عند مقارنة مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، تظهر إحدى المواصفات في كل ورقة بيانات للرقائق تقريبًا—درجة حرارة الانتقال الزجاجي, ، وتُكتب عادةً على النحو التالي: Tg.
بالنسبة للعديد من المنتجات منخفضة الطاقة، قد لا تحظى درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) باهتمام كبير. ومع ذلك، بمجرد تعرض اللوحة لدرجات حرارة لحام أعلى، أو حرارة مستمرة، أو دورات حرارية متكررة، تصبح درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) عاملاً مهمًا في ضمان الموثوقية على المدى الطويل.
إن معرفة ما يمثله مؤشر Tg — وما لا يمثله — يمكن أن يساعد في تجنب اختيار مادة تُظهر أداءً جيدًا في المختبر، لكنها تواجه صعوبات في ظروف التشغيل الفعلية.
ما هي درجة حرارة الانتقال الزجاجي؟
درجة حرارة الانتقال الزجاجي هي النقطة التي يبدأ عندها الراتينج الموجود داخل رقائق لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) في التحول من حالة صلبة شبيهة بالزجاج إلى حالة أكثر ليونة ومرونة.
لا يعني هذا التغيير أن المادة تذوب. بل إن خصائصها الميكانيكية تبدأ في التغير مع ارتفاع درجة الحرارة.
عند درجات الحرارة التي تقل عن قيمة Tg، تظل الطبقة المركبة مستقرة نسبيًا. أما عند درجات الحرارة التي تزيد عن هذه القيمة، يصبح التمدد أكثر وضوحًا وتصبح المادة أكثر حساسية للإجهاد الميكانيكي.
إذا لم تكن على دراية بطريقة التصنيع باللامينيت،, شرح رقائق الـPCB في سياق تصميم وتصنيع لوحات الدوائر المطبوعة يقدم هذا المقال مقدمة جيدة عن كيفية تصنيع مواد لوحات الدوائر المطبوعة.
لماذا يُعد Tg عاملاً مهمًا؟
تتعرض لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للحرارة عدة مرات خلال عمرها التشغيلي.
وتشمل الأمثلة على ذلك:
- لحام المكونات
- إعادة التصنيع والإصلاح
- درجات الحرارة التشغيلية اليومية
- إعادة تشغيل الجهاز بشكل متكرر
عندما تقترب درجات الحرارة من درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) للطبقة المركبة أو تتجاوزها، تبدأ ثبات الأبعاد في الانخفاض.
وقد يؤثر ذلك على:
- موثوقية الثقوب
- محاذاة الطبقات
- متانة وصلات اللحام
- الأداء الميكانيكي على المدى الطويل
بالنسبة للمنتجات التي يُتوقع أن تعمل لسنوات في بيئات قاسية، ينبغي النظر إلى درجة الحرارة الزجاجية (Tg) جنبًا إلى جنب مع الخصائص الأخرى للمادة، بدلاً من النظر إليها بمعزل عن غيرها.
نطاقات درجة الحرارة الزجاجية (Tg) النموذجية
غالبًا ما تُصنف صفائح الـPCB إلى ثلاث فئات.
| المواد | قيمة Tg النموذجية |
|---|---|
| معيار FR4 | 130–140 درجة مئوية |
| FR4 متوسط درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) | 150–170 درجة مئوية |
| المواد ذات درجة حرارة التحول الزجاجي العالية | أكثر من 170 درجة مئوية |
تختلف القيم الفعلية باختلاف الشركة المصنعة للرقائق وتركيبة الراتنج.
يجب دائمًا استخدام ورقة البيانات التي توفرها الشركة المصنعة للرقائق عند التحقق من مواصفات المواد.
هل ارتفاع درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) يعني دائمًا أن لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أفضل؟
ليس بالضرورة.
يؤدي ارتفاع درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) إلى تحسين الاستقرار الحراري، لكنه لا يؤدي تلقائيًا إلى تحسين كل جوانب أداء لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).
بالنسبة للعديد من المنتجات التجارية، لا يزال FR4 القياسي خيارًا عمليًّا واقتصاديًّا.
تزداد قيمة الرقائق ذات درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) الأعلى عندما تتعرض لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لما يلي:
- درجات حرارة تشغيل أعلى
- دورات لحام متعددة خالية من الرصاص
- الهياكل الكبيرة متعددة الطبقات
- الإجهاد الحراري المستمر
قد يؤدي اختيار مادة ذات درجة حرارة زجاجية (Tg) أعلى مما يتطلبه التطبيق إلى زيادة التكلفة دون تحقيق فائدة ملموسة.
المواد ذات درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) والمواد ذات درجة حرارة التحول الزجاجي العالية (High-Tg)
تم تطوير الرقائق ذات درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) العالية للاستخدامات التي قد يصل فيها مادة FR4 التقليدية إلى حدودها الحرارية القصوى.
وهي تُستخدم عادةً في:
- إلكترونيات السيارات
- أنظمة التحكم الصناعي
- إلكترونيات الطاقة
- معدات الاتصالات
- لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات ذات الكثافة العالية للمكونات
إذا كنت تقارن بين الألواح الخشبية القياسية وتلك المقاومة للحرارة العالية،, لوحات الدوائر المطبوعة FR4 مقابل FR4 ذات درجة حرارة الزجاج العالية (Tg) يشرح هذه الاختلافات بمزيد من التفصيل.
