نادرًا ما تعمل المنتجات الإلكترونية في درجة حرارة ثابتة. فقد ترتفع درجة حرارة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أثناء الاستخدام العادي، ثم تنخفض بعد فصل التيار الكهربائي، وتكرر هذه الدورة آلاف المرات على مدار عمرها التشغيلي.
تؤدي كل دورة تسخين وتبريد إلى تمدد وانكماش المواد الموجودة داخل اللوحة. ويعتمد مقدار هذا التحرك على خاصية مادية تُعرف باسم معامل التمدد الحراري, أو CTE.
على الرغم من أن معامل التمدد الحراري (CTE) غالبًا ما يتم تجاهله عند اختيار المواد، إلا أنه يلعب دورًا مهمًا في موثوقية لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات، والثقوب المطلية، ووصلات اللحام.
ما هو معامل التمدد الحراري؟
يصف معامل التمدد الحراري مقدار التغير الذي يطرأ على حجم المادة عند تغير درجة حرارتها.
بالنسبة لرقائق ثنائي الفينيل الكلوري (PCB)، يُعبَّر عن معامل التمدد الحراري (CTE) عادةً بوحدة «أجزاء في المليون لكل درجة مئوية» (ppm/°C).
انخفاض معامل التمدد الحراري يعني أن المادة تتمدد بدرجة أقل مع ارتفاع درجة الحرارة.
كلما ارتفع معامل التمدد الحراري (CTE)، زاد التغير في الأبعاد في ظل نفس الظروف.
نظرًا لأن لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) تُصنع من مواد مختلفة — بما في ذلك النحاس والألياف الزجاجية والراتنج — فإن معدل تمدد كل مادة يختلف عن الآخر.
لماذا يُعد CTE عاملاً مهمًا في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)؟
يُعد التمدد والانكماش أمرًا طبيعيًّا، لكن المشاكل تحدث عندما تتمدد المواد المختلفة بمعدلات مختلفة.
مع مرور الوقت، قد يؤدي هذا التباين إلى إجهاد اللوحة ووصلاتها الداخلية.
يؤثر CTE تأثيرًا مباشرًا على:
- موثوقية الثقوب الممررة المطلية
- متانة الوصلة الملحومة
- التسجيل متعدد الطبقات
- ثبات الأبعاد
- أداء الدورات الحرارية
بالنسبة للمنتجات التي يُتوقع أن تعمل في بيئات قاسية، ينبغي أخذ معامل التمدد الحراري (CTE) في الاعتبار جنبًا إلى جنب مع الخصائص الأخرى للمواد.
التعليم المهني والتقني في اتجاهات مختلفة
لا تتمدد صفائح الـPCB بنفس الدرجة في جميع الاتجاهات.
عادةً ما تحدد الشركات المصنعة ما يلي:
معامل التمدد الحراري للمحور X
التمدد على طول اللوحة.
معامل التمدد الحراري للمحور Y
الامتداد عبر عرض اللوحة.
معامل التمدد الحراري للمحور Z
التمدد عبر سماكة اللوح.
ومن بين هذه،, توسيع المحور Z وغالبًا ما يكون هذا العامل هو الأهم لأنه يؤثر بشكل مباشر على الثقوب المطلية بالرصاص والهياكل متعددة الطبقات.
كيف ترتبط قيمة Tg بمعامل التمدد الحراري (CTE)
ترتبط درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) ارتباطًا وثيقًا بـ CTE.
تحت درجة حرارة Tg للمادة، يكون التمدد مستقرًا نسبيًا.
بمجرد أن تتجاوز درجة الحرارة قيمة Tg، يصبح الراتينج أكثر مرونة ويزداد التمدد.
وهذا أحد الأسباب التي تجعل المواد ذات درجة حرارة الزجاج (Tg) الأعلى تُختار غالبًا للمنتجات التي تتعرض للتسخين المتكرر أثناء التصنيع أو التشغيل.
إذا لم تكن على دراية بـ Tg،, شرح درجة حرارة التحول الزجاجي للوحات الدوائر المطبوعة (PCB)d يقدم نظرة عامة مفصلة.
لماذا يُعد CTE عاملاً مهمًا في لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات
مع زيادة عدد طبقات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، تزداد أهمية الاستقرار الأبعادي.
قد يؤدي التوسع المفرط إلى:
- الإجهاد حول الثقوب الموصلة
- تشقق الأسطوانة
- اختلال محاذاة الطبقات
- انخفاض الموثوقية على المدى الطويل
يساعد الاختيار الدقيق للمواد على الحد من هذه المخاطر.
كما تمت مناقشة العلاقة بين البنية الرقائقية واستقرار الطبقات في شرح رقائق الـPCB في سياق تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة.
