何谓CTE(热膨胀系数)？α2-CTE又是什么？CTE如何影响电路板品质

CTE为热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）的简称，CTE是指物质在热胀冷缩效应的作用下，几何特性随着温度的上升、下降变化而跟随发生变化的规律性系数。在实际的应用中，热膨胀系数又可区分成【线性热膨胀系数（Coefficient of Linear Thermal Expansion）】适用于「固体」及【体积热膨胀系数（Coefficient of Volume Thermal Expansion）】适用于「气体」两种主要类别。

而「热胀冷缩」是指物体受热时体积会膨胀，遇冷时会收缩的特性，热胀冷缩是由于物体内的粒子（原子）运动会随温度改变，当温度上升时，粒子的振动幅度加大，使得物体膨胀。但当温度下降时，粒子的振动幅度会减少，使物体收缩所致。

一般来说「热胀冷缩」是大部分自然界物体的特性，但水（4°C以下）、锑、铋、鎵和青铜等物质，在某些温度范围内受热时反而会收缩，遇冷时会膨胀，恰好与一般物体的特性相反。因此，当「水」结成「冰」时，其体积反而会变大，所以易开罐或铝箔包饮料不建议摆放在冰箱的冷冻库内，否则容易因为温度下降结冰而使得饮料撑破易开罐或铝箔包。

日常生活中比较常见到「热胀冷缩」 的例子是使用水泥铺设的马路或是陆桥，每隔一小段距离就要给予一定宽度的伸缩缝，以避免夏天的时候白天太阳高照吸热膨胀造成路面垄起的问题，所以一般车子行经水泥路面或陆桥时经常可以听到「吼咙」的声音，就是轮子压到伸缩缝的声音。

另外一个常见的例子是铁轨，如果你稍微仔细观察，会发现铁轨上也设计有伸缩缝，底下的图片来自维基百科，可以发现铁轨因为热膨胀互相挤压而造成弯曲的现象。

将不小心被踩到变形的 乒乓球置放入热水中可以让乒乓球恢復成原来的形状，马路旁的水管或天然瓦斯管线故意弯折成一圆形或U型的形状都是为了防止「热胀冷缩」可能造成的影响与解决方法。

CTE对PCB印刷电路板的影响，Z轴CTE，α1(alpha 1)/z-CTE、α2(alpha 2)/z-CTE

世界上几乎每一种材料都会随着温度的变化而膨胀或收缩，PCB基本上也符合「热胀冷缩」的原理，不过PCB在X、Y方向的CTE一般部会太大，因为受到玻纤布经纬线的箝制，大约会落在12~15PPM/℃左右；但是在板厚Z的方向则没有太大的拘束，其α1/z-CTE会扩大为55~60PPM/℃，还有α2/z-CTE也会比XY方向大。有人会将α(alpha)简写为a，所以有时候也看到a1/z-CTE及a2/z-CTE。

CTE测试中 α1及α2(a1及a2) 分别代表什么？

一般量测PCB的Z轴CTE大多採用「热机分析法」（Thermal Mechanical Analysis简称TMA），它可以分别量测PCB板材在Tg(玻璃转化温度)以下的热膨胀系数（α1-CTE），以及Tg以上的热膨胀系数（α2-CTE）。

所以，α1-CTE指的是Tg点以下的热膨胀系数；而α2-CTE指的则是Tg点以上的热膨胀系数。

需要特别注意的是，一般无铅PCB大多使用Tg150板材，就算是IC载板(substrate)所使用的也大多是TG170板材而已，不论是Tg150或Tg170都远远低于最多人使用的SAC305无铅锡膏的融锡温度(217℃)与回焊的最高温(240~250℃)，所以在PCB的CTE规格中，又以α2/z-CTE最为重要。

依据目前IPC-4101的规范建议α1/z-CTE之上限定为60PPM/℃，而α2-CTE之上限为300PPM/℃。

因为在PCB的通孔及焊垫中「铜」的CTE大约为16～18PPM/℃，与PCB的α2-CTE的差距过大时就容易引起通孔中孔环的断裂（Crack）、铜环自板材拉起、局部扯裂或爆板分层（De-lamination）的情况。另外，50℃～260℃之Z轴整体CTE也很重要，以IPC-4101规范，一般建议Tg之Z轴CTE上限为4％、Mid- Tg（Tg≥150℃ ）为3.5％、High-Tg（Tg≥ 170℃ ） 则为3％。

理论上如果电路板FR-4层压板的CTE过大是有机会影响到零件焊接于电路板焊垫上的锡点，但因为焊锡本身具有一定的弹性与耐震性，所以甚少听说有焊点问题怀疑到FR-4的CTE上面，以目前的电子产品正式出厂前大多需要通过一定的反覆高低温循环信赖度测试而言，这样的怀疑真的可以不必考虑，反而是回焊Peak值高温厚的冷却速度如果太快，有可能造成焊锡龟裂的情形发生。

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