O CTE (coeficiente de expansão térmica) dos materiais utilizados nos laminados das placas é um fator de extrema importância, influenciando diretamente a confiabilidade e o desempenho dos equipamentos e componentes eletrônicos. Compreender a relação entre o coeficiente de expansão térmica e as propriedades dos materiais é essencial para a garantia da qualidade e durabilidade dos produtos eletrônicos.

Estratégias de projeto que possam minimizar os efeitos do CTE, contribuindo para a melhoria dos processos de fabricação de placas de circuito impresso, precisam estar presentes, sobretudo, nos projetos de maior criticidade.

O coeficiente de expansão térmica refere-se à variação das dimensões de um material em resposta a alterações na temperatura. Existem diferentes tipos de CTE, incluindo o linear, superficial e volumétrico.

Fatores como tipo de laminado escolhido, dissipação de calor e exposição à variações de temperatura precisam ser cuidadosamente estudados a fim de se minimizar ou neutralizar eventuais danos causados pela expansão térmica das placas.

Cada tipo de laminado tem propriedades físicas, químicas, dielétricas, térmicas e mecânicas específicas que influenciam diretamente no desempenho e na confiabilidade da placa.

O FR-4 (fibra de vidro) é capaz de atender à maioria das necessidades nesse sentido, sendo que, muitas vezes, é necessário recorrer a versões de FR-4 que apresentam maior TG (temperatura de transição vítrea). Mas nas situações em que mesmo essas versões não são suficientes para garantir que a dilatação térmica não afetará o funcionamento do produto, é necessário recorrer a opções com maior coeficiente, como é o caso da poliamida, e outros materiais compostos de politetrafluoretileno (PTFE).

A relação entre o coeficiente de expansão térmica e as propriedades dos materiais é crucial na seleção dos laminados para placas de circuito impresso. Materiais com CTE similar ao dos componentes eletrônicos minimizam o estresse térmico durante ciclos de aquecimento e resfriamento. Além disso, a uniformidade na expansão térmica em todas as direções é fundamental para evitar problemas de delaminação e fadiga dos materiais durante a operação.

Os métodos de medição do CTE em laminados de placas de circuito impresso incluem técnicas como dilatometria, interferometria e difração de raios-X. A dilatometria é uma das técnicas mais comuns, que mede o alongamento ou contração de um material em função da temperatura. Já a interferometria utiliza a interferência de ondas eletromagnéticas para determinar variações dimensionais de um material sob diferentes temperaturas. Por fim, a difração de raios-X é uma técnica que analisa alterações na estrutura cristalina de um material devido a mudanças de temperatura, fornecendo informações precisas sobre seu coeficiente de expansão térmica.

Dentre as técnicas mais comuns de medição do coeficiente de expansão térmica, destacam-se a dilatometria óptica, que utiliza a interferência de luz para analisar as variações dimensionais do material em função da temperatura; a técnica de extensometria, que utiliza extensômetros para medir deformações causadas por variações de temperatura; e a espectroscopia de impedância térmica, que monitora as mudanças na impedância do material à medida que a temperatura é modificada.

Essas técnicas proporcionam uma avaliação precisa do CTE dos laminados de placas de circuito impresso, auxiliando no desenvolvimento de materiais mais confiáveis e de maior desempenho.

O CTE impacta significativamente a confiabilidade das placas, uma vez que pode causar tensões mecânicas nos componentes durante variações de temperatura. Até mesmo a expansão verificada no eixo Z de uma placa pode vir a gerar rupturas na metalização dos furos, o que muitas vezes causa falhas intermitentes de difícil detecção, uma vez que, ao retornar à temperatura ambiente, essa metalização pode voltar a conduzir normalmente.

Além disso, os desalinhamentos térmicos devido ao coeficiente de expansão podem resultar em problemas como delaminação, fraturas, trincas e descolamento das camadas das placas. Esses problemas são mais frequentes em dispositivos sujeitos a amplas variações de temperatura, como eletrônicos automotivos e aeroespaciais.

Algumas estratégias, além da melhor escolha do laminado, devem ser adotadas, dentre elas a escolha de materiais com CTE semelhantes, bem como o uso de reforços estruturais para minimizar a flexão das placas. Além disso, uma disposição cuidadosa dos componentes para reduzir gradientes de temperatura, bem como a adoção de vias de calor para dissipar o calor de regiões críticas da placa, são cruciais para distribuir uniformemente o calor gerado pelos componentes.

A simulação térmica durante a fase de projeto pode fornecer insights valiosos sobre os possíveis pontos críticos que precisam de atenção especial. Ao levar em consideração esses aspectos, é possível garantir que as placas de circuito impresso sejam menos suscetíveis aos efeitos prejudiciais do CTE.

Enfim, na grande maioria dos casos, os efeitos negativos do CTE podem ser minimizados e neutralizados tomando-se os cuidados necessários desde o projeto, e, quando ainda assim esses efeitos não forem devidamente contornados, a escolha de um laminado que atenda às necessidades específicas do projeto passa a ser a melhor solução.

Conte sempre com a TEC-CI para as melhores indicações de materiais e opções que possam garantir a qualidade do seu projeto!