PCB 中的熱膨脹係數 (CTE)：完整指南

介紹

任何物質遇熱都會膨脹，遇冷就會收縮──這是基礎科學。 印刷電路板 (PCB)，這種擴張是透過一種叫做 熱膨脹係數 (CTE)如果 PCB 的不同部分以不同的速率膨脹，則會導致焊點破裂、過孔斷裂甚至電路板翹曲等問題。

在本文中，我們將解釋 CTE 的含義、它在 PCB 設計中的重要性以及如何處理它。無論您是在選擇材料、規劃層堆疊，還是希望提高長期可靠性，了解 CTE 都是打造持久耐用 PCB 的關鍵。

PCB 中的 CTE 是什麼？

慢性創傷性腦病 代表 熱膨脹係數它告訴我們材料受熱時的膨脹程度。對於 PCB 來說，這一點很重要，因為不同的材料（例如銅和電路板材料）受熱時的膨脹速率不同。

CTE 的測量單位為 ppm/℃，即每攝氏度每百萬分之十七 (ppm/°C)。例如，如果某種材料的熱膨脹係數 (CTE) 為 17 ppm/°C，則表示溫度每升高 1°C，其膨脹量就會達到每百萬分之十七 (ppm/°C)。

在 PCB 中，擴展發生在三個方向： x, y， 和 zx 和 y 方向橫跨板的表面，z 方向貫穿板的厚度。大多數問題都是由於材料在這些方向上的膨脹不同而發生的，尤其是在 z 軸上。

為什麼 CTE 在 PCB 設計中很重要

熱循環和材料應力

PCB 通常會經過 加熱和冷卻——在焊接、測試，甚至日常使用過程中。當這種情況發生時，電路板內部的材料會膨脹和收縮。但並非所有材料的移動方式都相同，這可能會導致 壓力.

一個重大轉折點是 玻璃化轉變溫度（Tg）一旦電路板的溫度超過這個溫度點，它就會膨脹得更快，並對銅和焊點施加更大的壓力。 高於Tg一個週期 可以造成盡可能多的損害 1,000 次正常循環。這就是為什麼管理熱量如此重要。

CTE 不符導致的實際故障

如果材料的膨脹方式不同，事情就會出錯。你可能會看到 焊料裂紋，尤其是在 大晶片 或者 BGA元件隨著時間的推移，這些小裂縫可能會破壞連接。

這 z軸 （電路板的厚度）是另一個薄弱點。孔內的銅稱為 過孔，可能會因壓力而破裂。您可能還會看到 板翹曲, 層層剝落， 或者 墊片脫落在某些情況下，高溫甚至會導致 焊料至橋 引腳之間，導致短路。

這些問題可能會損壞您的 PCB 並縮短其使用壽命，因此在設計過程中牢記 CTE 非常重要。

常見PCB材料的CTE值

不同的 PCB 材料在加熱時膨脹的速率不同。了解它們的 CTE 值 幫助您選擇合適的材料，以獲得更好的性能和可靠性。以下是一些典型的 CTE 值 對於PCB常用的材料：

• FR-4 是最常見的PCB材料，但它的 Z軸CTE在Tg附近急劇增加，這可能會對通孔造成壓力。
• 聚醯亞胺 具有比 FR-4 更好的高溫穩定性和更低的 CTE，使其成為惡劣環境的理想選擇。
• 聚四氟乙烯 用於高頻板，但具有 CTE 更高，這需要仔細的熱管理。
• 銅、鋁和矽 用於層、核心和組件——它們都有很多 降低 CTE，這就是為什麼 配套材料 在PCB設計中非常重要。

了解這些價值觀有助於避免 CTE 不符隨著時間的推移，這會導致裂縫、焊點失效或電路板翹曲。

PCB組裝中CTE不匹配的挑戰

元件與電路板擴充不匹配

PCB 上各部分受熱膨脹的速度並不相同。例如， 矽晶片 擴大得遠小於 FR-4，常見的板材。當它們連接在一起時，運動的差異可能會對 焊點 並導致它們隨著時間的推移而破裂。

這是一個大問題 球柵陣列 和 雲端服務供應商 封裝。這些元件沒有柔性引線，因此不易吸收應力。隨著電路板的加熱和冷卻，下面的焊球可能會被削弱或斷裂。

Z軸擴展和通孔可靠性

這 z軸 （PCB 厚度）的膨脹程度大於表面。這會對 過孔——連接各層的微小孔。如果應力過高，通孔內的銅可能會破裂。

這種風險甚至更高 深而窄的過孔。這 板材中的樹脂 膨脹程度比玻璃纖維更大，因此應力會被推入通孔，使通孔更容易發生故障。

無鉛焊料和更高的熱膨脹係數

許多製造商現在使用 無鉛焊料 符合環保規定。但無鉛焊料通常具有 更高的 CTE，這意味著它在加熱過程中會膨脹得更多。

為了防止問題，重要的是 調整焊接工藝——使用正確的溫度和時間。此外，選擇與電路板和零件相符的焊料有助於減少應力並提高可靠性。

減少CTE問題的策略

材料選擇技巧

為了減少 CTE 問題，首先要選擇 合適的材料。使用 低CTE層壓板 以獲得更好的穩定性，尤其是在需要長時間使用的設備中。材料 高Tg 和 低吸濕性 也善於處理熱量。

