ضریب انبساط حرارتی یا CTE بیان می‌کند که ابعاد یک ماده با تغییر دما چقدر تغییر می‌کند. در PCB، این تغییر ابعاد در بیش از یک جهت اهمیت دارد. انبساط در راستای ضخامت برد می‌تواند به اتصالات آبکاری‌شده تنش وارد کند؛ انبساط در صفحه برد نیز می‌تواند بر رابطه مکانیکی میان برد و قطعات متصل به آن تأثیر بگذارد.
CTE برای غربالگری لمینیت و بررسی قابلیت اطمینان مفید است، اما مقدار درج‌شده در دیتاشیت پیش‌بینی نمی‌کند که برد یا ویای نهایی چه زمانی دچار خرابی خواهد شد. ساختار لایه‌چینی، ساختار سوراخ، مس، تاریخچه دمایی و شرایط آزمون همگی اهمیت دارند.
پیش از خواندن عدد، جهت را بررسی کنید
دیتاشیت‌های PCB اغلب بین جهت‌های X و Y که در امتداد سطح برد قرار دارند و جهت Z که در راستای ضخامت آن است، تمایز قائل می‌شوند. مواد تقویت‌کننده و سایر اجزای ساختار ماده می‌توانند به شکل متفاوتی بر این جهت‌ها تأثیر بگذارند.
برای بررسی موضوعی در صفحه برد، مانند حرکت برد نسبت به یک پکیج نصب‌شده، از داده‌های X/Y و هندسه مرتبط با مونتاژ شروع کنید. برای اتصالی که از میان لایه‌ها عبور می‌کند، رفتار محور Z و ساختار واقعی سوراخ آبکاری‌شده را بررسی کنید. یک عدد CTE بدون ذکر محور و بازه دمایی، اطلاعات لازم برای هیچ‌یک از این دو ارزیابی را کامل ارائه نمی‌دهد.
نقش هر جهت در بازبینی طراحی
| جهت یا سطح تماس | موضوع بررسی تیم | اطلاعات موردنیاز دیگر |
|---|---|---|
| X/Y، در امتداد برد | حرکت نسبی میان برد و قطعات نصب‌شده، کانکتورها یا تکیه‌گاه‌های مکانیکی | ساختار قطعه، هندسه اتصال، بازه دما و محدودیت‌های نصب |
| Z، در راستای ضخامت | حرکت ساختار لایه‌ای در اطراف اتصالات آبکاری‌شده هنگام مواجهه حرارتی | لایه‌چینی، ضخامت نهایی، هندسه سوراخ، الزامات آبکاری و پروفایل مواجهه حرارتی |
| بین لایه‌های غیرهم‌جنس | واکنش ساختار ترکیبی هنگام گرم و سرد شدن مواد | ساختار واقعی لمینیت و پری‌پرگ، توزیع مس، سطوح تماس و فرایند ساخت |
این ردیف‌ها پرسش‌هایی را مشخص می‌کنند، نه پیش‌بینی‌های خرابی. ممکن است یک لمینیت از نظر یک ویژگی مطلوب به نظر برسد و همچنان لازم باشد در چارچوب ساختار کامل برد و محیط استفاده بررسی شود.
چرا بازه دمایی مهم است
رفتار انبساط بسیاری از مواد پلیمری PCB در حوالی دمای انتقال شیشه‌ای آن‌ها، یعنی Tg، تغییر می‌کند. بنابراین، ممکن است دیتاشیت یک ضریب انبساط محور Z را برای زیر Tg و ضریب دیگری را برای بالای آن فهرست کند. همچنین ممکن است انبساط کل را در یک بازه دمایی مشخص گزارش دهد.
این‌ها انواع متفاوتی از اطلاعات هستند. ضریبی با واحد قسمت در میلیون بر درجه سلسیوس، نرخ تغییر را در شرایط مشخص‌شده بیان می‌کند. درصد انبساط کل، تغییر کلی را در بازه اعلام‌شده نشان می‌دهد. این دو را چنان مقایسه نکنید که گویی یک اندازه‌گیری یکسان هستند؛ همچنین ضرایب مربوط به بازه‌های دمایی متفاوت را بدون توجه به این تفاوت مقایسه نکنید.
