Was ist die Mindesttemperatur für FR-4-Leiterplatten?

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Mein Unternehmen arbeitet an der Entwicklung eines Produkts für kommerzielle Gefriergeräte. Deshalb bat mich mein Chef, Spezifikationen für die Betriebstemperatur des Produkts anzugeben. Ich kann Temperaturen im "Betriebsbereich" finden, die für alles außer für die Platine selbst aufgelistet sind, die einfach nur der alte FR-4 ist.

Wikipedia führt den "Temperaturindex" (was auch immer das bedeutet) als 140 ° C auf, aber es gibt keine Hinweise auf eine Mindesttemperatur.

Ich mache mir keine großen Sorgen, da ich mir sicher bin, dass die anderen Komponenten auf dem Board die einschränkenden Faktoren sein werden, aber der Vollständigkeit halber möchte ich, dass sie aufgelistet werden.

Kennt jemand die minimale Betriebstemperatur von FR-4? (Und was wäre der Fehlermodus?)

TimH - GoFundMonica
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Es ist nicht das, wonach Sie fragen, aber ... Denken Sie nicht nur daran, den Betriebstemperaturbereich der einzelnen Teile zu überprüfen, sondern auch deren Wechselwirkung. Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), und Teile mit einem anderen CTE als dem von FR4 versagen aufgrund von Temperaturschwankungen. Große Keramikteile (wie einige Kristalloszillatoren) sind meiner Erfahrung nach die häufigste Ursache für Probleme.
Das Photon
Ich gehe davon aus, dass Sie hier mit SMT-Bauteilen arbeiten (oder darüber nachdenken).
Das Photon
Danke, das sind gute Dinge, die man beachten sollte. Die Platine ist SMT und verfügt über einen SAW-Resonator für die HF-Kommunikation.
TimH - GoFundMonica
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TimH, eine Sache ist, wenn Ihre behördliche Umgebung es zulässt, verwenden Sie für diese Platine Zinn-Blei-Lot anstelle von bleifrei. Die bleifreien Typen sind steifer und spröder, so dass sie bei thermischer Beanspruchung eher die Lötstellen oder Teile beschädigen.
Das Photon
Zur Kenntnis genommen. Ich bin mir der Probleme mit der RoHS-Richtlinie bewusst und bevorzuge, wo immer möglich, Zinn-Blei-Lot. Dieser Fall wäre noch wichtiger.
TimH - GoFundMonica

Antworten:

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FR4 PCB ist glasfaserverstärktes Epoxidlaminat. Es wurden mehrere Forschungsstudien über die Auswirkung niedriger Temperaturen auf ein solches Material veröffentlicht.


Dies sind zwei wichtige Annahmen in Bezug auf das in der Frage angesprochene Gerät:

  • Die Gefriertemperatur wird nicht so niedrig sein wie in diesen Studien
  • Das Risiko von Vibrationen oder Stößen auf die eigentliche Leiterplatte ist begrenzt, sodass Sprödbrüche zwar unwahrscheinlich, aber nicht ausgeschlossen sind

Wenn eine dieser Annahmen ungültig ist, muss das betreffende Material überdacht werden. Es gibt spezielle industrielle Keramik- / Aluminiumoxid-PCB-Substrate, die speziell für extrem niedrige Temperaturen entwickelt wurden und typischerweise für den Einsatz von Geräten im Weltraum oder in kryogenen Geräten verwendet werden. Diese Materialien sind in diesem Fall möglicherweise besser geeignet.

In solchen Umgebungen ist der mögliche Bruch von Gehäusen, Gehäusen und Lötstellen für die elektronischen Komponenten auf der Platine und nicht nur für die Platine selbst zu beachten.

Eine allgemein empfohlene Vorgehensweise für den Einsatz von Leiterplatten unter extremen Temperaturbedingungen besteht darin , das Gerät in langsamen Schritten auf die gewünschte Temperatur zu bringen , um so ein schnelles Schrumpfen oder einen Temperaturschock auf Leiterplatten oder Teile zu vermeiden.

