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PCB板材的热膨胀系数(CTE)

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发表于 2017-8-4 08:39:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
材料的热膨胀系数是材料物理特性之一,温度的变化造成的变形以及带来的应力作用是无法改变的。任何电子产品的生产核心就是将符合性能要求的元器件,通过合适的方法焊接到印制电路板(PCB)上,组成具有一定功能的电路板组装件。在电子装配时一般通过焊料钎焊来完成元器件与电路板的互联。对于通孔插装技术(THT)焊装带有引线的元器件,印制板的膨胀变形产生的变形应力通过元器件引线进行缓冲,或通过引线的变形被吸收,元器件本体受到的外界应力有限。显然,元器件引线越长,传到元器件本体的应力就越小。焊料在温度变化时产生的应力只对焊点本身以及焊盘带来影响,影响到焊点的可靠性。但是采用表面贴装技术(SMT)进行装联时,虽然安装密度得到提高,但是元器件自身没有引线进行应力的缓冲和吸收,应力会直接传递到元器件本体。

常用的玻璃纤维加强基板(FR-4)的CTE在z轴方向(垂直于板平面)与x-y方向不同。其在z方向会温度升高而发生膨胀。当温度低于玻璃化温度Tg 时材料即处于玻璃态,此时,热膨胀系数(CTE)为a1,而在高于玻璃化温度以上时则处于胶态,热膨胀系数(CTE)为a2,且通常大于a1(约为a1的3倍)。例如,在温度低于Tg时,玻璃纤维环氧材料的CTE在x轴和y轴方向也不相同,大约相差1~5ppm/℃,在z方向为20 ppm/℃左右。大尺寸的表贴器件的CTE与基板相匹配时,这种差异对于提高焊点寿命非常重要。

CTE贴装PWA通孔和微孔寿命的重要因素,为其长径比(基板厚度比孔直径)通常会比刚完成通孔加工的印刷板的长径比大。在SMT回流焊、器件拆卸、复焊、修理过程、印刷电路板制造、焊球浸润、热风整平和波峰焊等电装过程中,若z方向CTE值较大,将导致PTH张应力过大。

因此,印制板基材的选用首先应考虑到材料的热膨胀系数(CTE)和所安装的元器件的热膨胀系数是否匹配。若不匹配就应采取补偿措施。

CTE是我们在印制电路板中常用的词汇。但我们中又有多少人真的知道CTE是什么,以及CTE开始如何影响电路板的呢?

CTE是指热膨胀系数。它描述了一个PCB受热或冷却时膨胀的一个百分率。世界上每一种材料都会随着温度的变化而膨胀或收缩,例如,你的房子实际上夏天比冬天的时候要大几英寸。

几种材料是反增长的,即温度上升时它们收缩。但是大多数都是受热后有一个小幅度的膨胀。膨胀是以每摄氏度每百万分之几来描述的。(ppm/C)。
一个PCB每百万横向或纵向膨胀14。这表示如果一块PCB长1百万英寸的话,温度每升高一度,它膨胀 14英寸。

一块典型的FR-4层压板的CTE是14到17ppm/C。这很好,直到我们考虑到我们焊接到PCB上的大型硅芯片的CTE是6ppm/C。膨胀率差异足够了——尤其是在更大的BGA封装上——当PCB和芯片加热,PCB会比芯片封装膨胀更剧烈,使焊点从芯片上脱落。

因此,我们以PCB的角度讨论CTE,制造商经常使用低CTE的材料。但是CTE是如何影响电路板以及我们对它们的设计和制造方法的呢?

当选择层压板时,我们关注规格字母:Tg,Dk和DF,仅举几例。都是重要的,相互影响。当我们为了降低CTE选择层压板是,我们会发现所有的FR-4型号的CTE值都差不多,而且大部分要是用在大型硅封装上的话都太高(14ppm/C)。这意味着我们需要寻找一个不同的方法来控制CTE,通过为金属、Kevlar和Aramid核心设计接头。

这三个低CTE的材料经常被采用在FR-4外层上,来制造低CTE电路板。金属芯用铜-不胀钢-铜(CIC)和铜-钼-铜(CMC)来做,通常为6mil厚。在外层金属上的铜使我们可以在普通fr-4半固化片和核心上进行层压。

两种使用最广泛的金属核心是CIC和CMC,它们的CTE值分别为8ppm/C和6ppm/C。金属芯用于锚固FR-4外层,整体CTE值分别是12ppm/C和9ppm/C。

同样,我们可以用Kevlar Thermount或一个Aramid层压作为核心材料;它们的低CTE值为7到8ppm/C,和标准FR-4外层配合使用后的CTE值为12ppm/C。在多层生产中,低CTE层压核心代替典型的FR-4核心。有趣的是,CTE实际Kevlar纤维具有负热膨胀系数,采用环氧树脂将它们粘合在一起产生一个正热膨胀系数。

使用低CTE层压,最昂贵的是金属核心,因为Kevlar和Aramid纤维层压。过去,Arlon Kevlar Thermount是很难获得的,但是新的生产增加了它的产量。所有的低CTE核心都很难钻孔和生产,但这是唯一达到大型硅封装要求的6-9CTE的方法。

除了控制CTE,金属核心PCB还可以用于改善高功率热转换。请记住,金属膨胀需要比FR-4层大得多的能力;金属核心控制CTE,比Kevlar可以改变更多的FR-4层。

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