يمكنك أيضًا الرجوع إلى مادة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ذات درجة حرارة الزجاج العالية (Tg) المخصصة لتطبيقات لوحات الدوائر المطبوعة التي تتطلب درجات حرارة عالية وموثوقية عالية للحصول على نظرة عامة أوسع حول الأماكن التي تُستخدم فيها هذه المواد عادةً.
تصنيع Tg وPCB
يؤثر Tg على العديد من عمليات التصنيع.
التصفيح
تساعد المواد المستقرة في الحفاظ على دقة محاذاة الطبقات أثناء عملية البناء متعدد الطبقات.
الحفر
المواد التي تتمتع باستقرار حراري مناسب تكون أقل عرضة للتشوه أثناء التصنيع.
التجميع
تعد درجات حرارة اللحام الحديثة الخالية من الرصاص أعلى بكثير من تلك المستخدمة في عمليات اللحام التقليدية.
يساعد اختيار مادة مصفحة ذات درجة حرارة انتقالية (Tg) مناسبة على تقليل الإجهاد الحراري أثناء التجميع.
Tg هي خاصية واحدة فقط من خصائص المادة
على الرغم من أهمية درجة حرارة التحول (Tg)، إلا أنها لا ينبغي أن تكون العامل الوحيد الذي يؤخذ في الاعتبار عند اختيار المواد.
ومن بين الخصائص المادية الأخرى ما يلي:
- الثابت العازل (Dk)
- الخسارة العازلة (Df)
- الموصلية الحرارية
- امتصاص الرطوبة
- القوة الميكانيكية
إن تقييم هذه الخصائص مجتمعة يوفر صورة أكثر شمولاً عن أداء المادة.
النظرة العامة الواردة في أنواع مواد PCB المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة الحديثة تُعد نقطة انطلاق مفيدة عند مقارنة الخيارات المختلفة للأرضيات الخشبية المركبة.
المفاهيم الخاطئة الشائعة
من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن قيمة Tg تشير إلى درجة الحرارة القصوى للتشغيل للوحة الدوائر المطبوعة (PCB).
في الواقع، يمكن أن يعمل اللامينيت عند درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الزجاجية (Tg) لفترات قصيرة، لكن سلوكه الميكانيكي يتغير مع ارتفاع درجة الحرارة.
هناك اعتقاد خاطئ آخر مفاده أن جميع مواد FR4 لها نفس درجة الحرارة الزجاجية (Tg).
FR4 هو تصنيف للمواد وليس منتجًا واحدًا. تقدم الشركات المصنعة المختلفة ألواحًا مغلفة ذات قيم Tg وأنظمة راتنج وخصائص أداء متنوعة.
المقال ما هي مادة FR4 المستخدمة في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)؟ ويوضح ذلك سبب تغطية FR4 لمجموعة واسعة من تركيبات المواد.
كيفية اختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بناءً على درجة الحرارة الزجاجية (Tg)
- الخطوة 1
حدد أعلى درجات حرارة التشغيل والتركيب التي ستتعرض لها لوحة الدوائر المطبوعة.
- الخطوة 2
يرجى مراجعة مواصفات درجة الحرارة الزجاجية (Tg) الصادرة عن الشركة المصنعة للرقائق الخشبية بدلاً من الاعتماد على القيم العامة.
- الخطوة 3
قارن بين درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) والخصائص الكهربائية والحرارية والميكانيكية.
- الخطوة 4
يرجى التأكد من المواد المختارة مع الشركة المصنعة للوحات الدوائر المطبوعة (PCB) قبل بدء الإنتاج.
الخاتمة
تُعد درجة حرارة الانتقال الزجاجي مؤشراً مهماً على كيفية استجابة رقائق لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) للحرارة.
ورغم أن المواد ذات درجة حرارة الزجاج (Tg) الأعلى توفر استقرارًا حراريًا أفضل، فإن الاختيار الأنسب يعتمد على بيئة التشغيل الفعلية وعملية التصنيع ومتطلبات المنتج.
يساعد اختيار مواد لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بناءً على تقييم متوازن لدرجة الحرارة الزجاجية (Tg) والخصائص الرئيسية الأخرى على تحسين الموثوقية دون إضافة تكاليف تصنيع غير ضرورية.
الأسئلة الشائعة
ج: Tg، أو درجة حرارة الانتقال الزجاجي، هي الدرجة التي يبدأ عندها الراتينج الموجود في رقائق لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) في التحول من الحالة الصلبة إلى حالة أكثر ليونة.
ج: لا. توفر المواد ذات درجة الحرارة الزجاجية (Tg) الأعلى استقرارًا حراريًا أفضل، لكنها ليست ضرورية لكل تطبيق. يجب أن يتناسب اختيار المادة مع ظروف تشغيل المنتج.
ج: تتراوح درجة الحرارة الزجاجية (Tg) لمعظم رقائق FR4 القياسية بين 130 درجة مئوية و140 درجة مئوية تقريبًا، على الرغم من أن القيمة الدقيقة تعتمد على الشركة المصنعة.
ج: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أثناء التجميع، لا سيما عند استخدام اللحام الخالي من الرصاص، إلى زيادة الضغط الحراري على الرقاقة. وتساعد درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) المناسبة اللوحة على الحفاظ على استقرارها الميكانيكي خلال هذه العمليات.
ج: تتعلق درجة التحول الحراري (Tg) بشكل أساسي بالسلوك الميكانيكي والحراري للطبقة المركبة. أما الأداء الكهربائي، فيتأثر بشكل مباشر أكثر بخصائص مثل الثابت العازل الكهربائي (Dk) والخسارة العازلة (Df).