خود Tg نیز به روش اندازه‌گیری وابسته است. اگر در محاسبه‌ای از نقطه انتقال به‌دست‌آمده از منحنی انبساط حرارتی استفاده می‌شود، Tg اندازه‌گیری‌شده با روشی دیگر را بدون ذکر این تفاوت جایگزین آن نکنید. راهنمای Tg این انتقال را معرفی می‌کند؛ دیتاشیت ماده دقیقاً موردنظر نیز مقادیر و جزئیات آزمون لازم برای یک مقایسه مشخص را ارائه می‌دهد.
یک دیتاشیت واقعی را بخوانید
دیتاشیت ویرایش E ماده 370HR شرکت Isola مقادیر معمول زیر را فهرست می‌کند. این دیتاشیت برای انبساط محور Z به IPC-TM-650 2.4.24C ارجاع می‌دهد و Tg را به روش DSC مشخص می‌کند.
| ویژگی دیتاشیت | مقدار معمول |
|---|---|
| Tg به روش DSC | 180°C |
| CTE محور Z در زیر Tg | 45 ppm/°C |
| CTE محور Z در بالای Tg | 230 ppm/°C |
| انبساط کل Z، از 50°C تا 260°C | 2.8% |
ضرایب و انبساط کل به پرسش‌های متفاوتی پاسخ می‌دهند و نتیجه DSC نباید به‌طور خودکار به‌عنوان نقطه تفکیک در محاسبه‌ای مبتنی بر روش آزمون دیگر استفاده شود. این ارقام یک ماده را در شرایط اعلام‌شده از سوی تأمین‌کننده توصیف می‌کنند؛ آن‌ها حد مجاز همه مواد FR-4، مقادیر تضمین‌شده برای برد نهایی یا محاسبه عمر خستگی ویا نیستند.
| مورد دیتاشیت | دلیل اهمیت |
|---|---|
| گرید و ویرایش ماده | نام‌های مشابه در یک خانواده لزوماً به معنای خواص یکسان نیستند. |
| محور و بازه دمایی | ارقام X/Y، Z، زیر Tg و بالای Tg به پرسش‌های متفاوتی پاسخ می‌دهند. |
| روش آزمون و نمونه | آماده‌سازی و اندازه‌گیری بر معنای مقدار گزارش‌شده تأثیر می‌گذارند. |
| معمول یا تضمین‌شده | یک ویژگی معمول لزوماً حد پذیرش قراردادی نیست. |
| انبساط کل، در صورت گزارش | درصدها را فقط زمانی مقایسه کنید که بازه‌های دمایی و شرایط اعلام‌شده با هم سازگار باشند. |
ppm/°C در محاسبه به چه معناست؟
برای یک نمونه یکنواخت و بدون محدودیت مکانیکی، در بازه دمایی‌ای که فرض ضریب ثابت تقریب مناسبی باشد، تغییر طول را می‌توان به شکل زیر برآورد کرد:
تغییر طول = طول اولیه × CTE × تغییر دما
برای تبدیل CTE بیان‌شده بر حسب ppm/°C به کسر بر درجه، آن را در 10^-6 ضرب کنید. برای نمونه‌ای فرضی به طول 1.00 mm، ضریب ثابت 45 ppm/°C را در افزایش دمای 50°C فرض کنید:
1.00 mm × 45 × 10^-6/°C × 50°C = 0.00225 mm یا 2.25 µm.
این یک مثال عددی برای نمونه‌ای آزاد و همگن است. این مثال انبساط واقعی 370HR را در یک بازه مشخص تعیین نمی‌کند، هرچند ضریب فرض‌شده اتفاقاً با یکی از ارقام معمول جدول آن برابر است. همچنین کرنش در استوانه مسی سوراخ را محاسبه نمی‌کند. PCB واقعی ساختاری متصل‌به‌هم دارد که در آن لایه‌ها و اتصالات حرکت یکدیگر را محدود می‌کنند.
بدون مدل مناسب و ورودی‌های اندازه‌گیری‌شده مرتبط، یک ضریب را در سراسر بازه دمایی‌ای که از یک نقطه انتقال عبور می‌کند به کار نبرید. به‌ویژه، Tg به‌دست‌آمده با DSC در دیتاشیت مثال نباید به‌طور خودکار نقطه تفکیک محاسبه‌ای شود که بر روش اندازه‌گیری متفاوتی مبتنی است.
