроль температуры может помочь снизить стресс от ХТЭ. Вы можете добавить тепловые отверстия, радиаторы, или дополнительные медные области чтобы способствовать распределению тепла и избегать горячих точек.

Для чувствительных деталей, таких как BGA-чипы, с использованием недолив может обеспечить дополнительную поддержку и помочь защитить паяные соединения от растрескивания при расширении и сжатии платы.

Методы тестирования и проверки

Чтобы убедиться, что ваша печатная плата работает исправно с течением времени, особенно при нагревании и охлаждении, важно провести несколько ключевых тестов. Это помогает выявить проблемы на ранней стадии и повысить общую надёжность платы.

Испытания на термоциклирование

Тепловые циклы Это означает многократное нагревание и охлаждение печатной платы для проверки её способности выдерживать нагрузки. Это помогает выявить такие проблемы, как треснувшие паяные соединения, сломанные переходные отверстия, или разделение слоев вызванные расширением и сжатием.

Рентгеновский контроль паяных соединений

В таких деталях, как BGA, паяные соединения не видны. Вот почему Рентгеновский осмотр Это полезно. Оно показывает скрытые проблемы, такие как трещины, щели или слабые соединения это может быть связано с несоответствием КТР во время сборки.

Измерение коробления при различных температурах

Печатные платы могут изгибаться или скручиваться при изменении температуры. Измеряя коробление При разном нагреве можно проверить, остаётся ли плата ровной. Если она слишком сильно деформируется, это может повредить детали или вызвать проблемы при сборке.

Электрические испытания в различных диапазонах температур

И наконец, полезно бегать. электрические испытания как при низких, так и при высоких температурах. Это гарантирует корректную работу платы, даже если она нагревается или охлаждается. Это простой способ обнаружить проблемы с подключением рано.

Соображения КТР для специальных применений

Некоторые печатные платы используются в особых условиях, где контроль КТР ещё важнее. Давайте рассмотрим несколько распространённых примеров.

Высокочастотные/РЧ печатные платы

В высокая частота или радиочастотные платы, небольшие изменения в размере могут повлиять качество сигнала. Когда плата расширяется под воздействием тепла, расстояние между дорожками может сместиться, что приведет к проблемам с импедансЧтобы избежать этого, лучше всего использовать материалы с низкий и стабильный КТР и сохраните толщина слоя последовательный.

Аэрокосмические и медицинские приложения

Печатные платы в аэрокосмическая промышленность или медицинские приборы должен работать идеально под экстремальные условия. Нет места неудачам. Вот почему дизайнеры используют такие материалы, как полиимид или керамика, которые имеют лучшее термостойкость и не расширяйтесь так сильно.

Гибкие и гибко-жёсткие печатные платы

Флексибле и жестко-гибкие печатные платы Сочетание мягких и твёрдых материалов. Места их соединения называются переходные зоны— могут быть слабыми местами, если материалы расширяются по-разному. Тщательно спланируйте эти области и используйте гибкие клеи помогает предотвратить повреждения.

Эти примеры показывают, почему управление CTE Это ключ к успеху в специальных приложениях. Даже небольшое планирование может существенно повысить надёжность вашей печатной платы.

Будущие тенденции и инновации в контроле ХТЭ

По мере развития технологий проектировщики печатных плат находят новые способы управления КТР и уменьшить проблемы, вызванные нагревом и расширением.

• Новые материалы для контроля КТР: Новые материалы, такие как ЖКП (жидкокристаллические полимеры), керамические композиты, и ламинаты с углеродным наполнителем Используются для лучшей теплоотдачи. Эти материалы меньше расширяются и повышают надёжность платы в условиях высокой производительности или высоких температур.

• Анализ методом конечных элементов (FEA): Многие инженеры теперь используют Анализ методом конечных элементов (FEA) Для проверки реакции печатной платы на нагрев перед её изготовлением. Этот инструмент помогает прогнозировать точки напряжения, что позволяет проектировщикам лучше выбирать материалы и схему расположения компонентов на ранних этапах процесса.

• Печатные платы с индивидуальным КТР, напечатанные на 3D-принтере: С 3D-печать, теперь можно создавать печатные платы, которые имеют пользовательские профили КТРЭто означает, что плату можно изготовить так, чтобы она расширялась определенным образом, что сложно осуществить при обычном производстве.

• Экологичные и перерабатываемые материалы: Также больше внимания уделяется устойчивость. Новый ламинаты на биооснове и перерабатываемые материалы Они производятся с целью сокращения отходов при сохранении высоких показателей КТР. Это помогает сделать печатные платы надёжными и более безопасными для планеты.

Короче говоря, будущее контроля ХТЭ выглядит многообещающим, и впереди нас ждут более «умные» инструменты и более качественные материалы.

Заключение

Управляющий КТР в проектировании печатных плат Важно для прочности и надёжности вашей платы. Выбирая правильные материалы, тщательно планируя топологию и проводя испытания, вы сможете избежать распространённых проблем, таких как трещины, деформация и дефекты паяных соединений. По мере того, как электронные компоненты становятся меньше и сложнее, внимание к КТР становится всё более важным.

Если вы ищете надежного партнера по печатным платам, GlobalWellPCBA Мы здесь, чтобы помочь. Мы предлагаем полный спектр услуг по изготовлению и сборке печатных плат, уделяя особое внимание качеству, терморегулированию и долговременной работе. Свяжитесь с нами сегодня чтобы получить поддержку для вашего следующего проекта!

Связанное чтение

• Что такое сборка коробок?

• Основные вещи, которые вы должны знать о процессе сборки печатной платы

• Понимание паяных соединений: типы, дефекты и передовой опыт

• Руководство по пайке печатных плат: инструменты, методы и советы

• Тестирование PCBA: методы, преимущества и передовой опыт