如果你的 PCB 將用於 惡劣的環境例如航空航天或工業機器， 陶瓷基板 是絕佳選擇。即使在高溫下也能保持堅固。

堆疊和設計優化

如何建造 PCB 的各層也有很大差異。 對稱堆疊 有助於保持滑板平整和平衡。您也可以使用 不同的材料 在不同層中分散壓力。

添加特殊 核心層 由...製成 金屬, 凱夫拉， 或者 碳 可以幫助控制電路板的膨脹程度，特別是在 z 方向。

焊接過程控制

焊接 PCB 的方式也很重要。確保 控制溫度 焊接過程中，不要加熱太快或太高。這有助於防止損壞電路板和零件。

選擇 匹配的焊料 電路板和元件。此外，嘗試 避免超過Tg溫度 組裝過程中不要重複太多次，因為隨著時間的推移，這會削弱電路板的強度。

熱管理解決方案

良好的溫度控制有助於減少 CTE 壓力。您可以新增 散熱孔, 散熱器， 或者 額外的銅區域 幫助散熱並避免熱點。

對於敏感部位，例如 BGA晶片， 使用 底部填充 可以增加支撐並有助於保護焊點在電路板膨脹和收縮時不會開裂。

測試和驗證方法

為了確保您的 PCB 長期運作良好，尤其是在散熱方面，進行一些關鍵測試至關重要。這些測試有助於及早發現問題，並提高電路板的整體可靠性。

熱循環測試

熱循環 意味著對 PCB 進行多次加熱和冷卻，以檢查其如何承受壓力。這有助於發現以下問題 焊點破裂, 導通孔斷裂， 或者 層分離 由膨脹和收縮引起。

焊點的X射線偵測

對於像 BGA 這樣的元件，你無法清楚地看到焊點。這就是為什麼 X光檢查 很有用。它可以顯示隱藏的問題，例如 裂縫、縫隙或薄弱接頭 這可能是由於組裝過程中 CTE 不匹配造成的。

不同溫度下的翹曲測量

PCB 可能會在溫度變化時彎曲或扭曲。透過測量 翹曲 在不同的加熱程度下，你可以檢查電路板是否保持平整。如果過度彎曲，可能會損壞零件或導致組裝問題。

跨溫度範圍的電氣測試

最後，跑步很好 電氣測試 在低溫和高溫下都能保持穩定。這有助於確保電路板即使在溫度升高或降低時仍能正常運作。這是一種輕鬆發現 連線問題 早期的。

特殊應用的 CTE 考慮因素

有些 PCB 是在特殊環境中使用的， CTE控制 更為重要。我們來看幾個常見的例子。

高頻/RF PCB

在 高頻 或射頻板，尺寸的微小變化可能會影響 訊號品質。當電路板受熱膨脹時，走線之間的距離可能會發生變化，導致 阻抗。為了避免這種情況，最好使用 低且穩定的 CTE 並保持 層厚度 持續的。

航空航太和醫療應用

多氯聯苯 航太 或者 醫療器材 必須在 極端條件。沒有失敗的餘地。這就是為什麼設計師使用像 聚醯亞胺 或者 陶瓷製品，有更好的 耐熱性 並且不要擴張太多。

柔性和剛撓結合 PCB

靈活ble 和 剛撓結合板 軟硬材料結合在一起。它們連接的區域稱為 過渡區——如果材料的膨脹程度不同，可能會成為薄弱點。仔細規劃這些區域，並使用 柔性黏合劑 有助於防止損壞。

這些例子說明了為什麼 管理 CTE 在特殊應用中至關重要。只要稍加規劃，就能大幅提升 PCB 的可靠性。

CTE控制的未來趨勢與創新

隨著技術的進步，PCB 設計人員正在尋找新的方法來管理 慢性創傷性腦病 並減少因熱和膨脹引起的問題。

• 控制熱膨脹係數的新型材料：新材料如 LCP（液晶聚合物）, 陶瓷複合材料， 和 碳填充層壓板 正在被用於更好地處理熱量。這些材料膨脹較小，有助於提高電路板在高性能或高溫環境下的可靠性。

• 有限元素分析（FEA）：許多工程師現在使用 有限元素分析（FEA） 在製作 PCB 之前檢查其對熱量的反應。此工具有助於預測應力點，使設計師能夠在流程早期更好地選擇材料和佈局。

• 具有定制 CTE 的 3D 列印 PCB： 和 3D列印，現在可以創建具有 自訂 CTE 設定檔。這意味著電路板可以按照特定的方式進行擴展——這在常規製造中很難做到。

• 環保可回收材料: 也更加關注 永續性。 新的 生物基層壓板 和 可回收材料 在生產過程中，我們致力於減少浪費，同時保持良好的熱膨脹係數 (CTE) 性能。這有助於提高 PCB 的可靠性，並更好地保護地球環境。

簡而言之，在更聰明的工具和更好的材料的引領下，CTE 控制的未來前景光明。

結論

管理 PCB設計中的CTE 對於保持電路板的堅固和可靠性至關重要。選擇合適的材料、規劃良好的佈局並仔細測試，您可以避免諸如裂縫、翹曲和焊點失效等常見問題。隨著電子產品變得越來越小、越來越先進，關注熱膨脹係數 (CTE) 變得越來越重要。

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