Коэффициент теплового расширения, или КТР, описывает изменение размеров материала при изменении его температуры. В печатной плате это изменение имеет значение в нескольких направлениях. Расширение по толщине платы может создавать напряжения в металлизированных межсоединениях; расширение в плоскости платы может влиять на механическое взаимодействие между платой и установленными на ней компонентами.

КТР полезен для предварительного выбора ламината и обсуждения надежности, но значение из технического паспорта не позволяет предсказать, когда откажет готовая плата или переходное отверстие. Значение имеют структура стека, конструкция отверстий, медь, история температурных воздействий и условия испытаний.

Прежде чем оценивать значение, проверьте направление

В технических паспортах материалов для печатных плат часто различают направления X и Y, лежащие в плоскости платы, и направление Z, проходящее через ее толщину. Армирующий материал и остальные элементы конструкции могут по-разному влиять на поведение в этих направлениях.

Если вопрос касается поведения в плоскости платы, например ее перемещения относительно установленного корпуса компонента, начните с данных по X/Y и соответствующей геометрии сборки. Для межсоединения, проходящего через стек, изучите поведение по оси Z и фактическую конструкцию металлизированного отверстия. Одного значения КТР без указания оси и диапазона температур недостаточно ни для одной из этих оценок.

Как каждое направление учитывается при анализе конструкции

Направление или граница	Что оценивает команда	Какая дополнительная информация необходима
X/Y, вдоль платы	Относительное перемещение платы и установленных компонентов, разъемов или механических опор	Конструкция компонентов, геометрия крепления, диапазон температур и ограничения, связанные с монтажом
Z, по толщине	Перемещение стека вокруг металлизированных межсоединений при тепловом воздействии	Структура стека, готовая толщина, геометрия отверстий, требования к металлизации и профиль воздействия
Между разнородными слоями	Реакция многослойной конструкции на нагрев и охлаждение материалов	Фактическая конструкция ламината и препрега, распределение меди, границы раздела и процесс изготовления

Эти строки обозначают вопросы для рассмотрения, а не прогнозируют отказы. Ламинат может иметь благоприятное значение одного свойства, но его все равно необходимо оценить с учетом полной конструкции платы и условий эксплуатации.

Почему важен диапазон температур

Многие полимерные материалы для печатных плат меняют характер расширения вблизи температуры стеклования Tg. Поэтому в техническом паспорте могут указывать один коэффициент расширения по оси Z ниже Tg и другой — выше нее. Также может указываться полное расширение в заданном температурном интервале.

Это разные виды данных. Коэффициент в миллионных долях на градус Цельсия описывает скорость изменения размера в заданных условиях. Процент полного расширения описывает общее изменение в указанном интервале. Не сравнивайте их как одно и то же измерение и не сопоставляйте коэффициенты для разных температурных интервалов без учета этого различия.

Сама Tg зависит от метода измерения. Если в расчете используется точка перехода, определенная по кривой теплового расширения, не подставляйте вместо нее без оговорок Tg, измеренную другим методом. В руководстве по Tg рассматривается этот переход; значения и сведения об испытаниях, необходимые для конкретного сравнения, следует брать из технического паспорта соответствующего материала.

Пример технического паспорта

В техническом паспорте Isola 370HR, редакция E, приведены следующие типовые значения. Для расширения по оси Z в нем указан метод IPC-TM-650 2.4.24C, а Tg определена методом DSC.

Свойство в техническом паспорте	Типовое значение
Tg по DSC	180 °C
КТР по оси Z ниже Tg	45 ppm/°C
КТР по оси Z выше Tg	230 ppm/°C
Полное расширение по оси Z от 50 °C до 260 °C	2,8 %

Коэффициенты и полное расширение отвечают на разные вопросы, а результат DSC не следует автоматически использовать как точку разделения в расчете, основанном на другом методе испытаний. Эти значения описывают один материал в условиях, указанных поставщиком; они не являются предельными значениями для всех материалов FR-4, гарантированными значениями для готовой платы или расчетом усталостной долговечности переходного отверстия.

Поле технического паспорта	Почему оно важно
Марка и редакция материала	Схожие названия семейств не означают идентичности свойств.
Ось и температурный интервал	Значения для X/Y, Z, ниже Tg и выше Tg отвечают на разные вопросы.
Метод испытаний и образец	Подготовка и измерение влияют на то, что именно отражает указанное значение.
Типовое или гарантированное значение	Типовое свойство не становится автоматически договорным критерием приемки.
Полное расширение, если указано	Сравнивайте процентные значения только при совместимости указанных температурных диапазонов и условий.

Что означает ppm/°C в расчете?

Для свободного однородного образца в температурном интервале, где постоянный коэффициент является подходящим приближением, изменение длины можно оценить следующим образом:

изменение длины = начальная длина × КТР × изменение температуры

Чтобы перевести КТР, указанный в ppm/°C, в долю на градус, умножьте его на 10^-6. Для гипотетического образца длиной 1,00 мм примем постоянный коэффициент 45 ppm/°C при повышении температуры на 50 °C:

1,00 мм × 45 × 10^-6/°C × 50 °C = 0,00225 мм, или 2,25 мкм.

Это арифметический пример для свободного однородного образца. Он не определяет фактическое расширение 370HR в каком-либо конкретном интервале, хотя принятый коэффициент случайно совпадает с одним из типовых значений в таблице материала. Он также не позволяет рассчитать деформацию медного цилиндра металлизации. Реальная печатная плата представляет собой связанную конструкцию, в которой слои и межсоединения ограничивают перемещение друг друга.

