Le coefficient de dilatation thermique, ou CTE, décrit la variation dimensionnelle d’un matériau lorsque sa température change. Sur un PCB, ce mouvement compte dans plusieurs directions. La dilatation dans l’épaisseur de la carte peut exercer des contraintes sur les interconnexions métallisées ; la dilatation dans le plan de la carte peut modifier la relation mécanique entre celle-ci et les composants qui y sont fixés.
Le CTE est utile pour présélectionner un stratifié et discuter de sa fiabilité, mais une valeur de fiche technique ne permet pas de prédire à quel moment une carte finie ou un via sera défaillant. L’empilage, la construction des trous, le cuivre, l’historique thermique et les conditions d’essai entrent tous en jeu.
Identifiez la direction avant d’examiner la valeur
Les fiches techniques des PCB distinguent souvent les directions X et Y, qui suivent la surface de la carte, de la direction Z, qui traverse son épaisseur. Le renfort et les autres éléments constitutifs du matériau peuvent avoir des effets différents selon ces directions.
Pour une question concernant le plan de la carte, comme son mouvement par rapport à un boîtier monté, commencez par les données X/Y et la géométrie d’assemblage pertinente. Pour une interconnexion qui traverse l’empilage, examinez le comportement selon l’axe Z et la construction réelle du trou métallisé. Une valeur de CTE seule, sans indication de l’axe et de la plage de température, omet des informations nécessaires à l’une comme à l’autre de ces évaluations.
La place de chaque direction dans une revue de conception
| Direction ou interface | Ce que l’équipe examine | Autres informations nécessaires |
|---|---|---|
| X/Y, dans le plan de la carte | Mouvement relatif entre la carte et les composants montés, les connecteurs ou les supports mécaniques | Construction des composants, géométrie de fixation, plage de température et contraintes de montage |
| Z, dans l’épaisseur | Mouvement de l’empilage autour des interconnexions métallisées lors d’une exposition thermique | Empilage, épaisseur finie, géométrie des trous, exigences de métallisation et profil d’exposition |
| Entre couches dissemblables | Réponse de la construction assemblée lorsque les matériaux chauffent et refroidissent | Construction réelle des stratifiés et préimprégnés, répartition du cuivre, interfaces et procédé de fabrication |
Ces lignes soulèvent des questions ; elles ne prédisent pas des défaillances. Un stratifié peut présenter une propriété favorable tout en nécessitant un examen de la construction complète de la carte et de son environnement d’utilisation.
Pourquoi la plage de température est importante
De nombreux matériaux de PCB à base de polymères modifient leur comportement de dilatation autour de leur température de transition vitreuse, Tg. Une fiche technique peut donc indiquer un coefficient de dilatation selon l’axe Z en dessous de Tg et un autre au-dessus. Elle peut également indiquer la dilatation totale sur un intervalle de température défini.
Il s’agit de types d’informations différents. Un coefficient exprimé en parties par million par degré Celsius décrit un taux pour les conditions spécifiées. Un pourcentage de dilatation totale décrit la variation globale sur l’intervalle indiqué. Ne les comparez pas comme s’il s’agissait de la même mesure, et ne comparez pas des coefficients obtenus sur des intervalles de température différents sans tenir compte de cette différence.
La Tg elle-même dépend de la méthode de mesure. Si un calcul utilise un point de transition issu d’une courbe de dilatation thermique, ne le remplacez pas sans distinction par une Tg mesurée selon une autre méthode. Le guide sur la Tg présente cette transition ; la fiche technique du matériau exact fournit les valeurs et les détails d’essai nécessaires à une comparaison précise.
Examinez une fiche technique réelle
La fiche technique 370HR, révision E, d’Isola indique les valeurs typiques suivantes. Elle cite la norme IPC-TM-650 2.4.24C pour la dilatation selon l’axe Z et indique une Tg mesurée par DSC.
