PCB با Tg بالا چیست؟
دمای گذار شیشهای (Tg) چیست؟
دمای انتقال شیشهای، به نام تیجی, یکی از مهمترین ویژگیهای پلاستیکها و مواد اپوکسی است. Tg همچنین کیفیت پارچهی الیاف شیشهای بهکاررفته در PCBها را نشان میدهد. در مقایسه با HDT (دمای انحراف حرارتی)، Tg همیشه مهمتر نیست، اما همچنان اهمیت دارد. Tg دمایی است که در آن زنجیرههای بلند در یک پلاستیک حرکت قطعهای بزرگتری پیدا میکنند.
وقتی دمای استفاده پایینتر از Tg باشد، حرکت بخشهای زنجیرهٔ پلیمری عمدتاً یخزده است. ماده ساختار منظمتر و شبکهایمانندتری نشان میدهد. پلاستیک سخت، خشک و شکننده است. ما این را … مینامیم. حالت شیشهای.
وقتی دمای استفاده بالاتر از Tg باشد، بخشهای زنجیرهٔ پلیمر آزادی حرکت بیشتری دارند. پلاستیک نرمتر و انعطافپذیرتر میشود. ما این را ... مینامیم. حالت لاستیکی.
بنابراین Tg دمایی است که ماده از حالت شیشهای به حالت لاستیکی تغییر فاز میدهد. Tg بالاترین دمایی است که یک زیرلایه میتواند سختی خود را حفظ کند. به عبارت دیگر، مواد معمولی زیرلایه PCB در دمای بالا نرم میشوند، تغییر شکل میدهند یا حتی ذوب میشوند. در عین حال، خواص مکانیکی و الکتریکی آنها بهسرعت کاهش مییابد.
Tg و رفتار هیئت مدیره
Tg نشاندهنده تغییر آشکاری در رفتار ماده است. زیر دمای Tg، برد شکل و استحکام مکانیکی خود را حفظ میکند. بالای دمای Tg، برد ممکن است خم شود و سفتی خود را از دست بدهد. این تغییر همچنین بر خواص الکتریکی تأثیر میگذارد. اتلاف دیالکتریک و رفتار عایقی ممکن است با عبور دما از Tg تغییر کنند. برای طراحی و مونتاژ PCB، دانستن دمای Tg به انتخاب مواد و فرآیندهای مناسب کمک میکند.
دستهبندیهای مقادیر Tg برد مدار چاپی
تولیدکنندگان مواد برد را بر اساس محدودههای دمای انتقال (Tg) دستهبندی میکنند. گروههای معمول عبارتند از:
- تخته Tg نرمال: 130 درجه سانتیگراد تا 150 درجه سانتیگراد. مثالها: KB-6164F (140 درجه سانتیگراد)، S1141 (140 درجه سانتیگراد).
- بردهای Tg متوسط: ۱۵۰ درجه سانتیگراد تا ۱۷۰ درجه سانتیگراد. مثالها: KB-6165F (۱۵۰ درجه سانتیگراد)، S1141-150 (۱۵۰ درجه سانتیگراد).
- بردهای با Tg بالا (هزینه بالاتر): 170 درجه سانتیگراد و بالاتر. مثالها: KB-6167F (170 درجه سانتیگراد)، S1170 (170 درجه سانتیگراد).
توجه: برای برخی محصولات مصرفی و شبکهای، S1141 رایج بود. در گزارشهای کنترل کیفیت گاهی Tg = 130 °C و گاهی Tg = 135 °C نشان داده میشود. این نشان میدهد که آزمایش و نامگذاری درجهها میتواند متفاوت باشد.
مزایای مواد با Tg بالا
- پایداری بالاتراگر دمای انتقال (Tg) زیرلایه PCB را افزایش دهید، مقاومت در برابر حرارت، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر رطوبت و پایداری دستگاه نیز افزایش مییابد.
- مناسبتر برای طراحیهای با چگالی توان بالااگر دستگاهی چگالی توان بالا و تولید حرارت زیاد داشته باشد، PCBهای با دمای انتقال بالا به مدیریت حرارت کمک میکنند.
- انعطافپذیری طراحیبا داشتن خواص حرارتی بهتر، میتوانید اندازه یا چیدمان برد را تغییر دهید و همچنان نیازهای توان و حرارتی را برآورده کنید. وقتی گرما بهتر مدیریت میشود، میتوانید از PCBهای بزرگتر یا ساختارهای چندلایه متفاوت استفاده کنید.
