Коэффициент теплового расширения, КТР (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) — это фундаментальная физическая величина, характеризующая свойство твёрдого тела (solid material) изменять свои линейные размеры (length, width, thickness) при изменении температуры (temperature). Он определяется как относительное удлинение материала при нагреве на один градус (Кельвина или Цельсия). В области производства печатных плат (printed circuit board manufacturing) КТР является критическим параметром для обеспечения надёжности (reliability) многослойных конструкций (multilayer boards) и паяных соединений (solder joints).
Формула и единицы измерения
КТР (α) выражается формулой:
α = (ΔL / L₀) / ΔT
где ΔL — изменение длины, L₀ — исходная длина, ΔT — изменение температуры. В международной системе единиц (SI) коэффициент теплового расширения измеряется в К⁻¹ (обратных кельвинах) или °C⁻¹. На практике для материалов печатных плат часто используют ppm/°C (миллионные доли на градус Цельсия). Например, типичный КТР эпоксидного стеклотекстолита FR-4 в плоскости (X-Y) составляет 13–18 ppm/°C, а в направлении толщины (Z-axis) может достигать 50–70 ppm/°C.
Значение в производстве печатных плат и микроэлектронике
Несоответствие КТР различных материалов в сборке — основная причина возникновения механических напряжений (mechanical stress) и отказов. Что нужно учитывать при проектировании:
-
Совместимость материалов (material compatibility). В многослойной плате (multilayer PCB) необходимо согласовывать КТР медной фольги (copper foil), диэлектрика (Dielectric) и препрега (prepreg) для предотвращения расслоения (delamination) и коробления (warpage) во время термоциклирования (thermal cycling) в процессе изготовления и эксплуатации.
-
Надёжность паяных соединений (solder joint reliability). Значительная разница в КТР между материалом подложки компонента (component substrate), например, керамики (ceramic) в корпусе BGA (≈6 ppm/°C), и материалом печатной платы (≈17 ppm/°C) приводит к циклическим механическим нагрузкам на шарики припоя (solder balls), что является основной причиной усталостных разрушений. Это один из ключевых факторов, учитываемых при проектировании для сложных условий эксплуатации.
-
Бессвинцовая пайка (lead-free soldering). Переход на высокотемпературные бессвинцовые припои (например, SAC305) и соответствующие температурные профили оплавления (reflow profiles) повысил требования к термостойкости и согласованности КТР всех материалов сборки.
Контроль качества и стандарты
Для производителя контроль и учёт КТР входит в число важнейших задач обеспечения качества, особенно при работе с высоконадёжными изделиями (классы 2 и 3 по IPC-6012) или продукцией для экстремальных условий.
-
Выбор материалов с подходящим КТР является частью технологического планирования (process planning). Например, для плат с компонентами BGA или для высокочастотных применений могут использоваться материалы с низким и согласованным КТР, такие как полиимид (polyimide) или специализированные ламинаты на основе керамики или термоотверждаемых углепластиков (например, серии материалов от Rogers Corporation).
-
Стандарты IPC-4101 (Specification for Base Materials for Rigid and Multilayer Printed Boards) устанавливают требования к характеристикам базовых материалов, включая КТР.
-
Методы испытаний для определения термических свойств материалов, включая КТР, описаны в ГОСТ Р 55744-2013 (Платы печатные. Методы испытаний физических параметров) и в международных стандартах, таких как IPC-TM-650.
Источники: IPC-T-50 (Terms and Definitions), IPC-4101, IPC-6012, ГОСТ Р 55744-2013, ГОСТ Р 53386-2009 (п. 3.1.18 — Термины, связанные со свойствами материалов).