Quelle est la température minimale pour les PCB FR-4?

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Mon entreprise travaille au développement d'un produit qui ira dans les congélateurs commerciaux, alors mon patron m'a demandé de fournir des spécifications de température de fonctionnement pour le produit. Je peux trouver des températures de "plage de fonctionnement" répertoriées pour tout sauf le PCB lui-même, qui est tout simplement vieux FR-4.

Wikipedia répertorie utilement "Indice de température" (quoi que cela signifie) comme 140 C, mais il n'y a aucune indication d'une température minimale.

Je ne suis pas vraiment inquiet, car je suis sûr que les autres composants de la carte seront les facteurs limitants, mais par souci d'exhaustivité, je voudrais le faire répertorier.

Quelqu'un connaît-il la température de fonctionnement minimale du FR-4? (Et quel serait le mode de défaillance?)

TimH - Codidact
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Ce n'est pas ce que vous demandez, mais ... En plus de regarder la plage de température de fonctionnement de chaque pièce, n'oubliez pas de regarder comment ils interagissent. Différents matériaux ont des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents, et les pièces avec CTE très différentes de celles de FR4 ont tendance à être celles qui échouent (cassent ou sautent de la carte) en raison des variations de température. Les grandes pièces en céramique (comme certains oscillateurs à cristal) sont la source la plus courante de problèmes dans mon expérience.
Le Photon
Je suppose que vous travaillez (ou envisagez) des pièces SMT ici.
Le Photon
Merci, ce sont de bonnes choses à garder à l'esprit. La carte est SMT et possède un résonateur SAW pour la communication RF.
TimH - Codidact
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TimH, une chose est, si votre environnement réglementaire le permet, utilisez une soudure étain-plomb pour cette carte au lieu de sans plomb. Les types sans plomb sont plus rigides et plus cassants, donc plus susceptibles de fissurer les joints de soudure ou de fissurer les pièces lorsqu'ils sont soumis à des contraintes thermiques.
The Photon
Dûment noté. Je suis conscient des problèmes avec la directive RoHS et je préfère utiliser la soudure étain-plomb dans la mesure du possible, tout comme une règle générale. Ce cas serait encore plus important.
TimH - Codidact

Réponses:

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FR4 PCB est un stratifié époxy renforcé de verre. Plusieurs études ont été publiées sur l'effet des basses températures sur ces matériaux.


Ce sont deux hypothèses clés concernant l'appareil abordé dans la question:

  • La température du congélateur n'atteindra pas aussi bas que ceux utilisés dans ces études
  • Il y a un risque limité de vibrations ou d'impact sur la carte de circuit imprimé réelle, donc les fissures cassantes sont peu probables mais non exclues

Si l'une de ces hypothèses n'est pas valide, le matériel en question doit être reconsidéré. Il existe des substrats de PCB industriels en céramique / alumine à usage spécial conçus spécifiquement pour des températures extrêmement basses, généralement utilisés pour le déploiement de dispositifs dans l'espace ou dans des équipements cryogéniques. Ces matériaux pourraient être plus appropriés dans ce cas.

Le point à noter dans de tels environnements est la fracture possible des boîtiers, des boîtiers et des jonctions de soudure pour les composants électroniques sur la carte, pas seulement le PCB lui-même.

Une procédure couramment recommandée pour déployer des cartes de circuits imprimés dans des conditions de température extrêmes est d' amener l'appareil à la température souhaitée par étapes lentes , évitant ainsi tout rétrécissement rapide ou choc thermique sur la carte ou les pièces.

Anindo Ghosh
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C'est précisément le type de réponse que j'espérais. Merci pour votre réponse approfondie et mûrement réfléchie.
TimH - Codidact
@TimH Vous êtes les bienvenus. J'ai été confronté aux aléas de matériaux très similaires utilisés comme isolation thermique dans une conception de réacteur chimique cryogénique avec laquelle j'aide.
Anindo Ghosh
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FR-4 survit facilement aux températures cryogéniques. Il a été utilisé dans divers satellites amateurs, testé dans de l'azote liquide et mon lieu de travail utilise des cartes adaptatrices FR-4 dans une chambre à vide cryogénique. Si le FR-4 fonctionne avec succès à -60 * C et -90 * C, il devrait survivre au congélateur. En raison de la différence des coefficients de température, nous utilisons des circuits imprimés en cuivre laminé pour des températures inférieures à 40 * Kelvin.

Pertti Takala
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En ce qui concerne les stratifiés PCB, il y a «FR-4» et «FR-4» et d'autres types.

Je ne me répète pas: tout ce que le FR-4 signifie vraiment, c'est qu'il répond à une norme ignifuge (généralement 94V0).

Il existe un certain nombre de fabricants de stratifiés, comme Isola, qui fabriquent une large gamme de stratifiés ayant chacun des propriétés différentes pour différents marchés.

Hitachi Chemicals fabrique également une grande variété de stratifiés de base. Bien que la réponse ci-dessus soit excellente, les meilleurs interlocuteurs sont parfois les fabricants de stratifiés.

Comme vous semblez être dans un petit créneau, je pense que les fabricants de stratifiés peuvent être les mieux placés pour vous aider à partir de ce point.

Peter Smith
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Le FR-4 n'a pas de température de "fonctionnement". Il a un point de fusion ou un point de transition vitreuse qui est d'environ 120-140 C. Si vous le congelez, il fait juste plus froid, c'est tout.

Vous pourriez subir des pannes à la suite de changements soudains et répétés de température, par exemple un choc thermique. Il existe des tests que vous pouvez faire pour voir combien de choc thermique votre PCB peut gérer avant que les vias et les pistes ne se fissurent et cessent d'être utilisables, mais c'est un problème différent.

EEToronto
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Merci d'avoir répondu! Les PCB en question vont à peu près rester dans le congélateur, donc les chocs thermiques répétés devraient être minimes.
TimH - Codidact
"un point de fusion de 120-140 C"?!? Je ne pense pas! Il peut facilement supporter des températures de soudage, qui sont de 180-200 C minimum.
Dave Tweed
Vous avez raison @Dave Tweed, la température de transition vitreuse est juste la température à laquelle le verre commence à se dilater rapidement. Ce n'est pas le point de fusion.
TimH - Codidact
Même encore, la température de transition vitreuse pour le verre à base de silice est de l'ordre de 550-600 C. Veuillez corriger votre réponse. Je pense que la température à laquelle le liant époxy commence à se décomposer définit de toute façon la limite de fonctionnement réelle du FR-4.
Dave Tweed
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Pour clarifier la confusion ici, je note ce qui suit: l'époxy n'est pas un thermoplastique; il n'a pas de point de fusion (il se dégrade chimiquement plutôt que de fondre). Sa température de transition vitreuse, qui sera en effet quelque chose comme celle citée dans la réponse ci-dessus, est la température au-dessus de laquelle il peut se déformer plastiquement.
Oleksandr R.