Il coefficiente di dilatazione termica, o CTE, descrive la variazione dimensionale di un materiale al variare della temperatura. Su un PCB, questo movimento è rilevante in più direzioni. La dilatazione attraverso lo spessore della scheda può sollecitare le interconnessioni metallizzate; la dilatazione nel piano della scheda può influire sul rapporto meccanico tra la scheda e i componenti fissati ad essa.
Il CTE è utile per una prima valutazione di un laminato e per discutere dell'affidabilità, ma un valore riportato nella scheda tecnica non consente di prevedere quando una scheda finita o una via si guasteranno. Contano anche lo stackup, la costruzione dei fori, il rame, la storia termica e le condizioni di prova.
Verificare la direzione prima del valore
Le schede tecniche dei PCB distinguono spesso le direzioni X e Y, parallele alla superficie della scheda, dalla direzione Z, che attraversa il suo spessore. Il rinforzo e gli altri elementi della struttura del materiale possono influire diversamente su queste direzioni.
Per un aspetto che riguarda il piano della scheda, come il movimento della scheda rispetto a un package montato, partire dai dati X/Y e dalla geometria di assemblaggio pertinente. Per un'interconnessione che attraversa lo stackup, esaminare il comportamento lungo l'asse Z e la costruzione effettiva del foro metallizzato. Un singolo valore di CTE privo dell'asse e dell'intervallo di temperatura omette informazioni necessarie per entrambe le valutazioni.
Il ruolo di ciascuna direzione nella revisione del progetto
| Direzione o interfaccia | Aspetti esaminati dal team | Altre informazioni necessarie |
|---|---|---|
| X/Y, lungo la scheda | Movimento relativo tra la scheda e i componenti montati, i connettori o i supporti meccanici | Costruzione dei componenti, geometria di fissaggio, intervallo di temperatura e vincoli di montaggio |
| Z, attraverso lo spessore | Movimento dello stackup attorno alle interconnessioni metallizzate durante un'esposizione termica | Stackup, spessore finito, geometria dei fori, requisiti di metallizzazione e profilo di esposizione |
| Tra strati di materiali diversi | Risposta della struttura nel suo insieme durante il riscaldamento e il raffreddamento dei materiali | Struttura effettiva di laminato e prepreg, distribuzione del rame, interfacce e processo di fabbricazione |
Queste righe indicano aspetti da esaminare, non previsioni di guasto. Un laminato può presentare un valore favorevole per una proprietà e richiedere comunque una valutazione in relazione all'intera struttura della scheda e all'ambiente d'impiego.
Perché l'intervallo di temperatura è importante
Molti materiali per PCB a base polimerica cambiano comportamento di dilatazione in prossimità della loro temperatura di transizione vetrosa, Tg. Una scheda tecnica può quindi riportare un coefficiente di dilatazione lungo l'asse Z al di sotto della Tg e un altro al di sopra. Può anche indicare la dilatazione totale su un intervallo di temperatura definito.
Si tratta di informazioni di natura diversa. Un coefficiente espresso in parti per milione per grado Celsius descrive un tasso di variazione per le condizioni specificate. Una percentuale di dilatazione totale descrive la variazione complessiva nell'intervallo indicato. Non confrontare i due valori come se rappresentassero la stessa misura, né confrontare coefficienti riferiti a intervalli di temperatura diversi senza tenere conto della differenza.
La Tg stessa dipende dal metodo di misurazione. Se un calcolo utilizza un punto di transizione ricavato da una curva di dilatazione termica, non sostituirlo senza precisazioni con una Tg misurata mediante un metodo diverso. La guida alla Tg introduce la transizione; la scheda tecnica del materiale specifico fornisce i valori e i dettagli di prova necessari per un confronto mirato.
