El coeficiente de expansión térmica, o CTE, describe cuánto cambian las dimensiones de un material cuando cambia su temperatura. En una PCB, ese movimiento importa en más de una dirección. La expansión a través del espesor de la placa puede someter a esfuerzo las interconexiones metalizadas; la expansión en el plano de la placa puede afectar a la relación mecánica entre esta y los componentes montados.
El CTE es útil para evaluar inicialmente un laminado y analizar la fiabilidad, pero un valor de la ficha técnica no predice cuándo fallará una placa terminada o una vía. También importan la estructura de capas, la construcción de los agujeros, el cobre, el historial térmico y las condiciones de ensayo.
Compruebe la dirección antes de interpretar el valor
Las fichas técnicas de PCB suelen distinguir las direcciones X e Y, que discurren a lo largo de la superficie de la placa, de la dirección Z, que atraviesa su espesor. El refuerzo y el resto de la construcción del material pueden afectar de forma distinta a estas direcciones.
Para una cuestión en el plano, como el movimiento de una placa con respecto a un encapsulado montado, comience por los datos X/Y y la geometría de ensamblaje pertinente. Para una interconexión que atraviesa la estructura de capas, examine el comportamiento en el eje Z y la construcción real del agujero metalizado. Una cifra de CTE sin un eje y un intervalo de temperatura omite información necesaria para cualquiera de estas evaluaciones.
Dónde interviene cada dirección en una revisión del diseño
| Dirección o interfaz | Qué revisa el equipo | Otra información necesaria |
|---|---|---|
| X/Y, a lo largo de la placa | Movimiento relativo entre la placa y los componentes montados, conectores o soportes mecánicos | Construcción de los componentes, geometría de fijación, intervalo de temperatura y restricciones de montaje |
| Z, a través del espesor | Movimiento de la estructura de capas alrededor de las interconexiones metalizadas durante una exposición térmica | Estructura de capas, espesor final, geometría de los agujeros, requisitos de metalización y perfil de exposición |
| Entre capas de distintos materiales | Cómo responde la construcción combinada al calentarse y enfriarse los materiales | Construcción real del laminado y el prepreg, distribución del cobre, interfaces y proceso de fabricación |
Estas filas identifican cuestiones que deben examinarse, no predicciones de fallo. Un laminado puede presentar una propiedad favorable y, aun así, requerir una revisión de la construcción completa de la placa y de su entorno de uso.
Por qué importa el intervalo de temperatura
Muchos materiales para PCB basados en polímeros cambian su comportamiento de expansión alrededor de su temperatura de transición vítrea, Tg. Por ello, una ficha técnica puede indicar un coeficiente de expansión en el eje Z por debajo de Tg y otro por encima. También puede informar de la expansión total en un intervalo de temperatura definido.
Estos datos aportan información de distinta naturaleza. Un coeficiente expresado en partes por millón por grado Celsius describe una tasa para las condiciones especificadas. Un porcentaje de expansión total describe el cambio global en el intervalo indicado. No compare ambos como si fueran la misma medición ni compare coeficientes de distintos intervalos de temperatura sin tener en cuenta esa diferencia.
La propia Tg depende del método de medición. Si un cálculo utiliza un punto de transición obtenido de una curva de expansión térmica, no lo sustituya sin indicarlo por una Tg medida mediante otro método. La guía sobre Tg presenta la transición; la ficha técnica del material exacto proporciona los valores y detalles de ensayo necesarios para una comparación específica.
