材料が加熱されたときに PCB 基板が膨張する速度は、CTE または熱膨張係数として知られています。 CTE は、加熱温度ごとに 100 万または ppm ごとに拡大された割合で表されます。 材料の温度が Tg を超えると、CTE が増加します。 回路が加熱されると、基板の CTE (多くの場合銅よりも大幅に大きい) が接続の問題を引き起こす可能性があります。

CTE は通常、Y 軸と X 軸で低く、摂氏 1 度あたり 10 ～ 20 ppm の範囲です。 その理由は多くの場合、織られたガラスにあります。 これは、基板を Y および X の方向に制限します。また、材料の温度が Tg を超えて上昇しても、CTE は比較的一定のままです。 結果として、材料は Z 方向に成長する必要があります。Z 方向全体の CTE を 70 ppm/C 未満にすることを目指します。 材料が Tg を超えると、この値は上昇します。

ボード内のすべての基板には、温度に関連する特定の材料特性があります。 CTE の値、つまり温度による体積の変化率は、PCB 複合材料の重要な熱機械特性です。 システムは高温の変動によって過度に曲がる可能性があるため、設計者は機械的信頼性について懸念を示す必要があります。

設計者は、材料間の CTE 不適合が最小限に抑えられるように材料を選択する必要があります。 これは、熱暴走が引き起こす可能性のある潜在的な機械的問題を軽減するためです。 完全になくすことはできませんが、CTE 率の差をある程度減らすことができます。 CTE 値と熱的信頼性に適した材料の種類について詳しく知りたい場合は、読み続けてください。

CTE PCB 値とは何ですか?

すべての物質は、CTE または熱膨張係数と呼ばれることが多い重要な熱特性を持っています。 これは、特定の温度変化に応じて材料の体積が膨張する速度を表します。 通常、度によって百万分の一の単位で表されます。 これは、物質が1℃上昇するごとに1/10,000ずつ収縮または膨張することを意味します。 温度は、引張強度や絶縁耐力などの他の材料特性にも影響します。

CTE PCB の不一致がある場合はどうなりますか?

プリント基板を設計する際には、信頼性の高いプリント基板が必要です。 しかし、CTE の不一致は、多くの信頼性の問題を引き起こす可能性があります。 PCB 基板の CTE 値の変動の結果、応力が発生し、2 つの不適切な材料の間の領域に集中します。 本当に深刻でない限り、1 回の熱暴走で問題が発生することはほとんどありません。 ただし、頻繁に熱サイクルを行うと、体積膨張に関連した機械的問題が発生する可能性があります。

・はんだ疲労

極端な温度や振動の変化に耐える可能性がある信頼性の高い電気デバイスでは、はんだ疲労が大きな問題になります。 はんだ疲労は、物質またははんだ付け用の銅の CTE 値の不一致によって発生します。 振動は、はんだ疲労を引き起こすもう 1 つの主要な機械要素です。 これら 2 つの要素が一緒になると、溶接接合部に機械的摩耗が発生する可能性があります。

・はんだブリッジ

CTE の不一致と体積の変化は、いくつかの PCB 製造プロセスに影響を及ぼします。 BGA モジュールのはんだ付け中に発生する可能性のある問題の 1 つは、はんだブリッジです。 さまざまなパッケージ材料間の CTE の違いにより、ワイヤボンド成形された BGA コンポーネントは、各コーナーでのリフローはんだ付け中に膨張する傾向があります。 その結果、加熱されたはんだボールが変形し、隣接するボール間にブリッジが発生し、短絡が発生する可能性があります。

· 高アスペクト比ビアの熱応力

アスペクト比が高くなると、ビアの壁に沿った銅のコーティングが薄くなることがあります。 これにより、中心部は熱または高温応力亀裂を非常に受けやすくなります。 その結果、基板上の温度変化時の応力集中を軽減するには、メッキを厚くする必要があります。 熱サイクル、つまり低 vv から高 vv への温度の繰り返し変化は、ネックを介して亀裂を発生させることで知られています。 さらに、それは、HDI 回路カード上のスタックされた埋め込みビアまたはブラインド埋め込みビアの層のインターフェイスにつながります。