القيم النموذجية لـ CTE
تختلف القيم الدقيقة باختلاف الشركات المصنعة وأنظمة المواد، لكن الاتجاه العام هو:
| المواد | معدل التمدد الحراري النسبي |
|---|---|
| معيار FR4 | معتدل |
| FR4 عالي Tg4 | أقل من معيار FR4 القياسي |
| البولي إيميد | منخفضة |
| سيراميك | منخفض جدًّا |
| PTFE | أعلى من العديد من المواد الإيبوكسية |
ينبغي دائمًا الرجوع إلى أوراق البيانات الصادرة عن الشركة المصنعة عند التحقق من خصائص المواد المستخدمة في تصميم معين.
هل يعني انخفاض معامل التمدد الحراري (CTE) دائمًا أنه أفضل؟
ليس بالضرورة.
يؤدي انخفاض معامل التمدد الحراري (CTE) إلى تحسين الثبات الأبعاد، لكنه ليس سوى عامل واحد من بين عوامل اختيار المواد.
ومن بين الاعتبارات الأخرى ما يلي:
- الخواص العازلة
- الموصلية الحرارية
- مقاومة الرطوبة
- تكلفة التصنيع
- المتطلبات الميكانيكية
إن اختيار اللامينيت المناسب يعني تحقيق التوازن بين جميع هذه العوامل، بدلاً من التركيز على تحسين مواصفة واحدة فقط.
تتوفر مقارنة أوسع نطاقاً للمواد الشائعة في أنواع مواد PCB المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة الحديثة.
التطبيقات الشائعة التي تستفيد من انخفاض معامل التمدد الحراري (CTE)
عادةً ما يتم اختيار المواد ذات معامل التمدد الحراري (CTE) الأقل في الحالات التالية:
- إلكترونيات السيارات
- أنظمة التحكم الصناعي
- معدات الفضاء الجوي
- أجهزة الاتصالات
- لوحات الدوائر المطبوعة ذات عدد الطبقات الكبير
- المنتجات المعرضة لدورات حرارية متكررة
بالنسبة للعديد من المنتجات الاستهلاكية، لا يزال مادة FR4 القياسية توفر أداءً موثوقًا به عندما تتناسب مع الاستخدام المقصود.
كيفية تقييم CTE عند اختيار المواد
- الخطوة 1
حدد أعلى درجات حرارة التجميع والتشغيل التي ستتعرض لها لوحة الدوائر المطبوعة.
- الخطوة 2
راجع بيانات معامل التمدد الحراري (CTE) الصادرة عن الشركة المصنعة للرقائق الخشبية في جميع الاتجاهات الثلاثة، ولا سيما المحور Z.
- الخطوة 3
قارن بين CTE وTg، والخصائص العازلة، والأداء الميكانيكي.
- الخطوة 4
تأكد من اختيار المواد مع الشركة المصنعة للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) قبل الانتهاء من تحديد تركيب الطبقات.
الخاتمة
يُعد معامل التمدد الحراري إحدى الخصائص المهمة للمواد التي تؤثر على كيفية استجابة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لتغيرات درجة الحرارة.
ورغم أن معامل التمدد الحراري (CTE) نادرًا ما يكون العامل الوحيد الذي يحدد اختيار المواد، فإن فهم كيفية تمدد الطبقات المختلفة تحت الضغط الحراري يمكن أن يساعد في تحسين الموثوقية على المدى الطويل وتقليل مخاطر التصنيع.
إن تقييم CTE جنبًا إلى جنب مع درجة الحرارة (Tg) والخصائص العازلة ومتطلبات التطبيق يوفر أساسًا أكثر شمولاً لاختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).
الأسئلة الشائعة
ج: يُقاس معامل التمدد الحراري (CTE) مدى تمدد أو انكماش مادة لوح الدوائر المطبوعة (PCB) مع تغير درجة حرارتها.
ج: يؤثر تمدد المحور Z على سماكة اللوحة، وله تأثير مباشر على موثوقية الثقوب المطلية في لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات.
ج: ليس دائمًا. فانخفاض معامل التمدد الحراري (CTE) يحسّن الثبات الأبعاد، لكن اختيار أفضل مادة يعتمد على المتطلبات الكهربائية والحرارية والميكانيكية والتكلفة الإجمالية للتطبيق.
ج: عند درجات الحرارة الأقل من درجة الانتقال الزجاجي (Tg)، يكون التمدد مستقرًا نسبيًا. أما عند درجات الحرارة الأعلى من Tg، فإن المادة تتمدد بسرعة أكبر مع تليين الراتنج.
ج: عادةً ما تتميز الرقائق ذات درجة حرارة الزجاج العالية (Tg)، ومواد البوليميد، والركائز الخزفية بانخفاض معدل التمدد الحراري مقارنةً بمادة FR4 القياسية، على الرغم من أن القيم الدقيقة تختلف باختلاف الشركة المصنعة.
