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1、材料的膨胀系数定义：热膨胀系数 (CTE)

覆铜箔板 (CCL) 的热膨胀系数是衡量基材耐热性能的又一重要指标。 CCL 的 CTE 大小是树脂、 增强材料与铜箔三种材料的 CTE综合的表现结果。 三种主要组成材料中, 树脂是对CCL的CTE 影响最重要的因素。

热膨胀系数是指材料受热后在单位温度内尺寸变化的比率, 以每摄氏度变化百万分之几表示 (PPM),基材的CTE在X、 Y方向和Z方向不同。

一、Z方向热膨胀系数。

由于热膨胀系数与环境温度条件有着 很大的关系, 在印制板的厚度方向的热膨胀系数称为 Z 方向热膨胀系数, 在温度达到基材的 Tg时,与在 Tg 以下表现出很大的差别。 因此, 一般将CCL的厚度方向 (Z方向) 在 Tg温度点以下的热膨胀系数, 简称为a1; 在 T点以上的热膨胀系数, 简称为 a2。 在温度提高的条件下, 由于树脂形变受到的增强材料的制约很小,因此CCL的Z方向热膨胀系数会表现出明显的增加。 构成CCL的树脂, 当它处于Tg温度以上的高弹态下的热膨胀系数 (a2), 是处于 Tg以下的热膨胀系数 (a1) 的 3~4 倍。 Z 方向的CTE 较大, 受热膨胀后由于树脂的膨胀尺寸大于孔壁的铜层膨胀尺寸, 对孔壁铜层产生拉伸应力,会影响金属化孔的质量。

二、X,Y方向热膨胀系数

X, Y 方向热膨胀系数是 CCL 水平方向的热膨胀系数, 简称 CTE。 水平方向的热膨胀系数大多表示的是在30~130C温度范围的值。FR-4型覆铜板在Tg以上温度,它的X、Y方向由于树脂被其中作为增强材料玻璃布的牵制, 在环境温度提高, 树脂产生形变时, 覆铜板的X、 Y方向热膨胀系数表现得变化不太明显。 X、 Y方向 CTE大小, 还有另外一种表示方式,即基板从50℃等速升到260℃条件时的X方向或Y方向的尺寸变化率。X Y方向的 CTE应与安装的元器件基体的热膨胀系数匹配， 能降低焊点受执应力的影响，不然将会在焊接或使用时，田于温度变化引起焊点的应力变化和可靠性下降甚至失效。 在采用无铅焊接技术或产品使用温度较高或变化较大时,应选择CTE较小或与所安装器件基体的 CTE相匹配的基材。

三、温度升高条件下Z方向 (板的厚度方向) 的总膨胀百分比.

IPC-4101B 标准中对与无铅焊接相兼容的 FR-4 覆铜板规定了在升高温度 50~260℃的条件下, Z方向的总膨胀尺寸百分比。IPC标准中所列的无铅兼容性 FR-4型覆铜板, 基材牌号和树脂的 Tg不同, 其总膨胀尺寸百分比有所不同, 如:FR-4/126 型 Tg为 170℃的 CTE 不大于3%,FR-4/99型T:为150℃的CTE不大于3.5%,FR-4/101型T为110℃的CTE不大于4%。

一般 FR-4 型 CCL 的 X、 Y方向 CTE 值为 13ppm~16xppm, 与铜箔的热膨胀系数相近 (14xppm ~18ppm), Z 方向的热膨胀系数, a 1为 50ppm~70ppm ,a2为 200ppm~300ppm, 远大于铜的热膨胀系数。 而低热膨胀系数型CCL的热膨胀系数的指标值没有统一规定,一般CCL的水平方向 (X、Y方向)的CTE应在8ppm~12ppm.。X Y方向的CTE 更低的CCL产品可达到9ppm以下, 如果环氧-玻璃布基覆铜箔层压板在树脂组成中加入了有利于CTE 降低的无机填料, 可使产品的CTE 更低能达到9ppm以下。

2、材料的膨胀系数定义，线性膨胀系数在注塑产品中的应用

线膨胀系数也称线胀系数。固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化和它在O℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”，单位为1/K。由于物质的不同，线膨胀系数亦不相同，其数值也与实际温度和确定长度1时所选定的参考温度有关，但由于固体的线膨胀系数变化不大，通常可以忽略，而将线膨胀系数变化当作与温度无关的常数。
对于塑料产品来说是指温度升高1℃时，每1cm的塑料伸长的厘米数，若表示塑料在某一温度区间的线胀特性时，就称为平均线胀系数。塑料的线性膨胀系数一般是钢材的10倍左右。常用塑料的线性膨胀系数见下表：

常见塑料的线性膨胀系数

韧性哥敲黑板：从上面可以看出，TPV的线胀系数达到22.3，那按照道理，比如挤出型材、板材、线缆方面，可能在夏天会出现翘曲、拱起来、褶皱。但实际使用情况并不如此，通常TPV挤出的板材、型材、线缆，在加工后都会收缩，一般的收缩数据约在3.5%~1.5%，和硬度有关，通常90A的，大约收缩2%，越软收缩越大。尤其是经过加温后，通常TPE-S/TPV都会收缩，而不是膨胀，这个可能与材料分子释放应力，自由运动有关，也可能与少量软化油挥发有关。

对于汽车装在车身钣金上的细长的塑料件来说这是一个不小的尺寸变化，如何保证其在高低温环境下的装配效果，结构和对线性膨胀系数的选择就很关键了。下面是某车型下边梁护板的图片：

其总长为2073毫米，总宽为153毫米，所选材质为PP EPDM-T20,如果按冬天最低气温-20 ℃，夏天气温为30 ℃。该产品是7月份试制完成并转产的，当时各方面的装配间隙面差都很好，且与钣金的贴合度很好。但是到了冬天则装不上了，即使勉强能装上，前后端也会出现裂纹。

夏天装配效果

冬天问题照片1

冬天问题照片2

夏天转产时气温大约30℃，根据装配效果我们认为当时尺寸与理论设计尺寸一致，那么到了-20 ℃的冬天则尺寸变化=2073 ×8.682×10-5×50≈9（-20-23℃的线膨胀系数按与23-80℃相当来计算）。整体尺寸要缩短9毫米，该产品的定位点在中间位置，则前后各所短4.5毫米，，由于两端已经与钣金进行紧固连接，没有变形量，所以在两端与钣金贴合不上且短也是必然的。对于这类产品一方面我们要选择线性膨胀系数小的材料，这样成本就会增高，重点还得放到结构的设计上，除定位点外，前后各固定点长度方向都要放开，两端头的固定点预留出适当的变形量，是我们后续产品设计需要考虑的。

本文参考文献：曹渡主编《汽车内外饰设计与实战》

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来源：网络收集

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