Leggere una scheda tecnica reale
La scheda tecnica 370HR revisione E di Isola riporta i seguenti valori tipici. Cita la norma IPC-TM-650 2.4.24C per la dilatazione lungo l'asse Z e determina la Tg mediante DSC.
| Proprietà della scheda tecnica | Valore tipico |
|---|---|
| Tg mediante DSC | 180°C |
| CTE lungo l'asse Z al di sotto della Tg | 45 ppm/°C |
| CTE lungo l'asse Z al di sopra della Tg | 230 ppm/°C |
| Dilatazione totale lungo Z, da 50°C a 260°C | 2,8% |
I coefficienti e la dilatazione totale rispondono a domande diverse e il risultato DSC non dovrebbe essere utilizzato automaticamente come punto di transizione in un calcolo basato su un altro metodo di prova. Questi valori descrivono un materiale nelle condizioni dichiarate dal fornitore; non sono limiti validi per tutti i materiali FR-4, valori garantiti per una scheda finita o un calcolo della vita a fatica di una via.
| Voce della scheda tecnica | Perché è importante |
|---|---|
| Grado e revisione del materiale | Nomi di famiglia simili non implicano proprietà identiche. |
| Asse e intervallo di temperatura | I valori X/Y, Z, al di sotto e al di sopra della Tg rispondono a domande diverse. |
| Metodo di prova e provino | La preparazione e la misurazione influiscono sul significato del valore riportato. |
| Valore tipico o garantito | Una proprietà tipica non è automaticamente un limite contrattuale di accettazione. |
| Dilatazione totale, se riportata | Confrontare le percentuali solo quando gli intervalli di temperatura e le condizioni dichiarati sono compatibili. |
Che cosa significa ppm/°C in un calcolo?
Per un campione uniforme e non vincolato, su un intervallo di temperatura in cui un coefficiente costante costituisce un'approssimazione adeguata, la variazione di lunghezza può essere stimata come segue:
variazione di lunghezza = lunghezza iniziale × CTE × variazione di temperatura
Convertire un CTE espresso in ppm/°C in una frazione per grado moltiplicandolo per 10^-6. Per un campione ipotetico lungo 1,00 mm, si assuma un coefficiente costante di 45 ppm/°C per un aumento di temperatura di 50°C:
1.00 mm × 45 × 10^-6/°C × 50°C = 0.00225 mm, ovvero 2,25 µm.
Questo è un esempio aritmetico relativo a un campione libero e omogeneo. Non determina la dilatazione effettiva del 370HR su un particolare intervallo, anche se il coefficiente ipotizzato coincide con uno dei valori tipici della sua tabella. Non calcola neppure la deformazione del cilindro di rame. Un PCB reale è una struttura solidarizzata in cui strati e interconnessioni si vincolano reciprocamente.
Non applicare un unico coefficiente a un intervallo di temperatura che attraversa una transizione senza un modello adeguato e dati misurati pertinenti. In particolare, la Tg misurata mediante DSC nella scheda tecnica dell'esempio non dovrebbe diventare automaticamente il punto di transizione per un calcolo basato su un metodo di misurazione diverso.
Confrontare due schede tecniche senza creare una classificazione fuorviante
Mettere le schede tecniche una accanto all'altra e partire dall'intervallo di temperatura rilevante per il progetto. Se una riporta la dilatazione totale lungo Z su un intervallo dichiarato mentre l'altra fornisce solo coefficienti separati, mantenere distinti i dati finché le misurazioni e le ipotesi di calcolo non siano state rese comparabili. Se il campo relativo alla preparazione del provino è vuoto, l'informazione è sconosciuta; non è una prova che le due prove abbiano utilizzato provini identici.
Identificare quindi la struttura effettiva del materiale proposta nello stackup. Il nome di una famiglia di prodotti non descrive di per sé ogni configurazione di core, prepreg o scheda finita. Chiedere quali valori si applicano alla struttura proposta, quali sono tipici e cosa può confermare il fabbricante per l'ordine.
Verificare il metodo di prova citato e la preparazione del provino prima di confrontare una misurazione su laminato con la dilatazione misurata su una scheda finita contenente rame. Confermare la revisione del metodo richiesta dalla propria specifica.
Distinguere il calore di assemblaggio dall'ambiente di esercizio
Una scheda può essere sottoposta a escursioni termiche durante la saldatura e la rilavorazione in fase di assemblaggio e a un ciclo termico diverso durante l'esercizio. Le due storie termiche possono comportare intervalli di temperatura, durate e numeri di cicli diversi. Se un processo di assemblaggio supera la Tg mentre il ciclo di esercizio rimane al di sotto, entrambe le parti del comportamento del materiale possono essere rilevanti.
Registrare il profilo di rifusione previsto e le eventuali rilavorazioni anticipate. Descrivere separatamente le temperature di esercizio, i tempi di permanenza e la ciclicità prevista. Evitare di scegliere un materiale basandosi solo sulla Tg o di usare il valore del tempo alla delaminazione di un laminato come durata di vita di un foro metallizzato. La guida a T260 e T288 spiega cosa valutano queste misurazioni.
