PCB CTE值和为什么应该避免CTE不匹配
PCB中的所有材料都有一些与温度有关的材料特性。PCB材料的一个重要热力学特性是CTE值，即材料体积随温度的变化率。在温度变化过大的情况下，系统可能会发生过大的变形，这应该引起设计师对机械可靠性的关注。
为了最大限度地减少与热漂移相关的潜在机械故障，设计师应该选择材料，使材料之间的任何CTE不匹配最小化。CTE值之间的不匹配永远不能设置为零，但可以在一定程度上将其最小化。请继续阅读以了解更多关于CTE值的信息，哪些材料对于热可靠性更可取。
什么是PCB CTE值?
所有材料都有一个重要的热性能，称为热膨胀系数，或CTE。这是指在给定的温度变化下，材料的体积膨胀率。它通常以每度百万分之一来测量，即每增加1°C，材料将膨胀或收缩1%的万分之一。材料的其他性能，如介电强度和拉伸模量也与温度有关。
典型PCB CTE值
下面是各种材料的一些重要CTE值。
FR4分层 |
X: ~15 ppm/°C Y: ~15 ppm/°C Z: ~70 ppm/°C |
聚四氟乙烯复合材料 |
X:变化(平均~16 ppm/°C) Y:变化(平均~16 ppm/°C) Z:变化(平均~16 ppm/°C) |
铜 |
16 - 17 ppm /°C |
LPI阻焊层 |
~ 50ppm /°C，取决于固化条件 |
上面的值是概括的;如果电路板可能经历极端温度的热循环，请务必在选择材料之前检查材料数据表。此外，更奇特的材料，如陶瓷，可以在地图上到处都有CTE值。由于氮化铝具有很强的导热性，是一种很有价值的材料，但它的CTE值非常小(4.3 - 5.8 ppm/°C)，不能很好地与铜匹配。
玻璃化转变温度
所有pcb都有另一个与CTE相关的重要材料性质，那就是玻璃化转变温度，或者Tg。标准fr4级层压板的Tg值在130°C附近，尽管更昂贵的高Tg层压板的Tg值将达到170-180°C。其他更专业的材料，如罗杰斯或类似的聚四氟乙烯层压板可以有更高的Tg值，尽管具体的值取决于层压板中基材的组成。
当CTE不匹配时会发生什么?
在设计PCB时，您希望它尽可能可靠，但由于CTE不匹配，可能会出现一些可靠性问题。由于PCB材料中CTE值的差异，应力会产生并集中在两种不匹配的材料之间的区域。一般来说，单一的热偏移不会引起问题，除非这种偏移是极端的。然而，重复的热循环会导致与体积膨胀相关的机械故障。
焊接疲劳
焊料疲劳是高可靠性电子产品的一个关键问题，可能会经历过度振动或温度变化。焊料疲劳的主要原因之一是焊料材料和所焊铜的CTE值不匹配。另一个主要的机械因素导致焊料疲劳是振动．这两个因素加在一起会导致焊点的机械疲劳。
焊接连接
有一些PCB制造工艺会受到体积变化和CTE不匹配的影响。焊料桥接是焊接BGA包时可能出现的一个问题。在回流焊过程中，线键成型BGA封装由于包装上不同材料之间的CTE差异，可以在角落膨胀。这导致熔锡球变形，结果可能是相邻球之间的桥接，导致电气短路。
如果回流阀配置不正确，BGA包可能会膨胀。
高纵横比通孔中的热应力
当通孔的纵横比较高时，沿通孔壁的铜涂层可能较薄，使中心更容易受到热应力开裂的影响。这意味着需要更厚的镀层，以减少板温度变化时的应力集中。在HDI电路板上，由于重复的热循环(温度从高到低变化，反之亦然)而引起的持续应力积聚，已知会导致堆叠盲埋或埋埋过孔的过孔颈和层界面断裂。
分层和PCB翘曲
如果铜和层压板之间的CTE不匹配过大，高温上升会产生足够的应力，导致层间分层，并开始使PCB变形。铜和FR4电路板更容易受到高温变化和CTE不匹配造成的这种形式的损坏。树脂含量较高的层压板与铜的CTE不匹配程度较高。此外，较厚的铜层在给定的温度变化下会产生更大的应力。
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