Коэффициент теплового расширения и температура стеклования

Одним из основных термохимических свойств базовых материалов (диэлектрических оснований) печатных плат, определяющим в конечном счете их характеристики, является Коэффициент Теплового Расширения (КТР) (или в английской транскрипции — CTE, Coefficient of Thermal Expansion). Он отражает изменение линейных размеров диэлектрика в зависимости от температуры. Причем, температурное расширение в трансверсальном направлении, т.е. поперек армирующих волокон – по оси Z – более важный показатель, чем изменение линейных размеров по осям Х и Y.

Значения КТР материалов очень важны, поскольку они оказывают непосредственное влияние на надежность платы. В горизонтальных составляющих изменение размеров сдерживается армирующими тканями на основе стекловолокна, кварцевых и арамидных нитей, входящих в состав диэлектрика. Они имеют относительно небольшой КТР (кстати, если бы не было этих армирующих элементов, то «чистый» полимер расширялся бы изотропно, равномерно по всем направлениям), чего нельзя сказать о значении КТР по оси Z. Эти значения могут отличаться в 4-5 раз. Поэтому меньшее температурное расширение по оси Z будет означать большую степень надежности и меньшие напряжения, оказываемые этим расширением на металлизацию отверстий.

Также следует помнить, что КТР не является величиной постоянной. КТР зависит от другого термохимического свойства материала, такого как Температура стеклования (Tg). Это температура, при нагреве выше которой диэлектрик базового материала скачкообразно переходит из твердого состояния в пластичное. КТР материала ниже и выше Tg может различаться в несколько раз. Зависимость расширения печатной платы по оси Z от температуры нелинейная и выглядит приблизительно так:

Чем опасен нагрев печатной платы выше температуры стеклования? Он опасен тем, что при таком нагревании КТР диэлектрика (основания платы) по оси Z резко меняется с 45-55 до 200-250 мкм/мºС, в то время как КТР меди (проводников) остается прежним — около 15 мкм/мºС. В этом случае сколько-нибудь длительное воздействие температур, превышающих Тg, неминуемо приводит к разрыву стенок металлизированных отверстий печатной платы. Это особенно актуально для HDI-плат, которые отличаются использованием узких металлизированных отверстий в толстых основаниях плат.

На первый взгляд кажется, что более высокие значения температуры стеклования лучше. Ведь в этом случае рабочая температура эксплуатации печатной платы выше. Более высокие значения Tg, конечно, будут задерживать начало интенсивного температурного расширения для данной полимерной системы, но нельзя забывать и о суммарном расширении, которое может отличаться от материала к материалу. Материал с более низким значением Tg может демонстрировать меньшее суммарное расширение, чем материал с более высоким значением Tg, особенно это касается современных композиционных полимеров, понижающих общий КТР.

Кроме того, следует учитывать, что полимерные системы с повышенной температурой Tg могут оказаться более жесткими и хрупкими, чем системы с низкими значениями Tg. Это может усложнять как производственный процесс изготовления печатных плат, так и условия их дальнейшей эксплуатации.