・層間剥離と基板の反り

温度が大幅に上昇すると、層の剥離を引き起こし、PCB の変形を開始する十分な応力が発生する可能性があります。 何らかの理由でラミネートと銅の間の CTE の不一致が大きすぎる場合に限ります。 FR4 と銅で構成される回路基板は、この種の損傷を特に受けやすいです。 これは、急激な温度変動と CTE の不均衡によって生じます。 樹脂密度が高いラミネートでは、銅との CTE の不一致が大きくなる可能性があります。 さらに、一定の温度変化に対して、銅の表面が厚くなると、より高い応力が生じます。

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ラミネートCTE PCBの重要性

コンポーネントのいずれかが基板の拡張の影響を受けやすい場合、平面の X-Y 拡張は悪影響を及ぼします。 大型シリコン パッケージや LBGA などのコンポーネントは 6 ppm/℃ の割合で伸びますが、回路基板は 18 ppm/℃ の割合で伸び、基板のはんだ接合部に損傷を与える可能性があります。 通常 -65°C ～ +125°C の間でかなりの回数の熱評価サイクルを行った後、膨張の不一致が繰り返されるため、基板のはんだ接合部にせん断圧力が発生します。 これにより、時間の経過とともに応力と小さな亀裂が生じ、最終的には溶接接合部自体が破壊されてはんだが硬化します。 軍事兵器や医療機器など、高い信頼性が求められる温度環境においては、断続的なデバイスの動作は望ましくありません。

アセンブリ全体で多数のはんだ付けサイクルを行うなど、一連の加熱セッションにわたる極度の過熱（つまり、ガラス転移温度または Tg を超える）も、温度変動を増大させる可能性があります。 例として、パターンはサイクル全体にわたって回路を熱的にはんだ付けし、サイクル全体にわたって別の熱的にチップをはんだ付けします。 次に、サイクル全体にわたって 3 回目のサーマルで大きなコンデンサをはんだ付けします。 Tg を超える熱サイクルを制限することは、動作中の熱サイクルの総数に影響を与えるため、回路の製造と組み立てにとって非常に重要です。 テストによると、Tg を超える熱組み立てサイクル 3 回は、摂氏 80 度でさらに熱サイクルを 1000 回以上行うことに相当します。

CTE ラミネートのより低い X-Y 値を使用すると、PCB の膨張を制限し、溶接接合部が破損するリスクを軽減できます。 また、より適切な冷却とキャビネットの選択を行うことで、PCB が受ける低温から高温のサイクルを減らし、より低い温度で処理することもできます。

CTE PCB アセンブリの熱応力亀裂

スルー銅めっきの熱応力破壊は、熱サイクルを繰り返すと発生します。 これは、回路基板の CTE が回路アセンブリの信頼性を損なう可能性があるもう 1 つの領域です。 PCB 材料は、温度の上昇により体積膨張します。 ただし、積層構造のため、X-Y 軸と Z 軸の拡張はまったく異なる動作をします。 ラミネートの拘束ガラス ファブリックにより、エポキシが等方的に (全方向に均等に) 伸びることが制限されるため、X 軸と Y 軸の膨張は Z 軸よりもはるかに少なくなります。

x-y の回路層の内側に積層されたより強靱なガラスの高いヤング率または膨張力の強さが、エポキシの体積膨張を制御します。 これは単に、ラミネートの膨張率が遅いためであることを意味します。 樹脂は x-y 方向には移動できず、z 方向に膨張する必要があります。 ただし、これにより、制限のない Z 軸での樹脂の膨張がさらに大きくなります。 これにより、ビア上にメッキされた銅にストレスがかかります。

温度が Tg に近づくと、z 軸の CTE は x-y 軸の値の 4 倍から 14 倍に劇的に増加します。 これは、古典的な PCB ラミネートでは、x-y 軸の 15 ppm/°C とは対照的に、Z 軸は Tg で 50 ～ 200 ppm/°C の速度で膨張することを意味します。

多層 PCB の CTE は通常 16 ～ 18 ppm/°C です。 回路基板の CTE が最も低い樹脂/繊維システムは、樹脂濃度が最も高いシステムである可能性があります。 極めて低い CTE を持つ積層板を作成することが可能です。 エポキシ不足に悩まされないように、プリプレグとラミネートは慎重に選択してください。 実際、飢餓とは、樹脂の流れがなくなり、内層の銅パターンの空隙が不完全に充填されることを意味します。 いくつかの積層技術は Z 軸の CTE を管理しますが、効果があるものはほんのわずかです。 ケブラーのような成功を収めているラミネート システムは非常に高価であり、入手可能性も限られています。