Qual é a temperatura mínima para PCBs FR-4?

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?)

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

• Uma citação específica do artigo " Comportamento dinâmico de falha de compósitos de vidro / epóxi sob baixa temperatura usando o método de teste de impacto Charpy " (Shokrieh et al ):

  Verificou-se que o mecanismo de falha muda de trinca da matriz à temperatura ambiente para delaminação e quebra da fibra a baixas temperaturas.

  Este estudo aplicou uma temperatura de -30 ^o C, não baixa o suficiente para fragilidade cristalina espontânea.

• Outro estudo, " A influência de altas e baixas temperaturas nas propriedades de impacto de compósitos de vidro epoxi " (Putic et al ) reduz a temperatura para -50 ^o C e encontra a aparência de rachaduras quebradiças no material a essas temperaturas.

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.

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.

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.

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.