دو دیتاشیت را بدون ایجاد رتبه‌بندی گمراه‌کننده مقایسه کنید
دیتاشیت‌ها را کنار هم قرار دهید و از بازه دمایی مهم برای پروژه شروع کنید. اگر یکی انبساط کل Z را در یک بازه مشخص گزارش می‌کند و دیگری فقط ضرایب جداگانه را ارائه می‌دهد، تا زمانی که تفاوت‌های اندازه‌گیری و فرض‌های محاسباتی تطبیق داده نشده‌اند، این موارد را جدا نگه دارید. خالی بودن بخش آماده‌سازی نمونه به معنای نامشخص بودن آن است؛ نه مدرکی مبنی بر اینکه در دو آزمون از نمونه‌های یکسان استفاده شده است.
سپس ساختار واقعی ماده پیشنهادی در لایه‌چینی را مشخص کنید. نام یک خانواده محصول به‌تنهایی همه پیکربندی‌های کور، پری‌پرگ یا برد نهایی را توصیف نمی‌کند. بپرسید کدام مقادیر برای ساختار پیشنهادی کاربرد دارند، کدام‌یک معمول هستند و سازنده برای سفارش چه مواردی را می‌تواند تأیید کند.
پیش از مقایسه اندازه‌گیری یک لمینیت با انبساط اندازه‌گیری‌شده روی برد نهایی حاوی مس، روش آزمون ذکرشده و آماده‌سازی نمونه را بررسی کنید. ویرایش روش موردنیاز در مشخصات فنی خود را تأیید کنید.
گرمای مونتاژ را از محیط کاری جدا کنید
یک برد ممکن است هنگام مونتاژ در معرض تغییرات دمایی ناشی از لحیم‌کاری و بازکاری قرار گیرد و در زمان کارکرد چرخه دمایی متفاوتی را تجربه کند. این دو تاریخچه می‌توانند شامل بازه‌های دمایی، زمان‌ها و تعداد چرخه‌های متفاوتی باشند. اگر فرایند مونتاژ از Tg عبور کند، در حالی که چرخه کاری زیر آن باقی بماند، ممکن است هر دو بخش رفتار ماده مرتبط باشند.
پروفایل ریفلاوی برنامه‌ریزی‌شده و هرگونه بازکاری پیش‌بینی‌شده را ثبت کنید. دماهای کاری، زمان‌های ماند و چرخه‌های مورد انتظار را جداگانه شرح دهید. از انتخاب ماده صرفاً بر اساس Tg یا استفاده از مقدار زمان تا لایه‌لایه‌شدگی لمینیت به‌عنوان عمر سوراخ آبکاری‌شده خودداری کنید. راهنمای T260 و T288 توضیح می‌دهد که این اندازه‌گیری‌ها چه موضوعی را بررسی می‌کنند.
یک تاریخچه حرارتی قابل‌استفاده برای کل تیم تهیه کنید
| مرحله | اطلاعاتی که باید جمع‌آوری شود | تصمیمی که به آن کمک می‌کند |
|---|---|---|
| مونتاژ | پروفایل‌های لحیم‌کاری موردنظر و تعداد مواجهه‌های برنامه‌ریزی‌شده | بررسی ماده و ساختار برای مسیر واقعی مونتاژ |
| بازکاری | گرمایش موضعی یا کل برد که انتظار می‌رود، در صورت مشخص بودن | اینکه آیا فرایند تعمیر پیشنهادی باید در ارزیابی گنجانده شود یا خیر |
| کارکرد | بازه دمایی مورد انتظار، زمان ماند و چرخه‌ها | محیط استفاده نماینده برای برنامه‌ریزی تأیید صلاحیت |
| بررسی | محل مشاهده‌شده و وضعیت هرگونه آسیب | اینکه کدام سوابق ساختار، مواجهه و بازرسی باید مقایسه شوند |
هر جا مواجهه‌ای مشخص نیست، آن را به‌عنوان ورودی تعیین‌نشده علامت بزنید. تعداد حدسی بازکاری یا چرخه کاری نامشخص نمی‌تواند مبنای یک برنامه تأیید صلاحیت قابل‌دفاع باشد.
