Jaka jest minimalna temperatura dla płytek drukowanych FR-4?

13

Moja firma pracuje nad opracowaniem produktu, który trafi do komercyjnych zamrażarek, więc mój szef poprosił mnie o podanie specyfikacji temperatury roboczej produktu. Mogę znaleźć temperatury „zakresu roboczego” wymienione dla wszystkiego oprócz samej płytki drukowanej, która jest po prostu starym FR-4.

Wikipedia użytecznie podaje „Indeks temperatur” (cokolwiek to znaczy) jako 140 ° C, ale nie ma wskazań minimalnej temperatury.

Nie martwię się tak bardzo, ponieważ jestem pewien, że inne elementy na płycie będą czynnikami ograniczającymi, ale ze względu na kompletność chciałbym, aby została wymieniona.

Czy ktoś zna minimalną temperaturę pracy FR-4? (A jaki byłby tryb awarii?)

TimH - Codidact
źródło
2
Nie o to pytasz, ale ... Oprócz spojrzenia na zakres temperatur roboczych każdej części, pamiętaj, aby spojrzeć na ich interakcję. Różne materiały mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej (CTE), a części z CTE znacznie różniącymi się od współczynnika FR4 zwykle są tymi, które zawodzą (pękają lub wypadają z płyty) z powodu wahań temperatury. Duże części ceramiczne (jak niektóre oscylatory kryształowe) są najczęstszym źródłem problemów w moim doświadczeniu.
Photon
Zakładam, że tutaj pracujesz (lub rozważasz) części SMT.
Photon
Dzięki, są to dobre rzeczy, o których należy pamiętać. Płytka jest SMT i ma na niej rezonator SAW do komunikacji RF.
TimH - Codidact
1
TimH, jedną rzeczą jest to, że jeśli pozwala na to twoje środowisko regulacyjne, użyj lutu cynowo-ołowiowego do tej płyty zamiast bezołowiowego. Rodzaje bezołowiowe są sztywniejsze i bardziej kruche, przez co istnieje większe prawdopodobieństwo pękania połączeń lutowanych lub pękania części przy obciążeniu termicznym.
Photon
Zanotowano. Zdaję sobie sprawę z problemów z dyrektywą RoHS i wolę używać lutu cynowo-ołowiowego tam, gdzie to możliwe, zgodnie z ogólną zasadą. Ta sprawa byłaby jeszcze ważniejsza.
TimH - Codidact

Odpowiedzi:

13

FR4 PCB to wzmocniony szkłem laminat epoksydowy. Opublikowano szereg badań dotyczących wpływu niskich temperatur na taki materiał.


Są to dwa kluczowe założenia dotyczące urządzenia poruszonego w pytaniu:

  • Temperatura zamrażarki nie osiągnie tak niskiej wartości, jak w tych badaniach
  • Istnieje ograniczone ryzyko wibracji lub uderzenia w rzeczywistą płytkę drukowaną, dlatego kruche pęknięcia są mało prawdopodobne, ale nie wykluczone

Jeżeli którekolwiek z tych założeń jest nieważne, należy ponownie rozważyć dany materiał. Istnieją specjalne podłoża z ceramiki przemysłowej / tlenku glinu o specjalnym przeznaczeniu, zaprojektowane specjalnie do pracy w bardzo niskich temperaturach, zwykle stosowane do rozmieszczania urządzeń w przestrzeni kosmicznej lub w urządzeniach kriogenicznych. W takim przypadku materiały te mogą być bardziej odpowiednie.

W takich środowiskach należy zwrócić uwagę na możliwe pęknięcie opakowań, obudów i połączeń lutowniczych dla elementów elektronicznych na płycie, a nie tylko samej płytki drukowanej.

Powszechnie zalecaną procedurą rozmieszczania płytek drukowanych w ekstremalnych warunkach temperaturowych jest doprowadzanie urządzenia do pożądanej temperatury w wolnych etapach , co pozwala uniknąć szybkiego skurczu lub szoku termicznego na płytce lub częściach.

