Was ist die Mindesttemperatur für FR-4-Leiterplatten?

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?)

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

• Ein konkretes Zitat aus der Veröffentlichung " Dynamisches Versagensverhalten von Glas / Epoxid-Verbundwerkstoffen bei niedriger Temperatur unter Verwendung der Charpy-Schlagfestigkeitsprüfmethode " (Shokrieh et al. ):

  Es zeigt sich, dass sich der Versagensmechanismus von Matrixrissen bei Raumtemperatur zu Delamination und Faserbruch bei niedrigen Temperaturen ändert.

  Diese Studie angewandt , um eine Temperatur von -30 ^o C, nicht niedrig genug für die spontane Kristall Sprödigkeit.

• Eine weitere Studie, „ The Influence of hoher und niedrigen Temperaturen auf den Schlagfestigkeitseigenschaften von Glas-Epoxid - Verbundwerkstoffen “ (Putic et al ) , nimmt die Temperatur bis -50 ^o C, und findet das Auftreten von spröden Rissen im Material bei solchen Temperaturen.

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.

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.

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.

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.