Qual é a temperatura mínima para PCBs FR-4?

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Minha empresa está trabalhando no desenvolvimento de um produto que irá para freezers comerciais, então meu chefe me pediu para fornecer especificações de temperatura operacional para o produto. Eu posso encontrar temperaturas de "faixa operacional" listadas para tudo, menos o próprio PCB, que é simplesmente o antigo FR-4.

A Wikipedia lista com presteza o "Índice de Temperatura" (o que isso significa) como 140 ° C, mas não há indicações de temperatura mínima.

Não estou realmente preocupado, pois tenho certeza de que os outros componentes no quadro serão os fatores limitantes, mas por uma questão de integridade, gostaria de tê-lo listado.

Alguém sabe a temperatura mínima de operação do FR-4? (E qual seria o modo de falha?)

TimH - Codidact
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Não é o que você está perguntando, mas ... Além de observar a faixa de temperatura operacional de cada peça, lembre-se de observar como elas interagem. Materiais diferentes têm coeficientes diferentes de expansão térmica (CTE), e as peças com CTE muito diferentes das do FR4 tendem a ser as que falham (quebram ou se desprendem) devido a variações de temperatura. Grandes peças de cerâmica (como alguns osciladores de cristal) são a fonte mais comum de problemas na minha experiência.
The Photon
Suponho que você esteja trabalhando com (ou considerando) peças SMT aqui.
The Photon
Obrigado, estas são coisas boas a ter em mente. A placa é SMT e possui um ressonador SAW para comunicação por RF.
TimH - Codidact
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TimH, uma coisa é, se o seu ambiente regulatório permitir, use solda de estanho-chumbo para esta placa em vez de sem chumbo. Os tipos sem chumbo são mais rígidos e quebradiços, com maior probabilidade de quebrar as juntas de solda ou quebrar as peças quando submetidas a tensão térmica.
O fóton
Devidamente anotado. Estou ciente dos problemas com a diretiva RoHS e prefiro usar solda de estanho-chumbo sempre que possível, apenas como regra geral. Este caso seria ainda mais importante.
TimH - Codidact

Respostas:

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O FR4 PCB é um laminado epóxi reforçado com vidro. Vários estudos de pesquisa foram publicados sobre o efeito de baixas temperaturas nesse material.


Estas são duas suposições principais sobre o dispositivo abordado na pergunta:

  • A temperatura do freezer não atingirá a temperatura mais baixa que a utilizada nesses estudos
  • Há um risco limitado de vibração ou impacto na placa de circuito real, portanto, rachaduras quebradiças são improváveis, mas não descartadas

Se qualquer uma dessas premissas for inválida, o material em questão precisará ser reconsiderado. Existem substratos de PCB de cerâmica / alumina industrial para fins especiais projetados especificamente para temperaturas extremamente baixas, normalmente usados ​​para implantação de dispositivos no espaço ou em equipamentos criogênicos. Esses materiais podem ser mais adequados nesse caso.

O ponto a ser observado em tais ambientes é a possível fratura de embalagens, invólucros e junções de solda para os componentes eletrônicos na placa, não apenas o próprio PCB.

Um procedimento comumente recomendado para implantar placas de circuito em condições extremas de temperatura é levar o dispositivo à temperatura desejada em estágios lentos , evitando assim qualquer encolhimento rápido ou choque térmico na placa ou nas peças.

Anindo Ghosh
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Este é precisamente o tipo de resposta que eu esperava. Obrigado por sua resposta completa e cuidadosamente pensada.
TimH - Codidact
@ TimH De nada. Eu tenho lidado com os caprichos de materiais muito semelhantes sendo usados ​​como isolamento térmico em um projeto de reator químico criogênico que eu estou ajudando.
Anindo Ghosh
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O FR-4 sobrevive facilmente a temperaturas criogênicas. Ele foi usado em vários satélites amadores, testado em nitrogênio líquido e meu local de trabalho utiliza alguns PCBs de adaptador FR-4 em uma câmara de vácuo criogênica. Se o FR-4 funcionar com êxito a -60 * C e -90 * C, ele deverá sobreviver ao freezer. Devido à diferença nos coeficientes de temperatura, usamos placas de laminado de cobre para temperaturas abaixo de 40 * Kelvin.

Pertti Takala
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Quando se trata de laminados para PCB, há 'FR-4' e 'FR-4' e outros tipos.

Não estou me repetindo: tudo o que o FR-4 realmente significa é que atende a um padrão retardador de chamas (geralmente 94V0).

Existem vários fabricantes de laminados por aí, como a Isola, que fabrica uma ampla gama de laminados, cada um com propriedades diferentes para diferentes mercados.

A Hitachi Chemicals também produz uma grande variedade de laminados de base. Embora a resposta acima seja excelente, às vezes as melhores pessoas para perguntar são os fabricantes de laminados.

Como você parece estar em uma área de nicho, acho que os fabricantes de laminados podem estar em melhor posição para ajudá-lo a partir deste ponto.

Peter Smith
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O FR-4 não tem temperatura "operacional". Ele tem um ponto de fusão ou um ponto de transição vítrea que é de cerca de 120-140 C. Se você congelar, apenas fica mais frio.

Você pode ter falhas como resultado de mudanças repentinas na temperatura, ou seja, choque térmico. Existem testes que você pode fazer para ver quanto choque térmico sua PCB pode suportar antes que vias e faixas quebrem e deixem de ser utilizáveis, mas essa é uma questão diferente.

EEToronto
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Obrigado pela resposta! Os PCBs em questão permanecerão praticamente no freezer, portanto, choques térmicos repetidos devem ser mínimos.
TimH - Codidact
"um ponto de fusão de 120-140 C"?!? Acho que não! Pode suportar facilmente temperaturas de solda, que são mínimas de 180 a 200 ° C.
Dave Tweed
Você está certo, Dave Tweed, a temperatura de transição vítrea é exatamente a temperatura na qual o vidro começa a se expandir rapidamente. Não é o ponto de fusão.
TimH - Codidact
Mesmo assim, a temperatura de transição vítrea para vidro à base de sílica é da ordem de 550-600 C. Corrija sua resposta. Acho que a temperatura na qual o aglutinante epóxi começa a se decompor define o limite real de operação do FR-4.
Dave Tweed
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Para esclarecer a confusão aqui, observo o seguinte: o epóxi não é um termoplástico; não tem ponto de fusão (degrada quimicamente em vez de derreter). Sua temperatura de transição vítrea, que de fato será semelhante à citada na resposta acima, é a temperatura acima da qual ela pode se deformar plasticamente.
precisa