Anindo Ghosh
źródło
1
To jest dokładnie ten rodzaj odpowiedzi, na którą liczyłem. Dziękujemy za dokładną, przemyślaną odpowiedź.
TimH - Codidact
@TimH Nie ma za co. Miałem do czynienia z kaprysami bardzo podobnych materiałów wykorzystywanymi jako izolacja termiczna w kriogenicznym reaktorze chemicznym, w którym pomagam.
Anindo Ghosh
4

FR-4 z łatwością przetrwa temperatury kriogeniczne. Był używany w różnych hobbystycznych satelitach, testowany w ciekłym azocie, a moje miejsce pracy wykorzystuje niektóre płytki adaptera FR-4 w kriogenicznej komorze próżniowej. Jeśli FR-4 z powodzeniem funkcjonuje w temperaturach -60 * C i -90 * C, powinien przetrwać w zamrażarce. Ze względu na różnicę współczynników temperaturowych stosujemy płytki z laminatu miedzianego do temperatur poniżej 40 * Kelwinów.

Pertti Takala
źródło
3

Jeśli chodzi o laminaty PCB, istnieje „FR-4” i „FR-4” i inne typy.

Nie powtarzam się: wszystko, co tak naprawdę oznacza FR-4, to to, że spełnia on normę zmniejszającą palność (zwykle 94 V0).

Istnieje wielu producentów laminatów, takich jak Isola, którzy produkują szeroką gamę laminatów, z których każdy ma inne właściwości dla różnych rynków.

Hitachi Chemicals produkuje również szeroką gamę laminatów podstawowych. Chociaż powyższa odpowiedź jest doskonała, czasami najlepszymi ludźmi, którzy mogą zapytać, są producenci laminatów.

Ponieważ wydaje się, że znajdujesz się w nieco niszowej dziedzinie, myślę, że producenci laminatów mogą być najlepiej przygotowani, aby ci pomóc od tego momentu.

Peter Smith
źródło
-2

FR-4 nie ma temperatury „roboczej”. Ma temperaturę topnienia lub temperaturę zeszklenia, która wynosi około 120-140 C. Po zamrożeniu robi się coraz zimniej.

Możesz dostać awarie w wyniku powtarzających się nagłych zmian temperatury, tj. Szoku termicznego. Istnieją testy, które można wykonać, aby zobaczyć, ile szoku termicznego może wytrzymać płytka drukowana, zanim przelotki i ścieżki pękną i przestaną być użyteczne, ale to inny problem.

EEToronto
źródło
Dziękuję za odpowiedź! Płytki drukowane pozostaną w zamrażarce, więc powtarzający się szok termiczny powinien być minimalny.
TimH - Codidact
„temperatura topnienia 120–140 ° C”?!? Nie wydaje mi się! Z łatwością wytrzymuje temperatury lutowania, które wynoszą minimum 180-200 ° C.
Dave Tweed
Masz rację @Dave Tweed, temperatura zeszklenia to tylko temperatura, w której szkło zaczyna gwałtownie się rozszerzać. To nie jest temperatura topnienia.
TimH - Codidact
Mimo to temperatura zeszklenia szkła na bazie krzemionki jest rzędu 550–600 C. Popraw swoją odpowiedź. Myślę, że temperatura, w której spoiwo epoksydowe zaczyna się rozkładać, i tak określa rzeczywistą granicę działania FR-4.
Dave Tweed
1
W celu wyjaśnienia tego zamieszania zwracam uwagę na następujące kwestie: żywica epoksydowa nie jest tworzywem termoplastycznym; nie ma temperatury topnienia (raczej rozkłada się chemicznie niż topi się). Jego temperatura zeszklenia, która rzeczywiście będzie podobna do tej podanej w powyższej odpowiedzi, jest temperaturą, powyżej której może odkształcać się plastycznie.
Oleksandr R.