از داده‌های لمینیت تا ارزیابی سوراخ آبکاری‌شده
یک برد چندلایه ضخیم با سوراخ‌های سرتاسری آبکاری‌شده را تصور کنید که ممکن است قطعات آن به بازکاری نیاز داشته باشند. پیش از انتخاب بین دو ماده، تیم طراحی لایه‌چینی پیشنهادی، ضخامت نهایی، ابعاد سوراخ و الزامات مس را با سازنده در میان می‌گذارد. مجموعه مونتاژ نیز پروفایل حرارتی موردنظر و فرض‌های مربوط به بازکاری را ارائه می‌کند.
سپس تیم می‌تواند داده‌های مواد را در بازه‌های دمایی مرتبط مقایسه کند و تصمیم بگیرد که آیا به یک کوپن آزمون نماینده و مواجهه حرارتی تعریف‌شده نیاز است یا خیر. مقطع‌نگاری یا روش بازرسی دیگر ممکن است به بررسی آسیب کمک کند، اما روش و طرح نمونه‌برداری باید متناسب با طراحی واقعی انتخاب شوند.
محاسبه انبساط بدون محدودیت مکانیکی می‌تواند واکنش یک ماده به دما را نشان دهد. با این حال، یک سوراخ آبکاری‌شده واقعی بخشی از ساختار چندلایه متصل‌به‌هم و مقید است؛ بنابراین، آن محاسبه بیانگر کرنش در استوانه مسی سوراخ یا پیش‌بینی تعداد چرخه‌ها تا خرابی نیست. برای برنامه‌ریزی کوپن، به کوپن‌های آزمون PCB و برای خود ساختار، به ویاهای PCB مراجعه کنید.
کوپن را متناسب با پرسش مورد بررسی انتخاب کنید
ابتدا تصمیمی را مشخص کنید که آزمون باید از آن پشتیبانی کند. کوپنی که برای بررسی عملکرد سوراخ آبکاری‌شده در نظر گرفته شده است، باید با توجه به سوراخ و لایه‌چینی مورد ارزیابی بررسی شود، نه اینکه صرفاً به دلیل در دسترس بودن انتخاب شود. ماده و ساختار، ضخامت نهایی، هندسه مرتبط سوراخ و الزامات مس را همراه با پیش‌شرط‌سازی موردنظر در مونتاژ و مواجهه در شرایط کارکرد مستند کنید.
پیش از شروع، درباره محل‌های بازرسی، روش اندازه‌گیری، طرح نمونه‌برداری و معیارهای پذیرش توافق کنید. دیتاشیت لمینیت، نتایج کوپن و تأیید صلاحیت محصول نهایی را در سوابق جداگانه نگه دارید. هر یک شواهد مفیدی هستند، اما به پرسش متفاوتی پاسخ می‌دهند. نتیجه قبولی یک کوپن باید در محدوده ساختار و شرایط آزمونی تفسیر شود که واقعاً نماینده آن‌هاست.
اگر نتایج غیرمنتظره بودند، نمونه‌های دچار خرابی و نمونه‌های مقایسه‌ای را حفظ و تاریخچه مواجهه آن‌ها را ثبت کنید. پیش از نسبت دادن نتیجه به یک ویژگی منفرد دیتاشیت، تفاوت‌های احتمالی در ساختار، تنظیمات آزمون و فرایند مونتاژ را بررسی کنید.
همراه درخواست ساخت چه اطلاعاتی ارسال شود
گرید ماده یا جایگزین‌های مجاز، ساختار پیشنهادی کور و پری‌پرگ، ضخامت نهایی، الزامات مرتبط سوراخ و مس، پروفایل‌های مونتاژ و بازکاری و محیط کاری را درج کنید. روش آزمون و معیارهای پذیرش موردنیاز را مشخص کنید و جایگزینی‌هایی را که به تأیید نیاز دارند تعیین کنید.
راهنمای خواص مواد FR-4 دید گسترده‌تری از دیگر موارد دیتاشیت ارائه می‌دهد. برای بررسی یک لایه‌چینی مشخص و دریافت گزینه‌های موجود، درخواست قیمت بدهید یا با APTPCB تماس بگیرید.