Qual è la temperatura minima per i PCB FR-4?

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La mia azienda sta lavorando allo sviluppo di un prodotto destinato a congelatori commerciali, quindi il mio capo mi ha chiesto di fornire le specifiche della temperatura operativa del prodotto. Riesco a trovare le temperature del "range operativo" elencate per tutto tranne che per il PCB stesso, che è semplicemente il vecchio FR-4.

Wikipedia elenca utile "Indice di temperatura" (qualunque cosa significhi) come 140 C, ma non ci sono indicazioni di una temperatura minima.

Non sono davvero preoccupato, poiché sono sicuro che gli altri componenti sulla scheda saranno i fattori limitanti, ma per completezza, vorrei averlo elencato.

Qualcuno conosce la temperatura minima di funzionamento di FR-4? (E quale sarebbe la modalità di errore?)

pcb temperature failure

— TimH - Codidact
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Non è quello che stai chiedendo, ma ... Oltre a guardare l'intervallo di temperature di funzionamento di ogni parte, ricordati di vedere come interagiscono. Materiali diversi hanno coefficienti di dilatazione termica (CTE) diversi e le parti con CTE molto diverse da quelle di FR4 tendono ad essere quelle che falliscono (si rompono o saltano fuori dalla scheda) a causa degli sbalzi di temperatura. Grandi parti in ceramica (come alcuni oscillatori a cristallo) sono la fonte più comune di problemi nella mia esperienza.

— Il Photon

Suppongo che tu stia lavorando con (o considerando) parti SMT qui.

— The Photon,

Grazie, queste sono buone cose da tenere a mente. La scheda è SMT e ha un risonatore SAW per la comunicazione RF.

— TimH - Codidact,

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TimH, una cosa è, se il tuo ambiente normativo lo consente, usa la saldatura al piombo-stagno per questa scheda invece che senza piombo. I tipi senza piombo sono più rigidi e più fragili, quindi è più probabile che si rompano i giunti di saldatura o si rompano le parti quando sottoposti a sollecitazioni termiche.

— The Photon,

Debitamente annotato. Sono a conoscenza dei problemi con la direttiva RoHS e preferisco usare la saldatura al piombo ogni volta che è possibile, come regola generale. Questo caso sarebbe ancora più importante.

— TimH - Codidact,

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FR4 PCB è laminato epossidico rinforzato con vetro. Sono stati pubblicati numerosi studi di ricerca sull'effetto delle basse temperature su tale materiale.

Una citazione specifica dall'articolo " Comportamento dinamico ai guasti dei compositi vetro / epossidici a bassa temperatura usando il metodo del test di impatto Charpy " (Shokrieh et al ):

si è constatato che il meccanismo di fallimento cambia da cracking della matrice a temperatura ambiente a delaminazione e rottura della fibra a basse temperature.

Questo studio ha applicato una temperatura di -30 ^° C, non abbastanza bassa per la fragilità spontanea cristallina.
Un altro studio, " L'influenza delle alte e basse temperature sulle proprietà di impatto dei compositi vetro-epossidici " (Putic et al ) porta la temperatura a -50 ^° C e trova la comparsa di crepe fragili nel materiale a tali temperature.

Queste sono due ipotesi chiave relative al dispositivo toccato nella domanda:

La temperatura del congelatore non raggiungerà i livelli bassi di quelli utilizzati in questi studi
Esiste un rischio limitato di vibrazione o impatto sul circuito stampato reale, quindi è improbabile che si verifichino crepe fragili ma non escluse

Se una di queste ipotesi non è valida, è necessario riconsiderare il materiale in questione. Esistono substrati PCB in ceramica industriale / allumina per usi speciali progettati specificamente per temperature estremamente basse, tipicamente utilizzati per l'impiego di dispositivi nello spazio o in apparecchiature criogeniche. Tali materiali potrebbero essere più adatti in questo caso.

Il punto da notare in tali ambienti è la possibile frattura di pacchetti, involucri e giunzioni di saldatura per i componenti elettronici sulla scheda, non solo per il PCB stesso.

Una procedura comunemente raccomandata per la distribuzione di circuiti stampati in condizioni di temperatura estreme è quella di portare il dispositivo alla temperatura desiderata in stadi lenti , evitando così qualsiasi rapido ritiro o shock termico sulla scheda o sulle parti.

— Anindo Ghosh
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Questo è esattamente il tipo di risposta per cui speravo. Grazie per la tua risposta accurata e ponderata.

— TimH - Codidact,

@TimH Prego. Ho avuto a che fare con i capricci di materiali molto simili usati come isolamento termico in un progetto di reattore chimico criogenico con cui sto aiutando.

— Anindo Ghosh,

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FR-4 sopravvive facilmente alle temperature criogeniche. È stato utilizzato in vari satelliti per hobbisti, testato con azoto liquido e il mio posto di lavoro utilizza alcuni PCB adattatore FR-4 in una camera a vuoto criogenica. Se FR-4 funziona correttamente a -60 * C e -90 * C, dovrebbe sopravvivere al congelatore. A causa della differenza nei coefficienti di temperatura utilizziamo i PCB in laminato di rame per temperature inferiori a 40 * Kelvin.

— Pertti Takala
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Quando si tratta di laminati PCB, c'è "FR-4" e c'è "FR-4" e altri tipi.

Non mi sto ripetendo: tutto ciò che FR-4 significa davvero è che soddisfa uno standard ignifugo (di solito 94V0).

Esistono numerosi produttori di laminati, come Isola che produce una vasta gamma di laminati ciascuno con proprietà diverse per mercati diversi.

Hitachi Chemicals produce anche un'ampia varietà di laminati di base. Sebbene la risposta sopra sia eccellente, a volte le persone migliori da chiedere sono i produttori di laminati.

Dato che ti sembra di trovarti in un'area di nicchia, penso che i produttori di laminati possano essere nella posizione migliore per aiutarti da questo punto.

— Peter Smith
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FR-4 non ha una temperatura "operativa". Ha un punto di fusione o un punto di transizione vetrosa che è di circa 120-140 C. Se lo congeli, diventa solo più freddo.

È possibile che si verifichino guasti a seguito di ripetuti sbalzi di temperatura, ad esempio shock termico. Ci sono test che puoi fare per vedere quanto shock termico il tuo PCB è in grado di gestire prima che vie e tracce si rompano e smettano di essere utilizzabili, ma questo è un problema diverso.

— EEToronto
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Grazie per la risposta! I PCB in questione rimarranno praticamente nel congelatore, quindi lo shock termico ripetuto dovrebbe essere minimo.

— TimH - Codidact,

"un punto di fusione di 120-140 C"?!? Io non la penso così! Può sopportare facilmente temperature di saldatura, che sono almeno 180-200 C.

— Dave Tweed

Hai ragione @Dave Tweed, la temperatura di transizione vetrosa è solo la temperatura alla quale il vetro inizia a espandersi rapidamente. Non è il punto di fusione.

— TimH - Codidact,

Anche ancora, la temperatura di transizione vetrosa per il vetro a base di silice è dell'ordine di 550-600 C. Correggi la tua risposta. Penso che la temperatura alla quale il legante epossidico inizia a rompersi definisce comunque il limite operativo effettivo di FR-4.

— Dave Tweed

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Per chiarire la confusione qui, noto quanto segue: l'epossidico non è un materiale termoplastico; non ha alcun punto di fusione (degrada chimicamente anziché sciogliersi). La sua temperatura di transizione vetrosa, che sarà in effetti qualcosa di simile a quella citata nella risposta sopra, è la temperatura al di sopra della quale può deformarsi plasticamente.

— Oleksandr R.,