Не применяйте один коэффициент ко всему температурному интервалу, охватывающему переход, без подходящей модели и соответствующих измеренных исходных данных. В частности, Tg по DSC из приведенного технического паспорта не должна автоматически становиться точкой разделения для расчета, основанного на другом методе измерения.

Как сравнить два технических паспорта без ложного ранжирования

Расположите паспорта рядом и начните с температурного интервала, важного для проекта. Если в одном указано полное расширение по Z в заданном диапазоне, а в другом приведены только отдельные коэффициенты, не объединяйте эти показатели, пока не согласованы измерения и допущения расчета. Пустое поле подготовки образца означает, что данные неизвестны; это не доказывает, что в обоих испытаниях использовались идентичные образцы.

Затем определите фактическую конструкцию из материалов, предложенных для стека. Название семейства продуктов само по себе не описывает все варианты ядер, препрегов или конфигураций готовой платы. Уточните, какие значения применимы к предложенной конструкции, какие из них являются типовыми и что производитель может подтвердить для заказа.

Прежде чем сравнивать результат измерения ламината с расширением, измеренным на готовой плате с медью, проверьте указанный метод испытаний и подготовку образца. Уточните редакцию метода, требуемую вашей собственной спецификацией.

Разделяйте нагрев при сборке и условия эксплуатации

При сборке плата может подвергаться кратковременному нагреву при пайке и ремонте, а в эксплуатации — другому температурному циклу. Эти два вида воздействия могут различаться диапазонами температур, продолжительностью и числом циклов. Если процесс сборки проходит через Tg, а эксплуатационный цикл остается ниже нее, могут иметь значение обе области поведения материала.

Зафиксируйте планируемый профиль оплавления и любой предполагаемый ремонт. Отдельно опишите эксплуатационные температуры, время выдержки и ожидаемую циклическую нагрузку. Не выбирайте материал только по Tg и не используйте значение времени до расслоения ламината как срок службы металлизированного отверстия. В руководстве по T260 и T288 объясняется, что характеризуют эти измерения.

Составьте историю тепловых воздействий, понятную всей команде

Этап	Какие сведения собрать	Какому решению они помогают
Сборка	Планируемые профили пайки и число предусмотренных воздействий	Оценка материала и конструкции с учетом фактического маршрута сборки
Ремонт	Ожидаемый локальный нагрев или нагрев всей платы, если он известен	Решение о включении предложенного процесса ремонта в оценку
Эксплуатация	Ожидаемый диапазон температур, время выдержки и цикличность	Определение представительных условий применения для планирования квалификационных испытаний
Исследование	Выявленное расположение и состояние любых повреждений	Выбор записей о конструкции, воздействиях и контроле для сопоставления

Если воздействие неизвестно, отметьте его как исходный параметр, требующий уточнения. Предполагаемое наугад число ремонтов или неуточненный эксплуатационный цикл не могут служить основой для обоснованного плана квалификационных испытаний.

От данных о ламинате к оценке металлизированных отверстий

Представим толстую многослойную плату с металлизированными сквозными отверстиями, для которой может потребоваться ремонт компонентов. Прежде чем выбирать между двумя материалами, команда разработчиков передает производителю предложенную структуру стека, готовую толщину, размеры отверстий и требования к меди. Сборщик предоставляет планируемый температурный профиль и допущения относительно ремонта.

Затем команда может сравнить данные материалов в соответствующих температурных диапазонах и решить, нужны ли представительный испытательный купон и заданное тепловое воздействие. Микрошлиф или другой метод контроля может помочь исследовать повреждения, но метод и план отбора образцов необходимо выбирать для конкретной конструкции.

Расчет свободного расширения может показать, как материал реагирует на изменение температуры. Однако реальное металлизированное отверстие является частью связанной многослойной структуры с ограниченными перемещениями, поэтому такой расчет не дает деформацию его медного цилиндра металлизации и не предсказывает число циклов до отказа. О планировании купонов см. испытательные купоны печатных плат; о самой конструкции — переходные отверстия печатных плат.

Обеспечьте соответствие купона исследуемому вопросу

Начните с формулировки решения, которое должны обосновать испытания. Купон для исследования характеристик металлизированных отверстий следует обсуждать применительно к оцениваемым отверстию и структуре стека, а не выбирать только потому, что он доступен. Задокументируйте материал и конструкцию, готовую толщину, значимую геометрию отверстий и требования к меди, а также планируемую предварительную обработку, имитирующую сборку, и эксплуатационное воздействие.

До начала испытаний согласуйте места контроля, метод измерения, план отбора образцов и критерии приемки. Храните технический паспорт ламината, результаты испытаний купона и данные квалификации готового изделия в отдельных записях. Каждый из этих источников полезен, но отвечает на свой вопрос. Положительный результат испытания купона следует интерпретировать в пределах конструкции и условий испытания, которые он фактически представляет.

Если результаты оказались неожиданными, сохраните образцы с отказами и образцы для сравнения, а также зафиксируйте историю их воздействий. Прежде чем связывать результат с одним свойством из технического паспорта, рассмотрите возможные различия в конструкции, условиях испытаний и процессах сборки.

Что указать в запросе на изготовление

Укажите марку материала или допустимые альтернативы, предложенную конструкцию из ядер и препрегов, готовую толщину, соответствующие требования к отверстиям и меди, профили сборки и ремонта, а также условия эксплуатации. Отметьте все обязательные методы испытаний и критерии приемки и укажите, какие замены материалов требуют согласования.

Руководство по свойствам материалов FR-4 дает более широкое представление об остальных полях технического паспорта. Чтобы обсудить конкретную структуру стека и узнать о доступных вариантах, запросите расчет стоимости или свяжитесь с APTPCB.