Коефіцієнт теплового розширення, або КТР, описує, наскільки змінюються розміри матеріалу зі зміною температури. На друкованій платі такі зміни мають значення в кількох напрямках. Розширення по товщині плати може створювати напруження в металізованих з’єднаннях; розширення в площині плати може впливати на механічну взаємодію між платою та встановленими компонентами.

КТР корисний для попереднього оцінювання ламінату та обговорення надійності, але значення з технічного опису не дає змоги передбачити, коли готова плата або перехідний отвір вийде з ладу. Значення мають структура шарів, конструкція отворів, мідь, історія температурних впливів та умови випробувань.

Перш ніж читати значення, визначте напрямок

У технічних описах матеріалів для друкованих плат часто розрізняють напрямки X і Y, що лежать у площині поверхні плати, та напрямок Z, що проходить через її товщину. Армувальний матеріал та інші особливості конструкції матеріалу можуть по-різному впливати на ці напрямки.

Якщо йдеться про зміну розмірів у площині, наприклад про переміщення плати відносно встановленого корпусу компонента, почніть із даних для X/Y та відповідної геометрії вузла. Якщо йдеться про з’єднання, що проходить через структуру шарів, розгляньте поведінку вздовж осі Z і фактичну конструкцію металізованого отвору. Одного значення КТР без зазначення осі й температурного діапазону недостатньо для жодної з цих оцінок.

Як кожен напрямок враховують під час аналізу конструкції

Напрямок або межа контакту	Що аналізує команда	Яка додаткова інформація потрібна
X/Y, уздовж плати	Відносне переміщення між платою та встановленими компонентами, роз’ємами або механічними опорами	Конструкція компонентів, геометрія кріплення, температурний діапазон та обмеження монтажу
Z, по товщині	Зміна розмірів структури шарів навколо металізованих з’єднань під час теплового впливу	Структура шарів, кінцева товщина, геометрія отворів, вимоги до металізації та профіль теплового впливу
Між різнорідними шарами	Як комбінована конструкція реагує на нагрівання та охолодження матеріалів	Фактична конструкція з ламінату й препрегу, розподіл міді, межі контакту та процес виготовлення

Ці рядки визначають питання для аналізу, а не прогнозують відмови. Ламінат може мати сприятливе значення однієї властивості, але його все одно потрібно оцінити з урахуванням повної конструкції плати та умов експлуатації.

Чому температурний діапазон має значення

Багато полімерних матеріалів для друкованих плат змінюють характер розширення поблизу температури склування Tg. Тому в технічному описі може бути зазначено один коефіцієнт розширення вздовж осі Z нижче Tg, а інший — вище. У ньому також може бути наведено сумарне розширення в заданому температурному інтервалі.

Це різні види даних. Коефіцієнт у частках на мільйон на градус Цельсія описує швидкість зміни розмірів за визначених умов. Відсоток сумарного розширення описує загальну зміну в межах зазначеного інтервалу. Не порівнюйте їх так, ніби це однакові вимірювання, і не порівнюйте коефіцієнти для різних температурних інтервалів, не врахувавши цієї різниці.

Сама Tg залежить від методу вимірювання. Якщо в розрахунку використовується точка переходу з кривої теплового розширення, не підставляйте замість неї без відповідного застереження Tg, виміряну іншим методом. У посібнику з Tg описано цей перехід; технічний опис конкретного матеріалу містить значення та відомості про випробування, потрібні для конкретного порівняння.

Розгляньмо реальний технічний опис

У технічному описі Isola 370HR, редакція E, наведено такі типові значення. У ньому зазначено метод IPC-TM-650 2.4.24C для визначення розширення вздовж осі Z, а Tg визначено методом DSC.

Властивість із технічного опису	Типове значення
Tg за DSC	180°C
КТР уздовж осі Z нижче Tg	45 ppm/°C
КТР уздовж осі Z вище Tg	230 ppm/°C
Сумарне розширення вздовж осі Z, від 50°C до 260°C	2.8%

Коефіцієнти та сумарне розширення відповідають на різні запитання, а результат DSC не слід автоматично використовувати як точку переходу в розрахунку, що ґрунтується на іншому методі випробування. Ці значення описують один матеріал за умов, зазначених постачальником; вони не є граничними значеннями для всіх матеріалів FR-4, гарантованими значеннями для готової плати чи розрахунком втомного ресурсу перехідного отвору.