| Propriété de la fiche technique | Valeur typique |
|---|---|
| Tg par DSC | 180°C |
| CTE selon l’axe Z en dessous de Tg | 45 ppm/°C |
| CTE selon l’axe Z au-dessus de Tg | 230 ppm/°C |
| Dilatation totale selon Z, de 50°C à 260°C | 2,8% |
Les coefficients et la dilatation totale répondent à des questions différentes, et le résultat DSC ne doit pas automatiquement servir de point de transition dans un calcul fondé sur une autre méthode d’essai. Ces chiffres décrivent un matériau dans les conditions indiquées par le fournisseur ; ils ne constituent ni des limites pour tous les matériaux FR-4, ni des valeurs garanties pour une carte finie, ni un calcul de durée de vie en fatigue d’un via.
| Champ de la fiche technique | Pourquoi il est important |
|---|---|
| Grade et révision du matériau | Des noms de famille similaires ne signifient pas que les propriétés sont identiques. |
| Axe et intervalle de température | Les valeurs X/Y, Z, en dessous de Tg et au-dessus de Tg répondent à des questions différentes. |
| Méthode d’essai et éprouvette | La préparation et la mesure influent sur ce que représente la valeur indiquée. |
| Valeur typique ou garantie | Une propriété typique n’est pas automatiquement une limite d’acceptation contractuelle. |
| Dilatation totale, si elle est indiquée | Ne comparez les pourcentages que lorsque les plages de température et les conditions indiquées sont compatibles. |
Que signifie ppm/°C dans un calcul ?
Pour un échantillon uniforme et non contraint, sur un intervalle de température où un coefficient constant constitue une approximation appropriée, la variation de longueur peut être estimée comme suit :
variation de longueur = longueur initiale × CTE × variation de température
Pour convertir un CTE exprimé en ppm/°C en fraction par degré, multipliez-le par 10^-6. Pour un échantillon hypothétique de 1,00 mm de longueur, supposons un coefficient constant de 45 ppm/°C pour une hausse de 50°C :
1.00 mm × 45 × 10^-6/°C × 50°C = 0.00225 mm, soit 2,25 µm.
Il s’agit d’un exemple arithmétique pour un échantillon libre et homogène. Il ne détermine pas la dilatation réelle du 370HR sur un intervalle particulier, même si le coefficient supposé correspond à l’une des valeurs typiques de son tableau. Il ne calcule pas non plus la déformation du fût de cuivre. Un PCB réel est une construction assemblée dans laquelle les couches et les interconnexions se contraignent mutuellement.
N’appliquez pas un seul coefficient à un intervalle de température qui traverse une transition sans disposer d’un modèle approprié et de données mesurées pertinentes. En particulier, la Tg mesurée par DSC dans la fiche technique de l’exemple ne doit pas automatiquement devenir le point de transition d’un calcul fondé sur une autre méthode de mesure.
Comparez deux fiches sans établir de classement trompeur
Placez les fiches côte à côte et commencez par l’intervalle de température pertinent pour le projet. Si l’une indique la dilatation totale selon Z sur une plage donnée tandis que l’autre ne fournit que des coefficients distincts, gardez ces données séparées jusqu’à ce que les mesures et les hypothèses de calcul aient été rapprochées. Un champ de préparation des éprouvettes laissé vide est une donnée inconnue ; ce n’est pas la preuve que les deux essais ont utilisé des éprouvettes identiques.
Identifiez ensuite la construction réelle des matériaux proposée dans l’empilage. Le nom d’une famille de produits ne décrit pas à lui seul toutes les configurations de cœurs, de préimprégnés ou de cartes finies. Demandez quelles valeurs s’appliquent à la construction proposée, lesquelles sont typiques et ce que le fabricant peut confirmer pour la commande.
Vérifiez la méthode d’essai citée et la préparation des éprouvettes avant de comparer une mesure sur stratifié avec une dilatation mesurée sur une carte finie contenant du cuivre. Confirmez la révision de la méthode exigée par votre propre spécification.
Distinguez la chaleur d’assemblage de l’environnement de service
Une carte peut subir des excursions thermiques lors du brasage et des reprises pendant l’assemblage, puis un cycle de température différent en service. Ces deux historiques peuvent comporter des plages de température, des durées et des nombres de cycles différents. Si un procédé d’assemblage franchit Tg alors que le cycle de service reste en dessous, les deux aspects du comportement du matériau peuvent être pertinents.
Consignez le profil de refusion prévu et toute reprise anticipée. Décrivez séparément les températures de service, les temps de maintien et les cycles attendus. Évitez de choisir un matériau sur la seule base de Tg ou d’utiliser le temps avant délaminage d’un stratifié comme durée de vie d’un trou métallisé. Le guide sur T260 et T288 explique ce que ces mesures évaluent.
