何謂CTE(熱膨脹係數)?α2-CTE又是什麼?CTE如何影響電路板品質

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CTE為熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion)的簡稱,CTE是指物質在熱脹冷縮效應的作用下,幾何特性隨著溫度的上升、下降變化而跟隨發生變化的規律性係數。在實際的應用中,熱膨脹係數又可區分成【線性熱膨脹係數(Coefficient of Linear Thermal Expansion)】適用於「固體」及【體積熱膨脹係數(Coefficient of Volume Thermal Expansion)】適用於「氣體」兩種主要類別。

而「熱脹冷縮」是指物體受熱時體積會膨脹,遇冷時會收縮的特性,熱脹冷縮是由於物體內的粒子(原子)運動會隨溫度改變,當溫度上升時,粒子的振動幅度加大,使得物體膨脹。但當溫度下降時,粒子的振動幅度會減少,使物體收縮所致。

一般來說「熱脹冷縮」是大部分自然界物體的特性,但水(4°C以下)、銻、鉍、鎵和青銅等物質,在某些溫度範圍內受熱時反而會收縮,遇冷時會膨脹,恰好與一般物體的特性相反。因此,當「水」結成「冰」時,其體積反而會變大,所以易開罐或鋁箔包飲料不建議擺放在冰箱的冷凍庫內,否則容易因為溫度下降結冰而使得飲料撐破易開罐或鋁箔包。

日常生活中比較常見到「熱脹冷縮」 的例子是使用水泥鋪設的馬路或是陸橋,每隔一小段距離就要給予一定寬度的伸縮縫,以避免夏天的時候白天太陽高照吸熱膨脹造成路面壟起的問題,所以一般車子行經水泥路面或陸橋時經常可以聽到「吼嚨」的聲音,就是輪子壓到伸縮縫的聲音。

另外一個常見的例子是鐵軌,如果你稍微仔細觀察會發現鐵軌上也設計有伸縮縫,底下的圖片來自維基百科,可以發現鐵軌因為膨脹互相擠壓而造成彎曲的現象。

熱脹冷縮,如果你稍微仔細觀察會發現鐵軌上也設計有伸縮縫,底下的圖片來自維基百科,可以發現鐵軌因為膨脹互相擠壓而造成彎曲的現象。

將不小心被踩到變形的 乒乓球置放入熱水中可以讓乒乓球恢復成原來的形狀,馬路旁的水管或天然瓦斯管線故意彎折成一圓形或U型的形狀都是為了防止「熱脹冷縮」可能造成的問題。

CTE對電路板上的影響,Z軸CTE,α1/z-CTE、α2/z-CTE

世界上幾乎每一種材料都會隨著溫度的變化而膨脹或收縮,PCB基本上也符合「熱脹冷縮」的原理,不過PCB在X、Y方向因為受到玻纖布經緯的箝制,以致其CTE不大,約在12~15PPM/℃左右,但在板厚Z的方向則沒有太大的拘束,其α1/z-CTE將擴大為55~60PPM/℃。

TMA測試分析圖_Tg_CTE1_CTE2

一般量測Z軸CTE時採用「熱機分析法」(Thermal Mechanical Analysis簡稱TMA),它可以量測板材在Tg以下的熱膨脹係數(α1-CTE),以及Tg以上的熱膨脹係數(α2-CTE)。依據目前IPC-4101的規範建議α1/z-CTE之上限定為60PPM/℃,而α2-CTE之上限為300PPM/℃,其中又以α2/z-CTE最為重要

via-crack因為PCB通孔及焊墊中「銅」的CTE大約為16~18PPM/℃,與α2-CTE的差距過大容易引起通孔中孔環的斷裂(Crack)、銅環自板材拉起、局部扯裂或爆板分層(De-lamination)的情況。另外,50℃~260℃之Z軸整體CTE亦很重要,以IPC-4101規範,一般建議Tg之Z軸CTE上限為4%、Mid- Tg(Tg≥150℃ )為3.5%、High-Tg(Tg≥ 170℃ ) 則為3%。

理論上如果電路板FR-4層壓板的CTE過大是有機會影響到零件焊接於電路板焊墊上的錫點,但因為焊錫本身具有一定的彈性與耐震性,所以甚少聽說有焊點問題懷疑到FR-4的CTE上面,以目前的電子產品正式出廠前大多需要通過一定的反覆高低溫循環信賴度測試而言,這樣的懷疑真的可以不必考慮,反而是回焊Peak值高溫厚的冷卻速度如果太快,有可能造成焊錫龜裂的情形發生。


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訪客留言內容(Comments)

我們最近在使用DDR SMT的connector組裝再PCB時, 發現會有板灣或焊接不良問題.
請問熊大, 你手上有
LCP, PA4T, PA9T, PA6T的 CTE資料嗎? 謝謝
又PCB 的CTE 有分 Tg前後.
LCP, PA4T, PA9T, PA6T這些塑料的CTE是否也有分Tg前後
又這些塑料的CTE 是否也是可以用TMA( Thermal Mechanical Analyzer) 來測? 謝謝


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