Lectura de una ficha técnica real
La ficha técnica de la revisión E de 370HR de Isola indica los siguientes valores típicos. Cita IPC-TM-650 2.4.24C para la expansión en el eje Z e identifica la Tg medida por DSC.
| Propiedad de la ficha técnica | Valor típico |
|---|---|
| Tg por DSC | 180°C |
| CTE en el eje Z por debajo de Tg | 45 ppm/°C |
| CTE en el eje Z por encima de Tg | 230 ppm/°C |
| Expansión total en Z, de 50°C a 260°C | 2.8% |
Los coeficientes y la expansión total responden a preguntas distintas, y el resultado por DSC no debe utilizarse automáticamente como punto de transición en un cálculo basado en otro método de ensayo. Estas cifras describen un material bajo las condiciones indicadas por el proveedor; no son límites para todos los materiales FR-4, valores garantizados para una placa terminada ni un cálculo de la vida a fatiga de una vía.
| Campo de la ficha técnica | Por qué importa |
|---|---|
| Grado y revisión del material | Los nombres similares de familias de productos no garantizan propiedades idénticas. |
| Eje e intervalo de temperatura | Los valores X/Y, Z, por debajo de Tg y por encima de Tg responden a preguntas distintas. |
| Método de ensayo y probeta | La preparación y la medición afectan a lo que representa el valor declarado. |
| Valor típico o garantizado | Una propiedad típica no es automáticamente un límite de aceptación contractual. |
| Expansión total, si se indica | Compare porcentajes solo cuando los intervalos de temperatura y las condiciones indicados sean compatibles. |
¿Qué significa ppm/°C en un cálculo?
Para una muestra uniforme y sin restricciones, en un intervalo de temperatura en el que un coeficiente constante sea una aproximación adecuada, el cambio de longitud puede estimarse así:
cambio de longitud = longitud inicial × CTE × cambio de temperatura
Convierta un CTE expresado en ppm/°C a una fracción por grado multiplicándolo por 10^-6. Para una muestra hipotética de 1.00 mm de longitud, supongamos un coeficiente constante de 45 ppm/°C durante un aumento de 50°C:
1.00 mm × 45 × 10^-6/°C × 50°C = 0.00225 mm, o 2.25 µm.
Este es un ejemplo aritmético para una muestra homogénea y libre de restricciones. No establece la expansión real de 370HR en un intervalo concreto, aunque el coeficiente supuesto coincida con uno de los valores típicos de su tabla. Tampoco calcula la deformación de un barril de cobre. Una PCB real es una construcción unida en la que las capas y las interconexiones se restringen entre sí.
No aplique un solo coeficiente a un intervalo de temperatura que atraviese una transición sin un modelo adecuado y datos medidos pertinentes. En particular, la Tg por DSC de la ficha técnica del ejemplo no debe convertirse automáticamente en el punto de transición para un cálculo basado en otro método de medición.
Compare dos fichas sin establecer una clasificación engañosa
Coloque las fichas una junto a la otra y comience por el intervalo de temperatura que importa para el proyecto. Si una indica la expansión total en Z para un intervalo determinado mientras que la otra solo proporciona coeficientes por separado, mantenga los campos separados hasta que se hayan conciliado las mediciones y las hipótesis de cálculo. Un campo de preparación de probetas en blanco representa un dato desconocido; no demuestra que los dos ensayos utilizaran probetas idénticas.
A continuación, identifique la construcción real de los materiales propuesta en la estructura de capas. El nombre de una familia de productos no describe por sí solo todas las configuraciones posibles de núcleo, prepreg o placa terminada. Pregunte qué valores se aplican a la construcción propuesta, cuáles son típicos y qué puede confirmar el fabricante para el pedido.
Compruebe el método de ensayo citado y la preparación de las probetas antes de comparar una medición del laminado con la expansión medida en una placa terminada que contiene cobre. Confirme la revisión del método exigida por su propia especificación.
Separe el calor del ensamblaje del entorno de servicio
Una placa puede experimentar ciclos térmicos de soldadura y retrabajo durante el ensamblaje, y ciclos de temperatura distintos durante el servicio. Ambos historiales pueden incluir diferentes intervalos de temperatura, tiempos y números de ciclos. Si un proceso de ensamblaje supera la Tg mientras que el ciclo de servicio permanece por debajo de ella, ambas partes del comportamiento del material pueden ser pertinentes.
Registre el perfil de refusión previsto y cualquier retrabajo anticipado. Describa por separado las temperaturas de servicio, los tiempos de permanencia y los ciclos previstos. Evite seleccionar un material basándose únicamente en la Tg o utilizar el valor de tiempo hasta la delaminación de un laminado como vida útil de un agujero metalizado. La guía sobre T260 y T288 explica qué evalúan esas mediciones.
