差热分析与PCB基板玻璃过渡

这个膨胀计用来测量液体和气体的热膨胀系数

热膨胀是一种无处不在的物理现象，静静地发生在我们周围，但我们很少注意到，除非我们做了精确的测量。无论你是否测量，PCB中的组件都会散热，并将热量传递给导体和基板。PCB基板和PCB中的导电结构会随着板的操作和加热到高温而膨胀。

热膨胀是PCB基板材料数据表中引用的众多物理特性之一，但这个值通常是许多设计人员事后才想到的。如果您的电路板将在高温环境中工作，您将需要注意PCB基板和导体的热膨胀系数(CTE)，以避免玻璃化转变。在某些情况下，选择玻璃化转变温度较高的衬底材料将更有意义，以防止对薄导体的过度应力，并有希望避免板失效。差热分析是一种可以用来测量这些和其他物理性质的技术。

什么是差热分析?

差热分析是一种精确测量材料温度变化及其与热力学性质关系的技术。样品的放热或吸热变化可以通过检测被测材料与惰性参考材料之间的温差来检测。如相变、玻璃化转变、结晶和聚合等效应。

差热分析测量需要比较测试材料和一些参考材料之间的两个温度测量值。这两种材料被安装在一个加热的室内，通常是在惰性气氛中，并且室内的温度在指定的范围内增加。每种材料的温度可以用热电偶来采集。在测试过程中，参考材料在相关温度范围内不应出现任何相变化、结晶变化或其他热力学变化。

测得的测试材料和参考材料之间的温度差与时间或炉温的关系称为差热分析曲线。DTA曲线上会出现峰和谷，这些峰和谷与测试材料的一些热力学变化有关。转变过程中DTA曲线下的面积等于物质的焓变。这使得相变化或结晶/聚合转变在DTA曲线中很容易被识别。在加热速度非常快的情况下热导率和/或测试材料的比热也可以从DTA曲线中提取。

差热分析装置(左)和差热分析曲线(右)

的玻璃化转变温度(Tg)在PCB基板或其他材料中也可以在DTA曲线中被识别为吸热现象(即，DTA曲线中的一个倾角)。在固体复合材料/聚合物材料中(即熔点之前)会出现玻璃化转变。在固相中，结晶或晶体相变将出现在DTA曲线中的放热峰，使它们很容易与玻璃相变区分开来。在熔点以上，聚合物交联也出现放热转变。了解如何识别这些不同的过渡提供了一种简单的方法来识别PCB基板上的玻璃过渡，而无需进行体积测量。

差热分析曲线

为什么要测量CTE和Tg值?

当你的板操作和加热到高温，基板和铜将膨胀，就像任何其他材料。PCB基材和铜的膨胀速率不同，即它们的CTE值不同。例如，FR4沿垂直方向(垂直于板表面)的CTE值为~70 ppm/K，而铜仅在~16 ppm/K时膨胀。随着板的膨胀，随着温度的升高，基底对铜结构施加了更大的应力。一旦衬底温度升高到玻璃化转变温度以上，衬底的CTE值进一步升高，随着衬底温度的升高，这对导体施加了更大的应力。

在厚导体和低纵横比镀通孔板，热膨胀不是这样的问题，直到达到玻璃过渡点以上的极端温度。然而，热膨胀已知会导致颈骨折人类发展指数的董事会当通径比非常高(~8或更多)时，在通径桶。

由于CTE值的不匹配，高密度线上的通孔可能在高温下破裂

当在炎热的环境中为板选择衬底材料时，最好使用Tg值足够大的板，因为你想避免玻璃过渡。这是非常重要的，当大功率组件使用在这些板。理想的PCB基板的CTE值也应与铜的CTE值相匹配。然而，这两个目标并不总是一致的，设计者在选择PCB基板时必须考虑他们的板的预期环境。

在对PCB基板进行差热分析之后，可以使用正确的PCB布局和设计软件。快板PCB设计者和节奏的全部设计工具套件可以帮助您在任何基板上创建下一个布局，并为生产准备板。您还将获得一套MCAD设计、电气模拟和数据管理的工具。

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