Definire una storia termica utilizzabile da tutto il team
| Fase | Informazioni da raccogliere | Decisione supportata |
|---|---|---|
| Assemblaggio | Profili di saldatura previsti e numero di esposizioni pianificate | Valutazione del materiale e della struttura per il percorso di assemblaggio effettivo |
| Rilavorazione | Riscaldamento locale o dell'intera scheda previsto, se noto | Se includere il processo di riparazione proposto nella valutazione |
| Esercizio | Intervallo di temperatura, tempi di permanenza e ciclicità previsti | Un ambiente d'impiego rappresentativo per la pianificazione della qualifica |
| Indagine | Posizione osservata e condizioni di eventuali danni | Quali registrazioni relative a struttura, esposizione e ispezione confrontare |
Quando un'esposizione non è nota, indicarla come dato ancora da definire. Un numero di rilavorazioni ipotizzato o un ciclo di esercizio non specificato non possono supportare un piano di qualifica tecnicamente giustificabile.
Dai dati del laminato alla valutazione dei fori metallizzati
Si immagini una scheda multistrato spessa con fori passanti metallizzati che potrebbe richiedere la rilavorazione dei componenti. Prima di scegliere tra due materiali, il team di progettazione condivide con il fabbricante lo stackup proposto, lo spessore finito, le dimensioni dei fori e i requisiti relativi al rame. L'assemblatore fornisce il profilo termico previsto e le ipotesi di rilavorazione.
Il team può quindi confrontare i dati dei materiali negli intervalli di temperatura pertinenti e decidere se siano necessari un coupon di prova rappresentativo e un'esposizione termica definita. Una sezione metallografica o un'altra ispezione può aiutare a indagare sui danni, ma il metodo e il piano di campionamento devono essere scelti in funzione del progetto effettivo.
Un calcolo della dilatazione in assenza di vincoli può illustrare la risposta di un materiale alla temperatura. Un foro metallizzato reale fa però parte di una struttura multistrato solidarizzata e vincolata: quel calcolo non rappresenta quindi la deformazione del suo cilindro di rame né una previsione dei cicli fino al guasto. Per pianificare i coupon, consultare coupon di prova per PCB; per la struttura in sé, consultare via nei PCB.
Rendere il coupon rappresentativo dell'aspetto da valutare
Iniziare definendo la decisione che la prova deve supportare. Un coupon destinato a valutare le prestazioni dei fori metallizzati dovrebbe essere discusso in relazione al foro e allo stackup oggetto della valutazione, non scelto solo perché disponibile. Documentare il materiale e la struttura, lo spessore finito, la geometria dei fori rilevante e i requisiti relativi al rame, insieme al precondizionamento di assemblaggio e all'esposizione in esercizio previsti.
Prima di iniziare, concordare i punti di ispezione, il metodo di misurazione, il piano di campionamento e i criteri di accettazione. Conservare in registrazioni separate la scheda tecnica del laminato, i risultati dei coupon e la qualifica del prodotto finito. Ognuno costituisce un'evidenza utile, ma risponde a una domanda diversa. Un coupon che supera la prova deve essere interpretato nell'ambito della struttura e delle condizioni di prova che rappresenta effettivamente.
Se i risultati sono inattesi, conservare i campioni guasti e quelli di confronto e registrarne la storia di esposizione. Esaminare le possibili differenze nella struttura, nell'impostazione della prova e nei processi di assemblaggio prima di attribuire il risultato a una singola proprietà della scheda tecnica.
Cosa inviare con la richiesta di fabbricazione
Includere il grado del materiale o le alternative consentite, la struttura di core e prepreg proposta, lo spessore finito, i requisiti pertinenti per fori e rame, i profili di assemblaggio e rilavorazione e l'ambiente di esercizio. Indicare gli eventuali metodi di prova e criteri di accettazione richiesti e specificare quali sostituzioni di materiale richiedono approvazione.
La guida alle proprietà dei materiali FR-4 offre una panoramica più ampia delle altre voci della scheda tecnica. Per esaminare uno stackup specifico e conoscere le opzioni disponibili, richiedi un preventivo o contatta APTPCB.