Prepare un historial térmico que todo el equipo pueda utilizar
| Etapa | Información que se debe recopilar | Decisión para la que aporta información |
|---|---|---|
| Ensamblaje | Perfiles de soldadura previstos y número de exposiciones planificadas | Revisión de materiales y construcción para el proceso de ensamblaje real |
| Retrabajo | Calentamiento local o de toda la placa previsto, cuando se conozca | Si el proceso de reparación propuesto debe incluirse en la evaluación |
| Servicio | Intervalo de temperatura, permanencia y ciclos previstos | Un entorno de uso representativo para planificar la cualificación |
| Investigación | Ubicación y estado observados de cualquier daño | Qué registros de construcción, exposición e inspección deben compararse |
Cuando se desconozca una exposición, márquela como dato pendiente. Una cantidad de retrabajos estimada sin fundamento o un ciclo de servicio no especificado no pueden sustentar un plan de cualificación justificable.
De los datos del laminado a la evaluación de agujeros metalizados
Imagine una placa multicapa gruesa con agujeros pasantes metalizados que podría requerir retrabajo de componentes. Antes de elegir entre dos materiales, el equipo de diseño comparte con el fabricante la estructura de capas propuesta, el espesor final, las dimensiones de los agujeros y los requisitos de cobre. El ensamblador proporciona el perfil térmico previsto y las hipótesis de retrabajo.
El equipo puede entonces comparar los datos de los materiales en los intervalos de temperatura pertinentes y decidir si se necesitan un cupón de ensayo representativo y una exposición térmica definida. Una sección transversal u otra inspección pueden ayudar a investigar los daños, pero el método y el plan de muestreo deben seleccionarse para el diseño real.
Un cálculo de expansión sin restricciones puede ilustrar cómo responde un material a la temperatura. Sin embargo, un agujero metalizado real forma parte de una estructura multicapa unida y restringida, por lo que ese cálculo no representa la deformación de su barril de cobre ni predice los ciclos hasta el fallo. Para planificar los cupones, consulte cupones de ensayo para PCB; para la construcción en sí, consulte vías de PCB.
Haga que el cupón sea representativo de la cuestión evaluada
Comience por definir la decisión que debe sustentar el ensayo. Un cupón destinado a investigar el comportamiento de agujeros metalizados debe considerarse en relación con el agujero y la estructura de capas que se evalúan, y no elegirse solo porque esté disponible. Documente el material y la construcción, el espesor final, la geometría pertinente de los agujeros y los requisitos de cobre, junto con el preacondicionamiento de ensamblaje y la exposición de servicio previstos.
Antes de comenzar, acuerde los puntos de inspección, el método de medición, el plan de muestreo y los criterios de aceptación. Mantenga registros separados para la ficha técnica del laminado, los resultados del cupón y la cualificación del producto terminado. Cada uno aporta evidencia útil, pero responde a una pregunta distinta. Un cupón que supera el ensayo debe interpretarse dentro de la construcción y las condiciones de ensayo que realmente representa.
Si los resultados son inesperados, conserve las muestras que fallaron y las de comparación, y registre su historial de exposición. Revise las posibles diferencias en la construcción, la configuración del ensayo y el proceso de ensamblaje antes de atribuir el resultado a una sola propiedad de la ficha técnica.
Qué enviar con la solicitud de fabricación
Incluya el grado del material o las alternativas permitidas, la construcción de núcleo y prepreg propuesta, el espesor final, los requisitos pertinentes de agujeros y cobre, los perfiles de ensamblaje y retrabajo, y el entorno de servicio. Indique cualquier método de ensayo y criterio de aceptación exigido, e identifique qué sustituciones de material requieren aprobación.
La guía de propiedades de los materiales FR-4 ofrece una visión más amplia de los demás campos de la ficha técnica. Para revisar una estructura de capas específica y conocer las opciones disponibles, solicite un presupuesto o contacte con APTPCB.