Поле технічного опису	Чому воно важливе
Марка та редакція матеріалу	Схожі назви сімейств не свідчать про ідентичність властивостей.
Вісь і температурний інтервал	Значення для X/Y, Z, нижче Tg і вище Tg відповідають на різні запитання.
Метод випробування та зразок	Підготовка й вимірювання впливають на те, що саме характеризує наведене значення.
Типове чи гарантоване значення	Типове значення властивості не є автоматично договірною межею приймання.
Сумарне розширення, якщо зазначено	Порівнюйте відсоткові значення лише тоді, коли зазначені температурні діапазони та умови сумісні.

Що означає ppm/°C у розрахунку?

Для вільного однорідного зразка в температурному інтервалі, де сталий коефіцієнт є прийнятним наближенням, зміну довжини можна оцінити так:

зміна довжини = початкова довжина × КТР × зміна температури

Щоб перевести КТР, зазначений у ppm/°C, у частку на градус, помножте його на 10^-6. Для гіпотетичного зразка довжиною 1.00 мм припустімо сталий коефіцієнт 45 ppm/°C при підвищенні температури на 50°C:

1.00 мм × 45 × 10^-6/°C × 50°C = 0.00225 мм, або 2.25 мкм.

Це арифметичний приклад для вільного однорідного зразка. Він не визначає фактичного розширення 370HR у конкретному інтервалі, хоча прийнятий коефіцієнт і збігається з одним із типових значень у таблиці для цього матеріалу. Він також не дає змоги розрахувати деформацію мідної металізації отвору. Реальна друкована плата — це з’єднана конструкція, у якій шари та міжшарові з’єднання обмежують рух одне одного.

Не застосовуйте один коефіцієнт до температурного інтервалу, що охоплює перехід, без належної моделі та відповідних виміряних вихідних даних. Зокрема, Tg за DSC у наведеному технічному описі не слід автоматично вважати точкою переходу для розрахунку, що ґрунтується на іншому методі вимірювання.

Порівнюйте два технічні описи без хибного ранжування

Розташуйте технічні описи поруч і почніть із температурного інтервалу, важливого для проєкту. Якщо в одному наведено сумарне розширення вздовж осі Z у зазначеному діапазоні, а в іншому — лише окремі коефіцієнти, не зводьте ці дані до одного показника, доки не узгодите вимірювання та припущення розрахунку. Якщо поле підготовки зразка порожнє, відповідна інформація невідома; це не доказ того, що в обох випробуваннях використовувалися ідентичні зразки.

Далі визначте фактичну конструкцію з матеріалів, запропоновану для структури шарів. Сама назва сімейства продуктів не описує кожну можливу конфігурацію осердя, препрегу чи готової плати. З’ясуйте, які значення стосуються запропонованої конструкції, які з них є типовими та що виробник плати може підтвердити для замовлення.

Перш ніж порівнювати результат вимірювання ламінату з розширенням, виміряним на готовій платі, що містить мідь, перевірте зазначений метод випробування та підготовку зразків. Уточніть редакцію методу, потрібну згідно з вашою специфікацією.

Відокремлюйте нагрівання під час складання від умов експлуатації

Під час складання плата може зазнавати температурних впливів паяння та ремонтного перепаювання, а в експлуатації — іншого температурного циклу. Ці два види температурної історії можуть відрізнятися діапазонами температур, тривалістю та кількістю циклів. Якщо під час складання температура проходить через Tg, а експлуатаційний цикл залишається нижче неї, важливими можуть бути обидві частини поведінки матеріалу.

Зафіксуйте запланований профіль оплавлення та будь-яке передбачуване ремонтне перепаювання. Окремо опишіть експлуатаційні температури, час витримки та очікувану циклічність. Не вибирайте матеріал лише за Tg і не використовуйте значення часу до розшарування ламінату як строк служби металізованого отвору. У посібнику з T260 і T288 пояснено, що саме характеризують ці вимірювання.