Établissez un historique thermique utilisable par toute l’équipe
| Étape | Informations à recueillir | Décision éclairée |
|---|---|---|
| Assemblage | Profils de brasage envisagés et nombre d’expositions prévues | Examen du matériau et de la construction pour le processus d’assemblage réel |
| Reprise | Chauffage local ou de toute la carte prévu, lorsqu’il est connu | Nécessité d’inclure ou non le procédé de réparation proposé dans l’évaluation |
| Service | Plage de température, temps de maintien et cycles attendus | Environnement d’utilisation représentatif pour la planification de la qualification |
| Investigation | Emplacement observé et état de tout dommage | Documents relatifs à la construction, aux expositions et aux inspections à comparer |
Lorsqu’une exposition n’est pas connue, indiquez qu’il s’agit d’une donnée à définir. Un nombre de reprises estimé au hasard ou un cycle de service non spécifié ne permet pas d’établir un plan de qualification défendable.
Des données du stratifié à l’évaluation des trous métallisés
Imaginons une carte multicouche épaisse comportant des trous traversants métallisés et pouvant nécessiter des reprises sur les composants. Avant de choisir entre deux matériaux, l’équipe de conception transmet au fabricant l’empilage proposé, l’épaisseur finie, les dimensions des trous et les exigences relatives au cuivre. L’assembleur fournit le profil thermique envisagé et les hypothèses de reprise.
L’équipe peut ensuite comparer les données des matériaux sur les plages de température pertinentes et déterminer si un coupon d’essai représentatif et une exposition thermique définie sont nécessaires. Une coupe micrographique ou une autre inspection peut aider à examiner les dommages, mais la méthode et le plan d’échantillonnage doivent être choisis en fonction de la conception réelle.
Un calcul de dilatation sans contrainte peut illustrer la réponse d’un matériau à la température. Un trou métallisé réel fait toutefois partie d’une structure multicouche assemblée et contrainte : ce calcul ne représente donc ni la déformation de son fût de cuivre ni une prédiction du nombre de cycles avant défaillance. Pour la planification des coupons, consultez l’article sur les coupons d’essai de PCB ; pour la construction elle-même, consultez l’article sur les vias de PCB.
Rendez le coupon représentatif de la question étudiée
Commencez par préciser la décision que l’essai doit permettre de prendre. Un coupon destiné à étudier les performances d’un trou métallisé doit être examiné par rapport au trou et à l’empilage évalués, et non choisi uniquement parce qu’il est disponible. Documentez le matériau et la construction, l’épaisseur finie, la géométrie pertinente des trous et les exigences relatives au cuivre, ainsi que le préconditionnement d’assemblage et l’exposition en service prévus.
Avant de commencer, mettez-vous d’accord sur les emplacements d’inspection, la méthode de mesure, le plan d’échantillonnage et les critères d’acceptation. Conservez dans des dossiers distincts la fiche technique du stratifié, les résultats des coupons et la qualification du produit fini. Chacun constitue une preuve utile, mais répond à une question différente. Un coupon conforme doit être interprété dans le cadre de la construction et des conditions d’essai qu’il représente réellement.
Si les résultats sont inattendus, conservez les échantillons défaillants et les échantillons de comparaison, et consignez leur historique d’exposition. Examinez les différences possibles de construction, de configuration d’essai et de traitement lors de l’assemblage avant d’attribuer le résultat à une seule propriété de la fiche technique.
Que transmettre avec la demande de fabrication
Indiquez le grade du matériau ou les alternatives autorisées, la construction proposée en cœurs et préimprégnés, l’épaisseur finie, les exigences pertinentes relatives aux trous et au cuivre, les profils d’assemblage et de reprise, ainsi que l’environnement de service. Précisez toute méthode d’essai et tout critère d’acceptation exigés, et identifiez les substitutions de matériaux qui nécessitent une approbation.
Le guide des propriétés des matériaux FR-4 offre une vue d’ensemble plus large des autres champs de la fiche technique. Pour examiner un empilage particulier et connaître les options disponibles, demandez un devis ou contactez APTPCB.