Berapa suhu minimum untuk FR-4 PCB?

13

Perusahaan saya sedang mengembangkan produk yang akan dimasukkan ke dalam freezer komersial, jadi bos saya meminta saya untuk memberikan spesifikasi suhu pengoperasian untuk produk tersebut. Saya dapat menemukan "rentang operasi" suhu terdaftar untuk semuanya kecuali PCB itu sendiri, yang hanya FR-4 tua.

Wikipedia membantu mendaftar "Indeks Suhu" (apa pun artinya) sebagai 140 C, tetapi tidak ada indikasi suhu minimum.

Saya tidak terlalu khawatir, karena saya yakin bahwa komponen lain di papan tulis akan menjadi faktor pembatas, tetapi demi kelengkapan, saya ingin mendaftarkannya.

Adakah yang tahu suhu operasi minimum FR-4? (Dan apa yang akan menjadi mode kegagalan?)

TimH - Codidact
sumber
2
Bukan itu yang Anda tanyakan, tapi ... Selain melihat kisaran suhu operasi setiap bagian, ingatlah untuk melihat bagaimana mereka berinteraksi. Bahan yang berbeda memiliki koefisien ekspansi termal (CTE) yang berbeda, dan bagian dengan CTE jauh berbeda dari FR4 cenderung menjadi yang gagal (baik pecah atau lepas papan) karena perubahan suhu. Bagian keramik besar (seperti beberapa osilator kristal) adalah sumber masalah paling umum dalam pengalaman saya.
The Photon
Saya berasumsi Anda bekerja dengan (atau mempertimbangkan) komponen SMT di sini.
The Photon
Terima kasih, ini adalah hal-hal baik yang perlu diingat. Papan adalah SMT, dan memiliki resonator SAW di atasnya untuk komunikasi RF.
TimH - Codidact
1
TimH, satu hal adalah, jika lingkungan peraturan Anda mengizinkannya, gunakan solder timah untuk papan ini dan bukan bebas timah. Jenis bebas timbal lebih kaku dan lebih rapuh sehingga lebih mungkin untuk memecahkan sambungan solder atau retak bagian ketika stres termal.
The Photon
Sepatutnya dicatat. Saya mengetahui masalah dengan arahan RoHS, dan lebih suka menggunakan timah timah jika memungkinkan, seperti aturan umum. Kasus ini akan menjadi lebih penting.
TimH - Codidact

Jawaban:

13

FR4 PCB adalah laminasi epoksi yang diperkuat kaca. Beberapa penelitian telah mempublikasikan efek suhu rendah pada material tersebut.


Ini adalah dua asumsi utama mengenai perangkat yang disentuh dalam pertanyaan:

  • Suhu freezer tidak akan mencapai serendah yang digunakan dalam studi ini
  • Ada risiko terbatas getaran atau dampak pada papan sirkuit yang sebenarnya, maka keretakan yang rapuh tidak mungkin terjadi tetapi tidak dikesampingkan

Jika salah satu dari asumsi ini tidak valid, materi yang dipermasalahkan perlu dipertimbangkan kembali. Terdapat substrat keramik industri / alumina tujuan khusus yang dirancang khusus untuk suhu sangat rendah, biasanya digunakan untuk penyebaran perangkat di ruang angkasa atau dalam peralatan kriogenik. Bahan-bahan itu mungkin lebih cocok dalam hal ini.

Poin yang perlu diperhatikan dalam lingkungan seperti itu adalah kemungkinan fraktur paket, selubung dan sambungan solder untuk komponen elektronik di papan, bukan hanya PCB itu sendiri.

Prosedur yang umum direkomendasikan untuk memasang papan sirkuit dalam kondisi suhu ekstrem, adalah membawa perangkat ke suhu yang diinginkan dalam tahap lambat , sehingga menghindari penyusutan cepat atau sengatan termal ke papan atau bagian.

Anindo Ghosh
sumber
1
Inilah jenis jawaban yang saya harapkan. Terima kasih atas tanggapan Anda yang cermat dan hati-hati.
TimH - Codidact
@TimH Sama-sama. Saya telah berurusan dengan keanehan dari bahan yang sangat mirip yang digunakan sebagai isolasi termal dalam desain reaktor kimia cryogenic yang saya bantu.
Anindo Ghosh
4

FR-4 mudah bertahan suhu cryogenic. Ini telah digunakan di berbagai satelit hobi, diuji dalam nitrogen cair dan tempat kerja saya menggunakan beberapa FR-4 adaptor PCB di ruang vakum kriogenik. Jika FR-4 berhasil berfungsi pada -60 * C dan -90 * C, maka freezer harus bertahan. Karena perbedaan dalam koefisien suhu kami menggunakan tembaga laminasi PCB untuk suhu di bawah 40 * Kelvin.

Pertti Takala
sumber
3

Ketika datang ke laminasi PCB, ada 'FR-4' dan ada 'FR-4' dan jenis lainnya.

Saya tidak mengulangi sendiri: semua yang FR-4 benar-benar maksudkan adalah memenuhi standar tahan api (biasanya 94V0).

Ada sejumlah produsen laminasi di luar sana, seperti Isola yang membuat berbagai laminasi masing-masing dengan sifat yang berbeda untuk pasar yang berbeda.

Hitachi Chemicals juga membuat berbagai macam laminasi basa. Meskipun jawaban di atas sangat bagus, kadang-kadang orang terbaik untuk bertanya adalah produsen laminasi.

Ketika Anda tampaknya berada dalam sedikit bidang niche, saya pikir produsen laminasi mungkin paling cocok untuk membantu Anda dari titik ini.

Peter Smith
sumber
-2

FR-4 tidak memiliki suhu "operasi". Ini memiliki titik leleh atau titik transisi gelas yaitu sekitar 120-140 C. Jika Anda membekukannya, itu hanya akan menjadi lebih dingin.

Anda mungkin mengalami kegagalan karena perubahan suhu mendadak yang berulang, yaitu sengatan panas. Ada beberapa tes yang dapat Anda lakukan untuk melihat berapa banyak kejutan termal yang dapat ditangani oleh PCB Anda sebelum vias dan melacak retakan dan berhenti digunakan tetapi itu masalah yang berbeda.

EEToronto
sumber
Terima kasih atas jawabannya! PCB yang dimaksud akan tetap berada di dalam freezer, jadi kejutan termal berulang harus minimal.
TimH - Codidact
"titik lebur 120-140 C"?!? Saya rasa tidak! Itu dapat dengan mudah menahan suhu penyolderan, yaitu 180-200 C minimum.
Dave Tweed
Anda benar @Dave Tweed, suhu transisi gelas hanya suhu di mana gelas mulai berkembang dengan cepat. Ini bukan titik lebur.
TimH - Codidact
Meski begitu, suhu transisi kaca untuk kaca berbasis silika ada di urutan 550-600 C. Harap perbaiki jawaban Anda. Saya pikir suhu di mana pengikat epoksi mulai rusak mendefinisikan batas operasi aktual FR-4 pula.
Dave Tweed
1
Demi memperjelas kebingungan di sini, saya perhatikan yang berikut: epoksi bukan termoplastik; tidak memiliki titik leleh (secara kimia menurunkan daripada melting). Temperatur transisi kacanya, yang memang akan seperti yang dikutip dalam jawaban di atas, adalah suhu di atas yang dapat dideformasi plastis.
Oleksandr R.