Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)?

Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)?

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) ist ein Parameter, der die Geschwindigkeit angibt, mit der sich ein Leiterplattenmaterial ausdehnt oder zusammenzieht, wenn es Temperaturänderungen ausgesetzt ist. Er wird normalerweise in Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) gemessen. Der WAK ist wichtig, da er sich auf die Zuverlässigkeit und Leistung der Leiterplatte auswirkt.

Wenn ein Leiterplattenmaterial Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, dehnt es sich aufgrund der erhöhten oder verringerten Wärmeenergie aus oder zieht sich zusammen. Der WAK-Wert gibt den Betrag der Dimensionsänderung pro Grad Celsius Temperaturänderung an. Ein höherer WAK-Wert bedeutet, dass sich das Material bei Temperaturschwankungen stärker ausdehnt oder zusammenzieht.

Es ist wichtig, die WAK-Werte der verschiedenen bei der Leiterplattenherstellung verwendeten Materialien zu berücksichtigen. So ist der WAK des Substratmaterials, z. B. FR-4, in der Regel höher als der von Kupfer, das üblicherweise für Leiterbahnen verwendet wird. Diese WAK-Fehlanpassung zwischen Substrat und Kupfer kann bei Temperaturschwankungen zu Spannungen und Belastungen auf der Leiterplatte führen, was wiederum Zuverlässigkeitsprobleme wie Delaminierung oder Rissbildung zur Folge haben kann.

Die WAK-Werte können je nach Ausdehnungsrichtung variieren. Entlang der X- und Y-Achse, die die horizontalen Richtungen der Leiterplatte darstellen, sind die WAK-Werte im Allgemeinen niedrig, da die Glasfaserverstärkung die Ausdehnung des Materials einschränkt. In der Z-Achse jedoch, die senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte verläuft, kann sich das Material frei ausdehnen oder zusammenziehen. Daher ist es entscheidend, den WAK entlang der Z-Achse zu minimieren, um die Ausdehnung und Kontraktion der Leiterplatte in dieser Richtung zu verringern. Idealerweise wird ein WAK von weniger als 70 ppm/°C entlang der Z-Achse empfohlen.

Ein weiterer kritischer Aspekt ist die Glasübergangstemperatur (Tg). Die Tg ist die Temperatur, bei der das Material von einem starren in einen flexibleren Zustand übergeht. Ein Überschreiten der Tg kann zu Maßänderungen und potenziellen Zuverlässigkeitsproblemen führen. Daher ist es wichtig, die Tg bei der Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten zu berücksichtigen.