Anindo Ghosh
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Genau auf diese Art von Antwort habe ich gehofft. Vielen Dank für Ihre gründliche, sorgfältig durchdachte Antwort.
TimH - GoFundMonica
@ TimH Gern geschehen. Ich habe mich mit den Unklarheiten sehr ähnlicher Materialien befasst, die als Wärmedämmung in einem kryogenen chemischen Reaktordesign verwendet werden, bei dem ich helfe.
Anindo Ghosh
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FR-4 übersteht leicht kryogene Temperaturen. Es wurde in verschiedenen Hobby-Satelliten verwendet, die in flüssigem Stickstoff getestet wurden, und in meinem Einsatzort werden einige FR-4-Adapter-Leiterplatten in einer Kryo-Vakuumkammer verwendet. Wenn FR-4 bei -60 ° C und -90 ° C erfolgreich funktioniert, sollte es den Gefrierschrank überleben. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten verwenden wir Kupferlaminat-Leiterplatten für Temperaturen unter 40 * Kelvin.

Pertti Takala
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Bei PCB-Laminaten gibt es FR-4, FR-4 und andere Typen.

Ich wiederhole mich nicht: FR-4 bedeutet nur, dass es einem Flammschutzstandard (normalerweise 94V0) entspricht.

Es gibt eine Reihe von Laminatherstellern, darunter Isola , die eine breite Palette von Laminaten mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Märkte herstellen.

Hitachi Chemicals stellt auch eine Vielzahl von Basislaminaten her. Obwohl die Antwort oben ausgezeichnet ist, sind manchmal die Laminathersteller die besten Ansprechpartner.

Da Sie sich anscheinend in einer Nische befinden, sind die Laminathersteller meines Erachtens möglicherweise am besten in der Lage, Ihnen von diesem Punkt aus zu helfen.

Peter Smith
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FR-4 hat keine Betriebstemperatur. Es hat einen Schmelzpunkt oder einen Glasübergangspunkt von etwa 120-140 ° C. Wenn Sie es einfrieren, wird es nur kälter, das ist alles.

Sie könnten durch wiederholte plötzliche Temperaturänderungen, z. B. durch Temperaturschock, Fehler bekommen. Es gibt Tests, die Sie durchführen können, um festzustellen, wie viel Thermoschock Ihre Leiterplatte bewältigen kann, bevor Durchkontaktierungen und Leiterbahnen reißen und nicht mehr verwendbar sind, aber das ist ein anderes Problem.

EEToronto
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Danke für die Antwort! Die fraglichen Leiterplatten bleiben so ziemlich im Gefrierschrank, so dass ein wiederholter Wärmeschock minimal sein sollte.
TimH - GoFundMonica
"ein Schmelzpunkt von 120-140ºC"?!? Ich glaube nicht! Es hält Löttemperaturen von mindestens 180-200 ° C problemlos stand.
Dave Tweed
Sie haben Recht, @ Dave Tweed, die Glasübergangstemperatur ist genau die Temperatur, bei der das Glas beginnt, sich schnell auszudehnen. Es ist nicht der Schmelzpunkt.
TimH - GoFundMonica
Trotzdem liegt die Glasübergangstemperatur für Quarzglas in der Größenordnung von 550-600 C. Bitte korrigieren Sie Ihre Antwort. Ich denke, die Temperatur, bei der das Epoxidbindemittel zu zersetzen beginnt, definiert ohnehin die tatsächliche Betriebsgrenze von FR-4.
Dave Tweed
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Um die Verwirrung hier zu klären, stelle ich Folgendes fest: Epoxid ist kein Thermoplast; es hat keinen Schmelzpunkt (es wird chemisch abgebaut anstatt zu schmelzen). Seine Glasübergangstemperatur, die tatsächlich der in der obigen Antwort angegebenen entspricht, ist die Temperatur, über der es sich plastisch verformen kann.
Oleksandr R.