Сформуйте історію теплових впливів, якою зможе користуватися вся команда

Етап	Яку інформацію зібрати	Якому рішенню вона допомагає
Складання	Заплановані профілі паяння та кількість передбачених теплових впливів	Аналіз матеріалу й конструкції для фактичного процесу складання
Ремонтне перепаювання	Очікуване локальне нагрівання або нагрівання всієї плати, якщо це відомо	Чи слід включати запропонований процес ремонту до оцінювання
Експлуатація	Очікуваний температурний діапазон, витримка та циклічність	Визначення репрезентативних умов експлуатації для планування кваліфікації
Дослідження	Виявлене розташування та стан будь-яких пошкоджень	Які записи про конструкцію, теплові впливи й контроль потрібно порівняти

Якщо певний тепловий вплив невідомий, позначте його як відкрите вихідне питання. Приблизно вгадана кількість ремонтних перепаювань або невизначений експлуатаційний цикл не можуть слугувати основою для обґрунтованого плану кваліфікації.

Від даних ламінату до оцінювання металізованих отворів

Уявімо товсту багатошарову плату з металізованими наскрізними отворами, на якій може знадобитися ремонтне перепаювання компонентів. Перш ніж вибрати один із двох матеріалів, команда розробників передає виробнику плати запропоновану структуру шарів, кінцеву товщину, розміри отворів і вимоги до міді. Виконавець складання надає запланований температурний профіль і припущення щодо ремонтного перепаювання.

Після цього команда може порівняти дані матеріалів у відповідних температурних діапазонах і вирішити, чи потрібні репрезентативний випробувальний купон і визначений тепловий вплив. Аналіз шліфа або інший контроль може допомогти дослідити пошкодження, але метод і план відбору зразків потрібно вибирати для конкретної конструкції.

Розрахунок вільного розширення може показати, як матеріал реагує на температуру. Однак реальний металізований отвір є частиною з’єднаної багатошарової структури з обмеженою свободою руху, тому такий розрахунок не визначає деформацію його мідної металізації та не прогнозує кількість циклів до відмови. Щодо планування купонів див. випробувальні купони друкованих плат; щодо самої конструкції — перехідні отвори друкованих плат.

Забезпечте репрезентативність купона для поставленого питання

Почніть із визначення рішення, для якого потрібні результати випробування. Купон, призначений для дослідження характеристик металізованого отвору, слід розглядати стосовно отвору та структури шарів, що оцінюються, а не вибирати лише тому, що він доступний. Задокументуйте матеріал і конструкцію, кінцеву товщину, відповідну геометрію отворів і вимоги до міді, а також заплановане попереднє кондиціювання, пов’язане зі складанням, та експлуатаційний вплив.

Перед початком узгодьте місця контролю, метод вимірювання, план відбору зразків і критерії приймання. Зберігайте технічний опис ламінату, результати випробувань купона та дані кваліфікації готового виробу окремо. Кожен із цих матеріалів є корисним доказом, але відповідає на різне запитання. Успішний результат випробування купона слід тлумачити в межах конструкції та умов випробування, які він фактично представляє.

Якщо результати виявилися неочікуваними, збережіть зразки, що не пройшли випробування, і зразки для порівняння та зафіксуйте історію їхніх теплових впливів. Перш ніж пов’язувати результат з однією властивістю з технічного опису, розгляньте можливі відмінності в конструкції, умовах випробування та процесі складання.

Що додати до запиту на виготовлення

Зазначте марку матеріалу або дозволені альтернативи, запропоновану конструкцію з осердя та препрегу, кінцеву товщину, відповідні вимоги до отворів і міді, профілі складання та ремонтного перепаювання й умови експлуатації. Зазначте всі обов’язкові методи випробування та критерії приймання, а також визначте, які заміни матеріалів потребують погодження.

Посібник із властивостей матеріалів FR-4 дає ширше уявлення про інші поля технічного опису. Щоб проаналізувати конкретну структуру шарів і дізнатися про доступні варіанти, запитайте розрахунок вартості або зв’яжіться з APTPCB.