- مناسب برای بردهای چندلایه و HDIبردهای چندلایه و HDI چگال هستند. آنها سطوح حرارتی بالاتری ایجاد میکنند. بردهای با دمای انتقال بالا به حفظ قابلیت اطمینان در تولید و محصول کمک میکنند.
- مقاومت بهبود یافته: وقتی Tg افزایش مییابد، مقاومت برد در برابر حرارت، رطوبت و مواد شیمیایی بهبود مییابد. پایداری در سرویس نیز بهبود مییابد.
- مناسبتر برای لحیمکاری بدون سرببازپخت بدون سرب از دماهای بالاتری استفاده میکند. بردهایی با دمای انتقال بالاتر (Tg) بهتر میتوانند این دماها را تحمل کنند.
- انحنا کمتر در SMTمواد با Tg بالا در حین SMT و ریفلو کمتر دچار تغییر شکل میشوند. آنها قابلیت اطمینان بالاتری ارائه میدهند. خطراتی مانند ترکخوردگی در دمای بالا و پفکردن مس نسبت به بردهای با Tg پایین کمتر است. در کارکرد معمولی، مواد با Tg بالا ممکن است شکنندهتر به نظر برسند، اما در دمای بالا استحکام و پایداری ابعادی (رفتار CTE) آنها بهتر از مواد با Tg پایین است.
عملکرد بردهای PCB با Tg بالا
با رشد سریع الکترونیک، مواد با دمای انتقال بالا (High-Tg) بهطور گسترده در کامپیوترها، دستگاههای ارتباطی، ابزارهای دقیق و تجهیزات آزمون استفاده میشوند. برای دستیابی به عملکردهای بالاتر و لایههای بیشتر، زیرلایههای برد مدار چاپی (PCB) نیازمند مقاومت حرارتی بالاتری بهعنوان یک نیاز اساسی هستند. همچنین، با مونتاژ با چگالی بالا مانند SMT و فناوریهای نصب تراشه و با روندهایی به سمت بردهای نازکتر، سوراخهای کوچکتر و مسیریابی دقیقتر، مقاومت حرارتی زیرلایه اهمیت حیاتی پیدا میکند.
تفاوت بین FR-4 معمولی و FR-4 با دمای انتقال بالا (High-Tg) در جنبههای مختلف آشکار میشود. استحکام مکانیکی، چسبندگی، جذب آب، پایداری ابعادی و رفتار حرارتی پس از جذب رطوبت همگی متفاوت هستند. تحت تنش حرارتی و انبساط حرارتی، بردهای با دمای انتقال بالا شکل و عملکرد خود را بهتر حفظ میکنند. به همین دلیل تقاضا برای بردهای با دمای انتقال بالا افزایش یافته است. قیمت آنها بالاتر از بردهای استاندارد است.
مواد با Tg بالا در روشنایی LED محبوب هستند. بستهبندیهای LED گرمای بیشتری نسبت به قطعات معمولی تولید و دفع میکنند. یک برد FR-4 با ساختار مناسب میتواند بسیار ارزانتر از برد هسته فلزی باشد و همچنان نیازهای حرارتی برخی طراحیها را برآورده کند.
چرا از FR-4 برای ساخت PCBهای با Tg بالا استفاده کنیم؟
برخی کاربردها نیاز به بردهای مدار چاپی دارند که در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد یا بالاتر کار کنند. برای کارکرد قابلاعتماد در چنین دماهایی، باید از موادی استفاده کرد که برای دماهای بالا طراحی شدهاند. یکی از گزینههای رایج FR-4 است. بردهای FR-4 با دمای انتقال شیشهای بالا میتوانند دماهای بسیار بالاتری را تحمل کنند و همچنان خواص مفیدی ارائه دهند:
- کنترل امپدانس بهبود یافته.
- مدیریت حرارتی بهتر.
- کاهش جذب رطوبت.
- عملکرد پایدار در سرویس.
FR-4 یک اپوکسی تقویتشده با الیاف شیشه و مقاوم در برابر حریق است. این ماده دارای مزایای فراوانی است که برای نیازهای PCB با دمای انتقال شیشهای بالا مناسب است:
- این در برابر چرخههای متعدد لمیناسیون مقاوم است و برای فرآیندهای پیچیده PCB مناسب است.
- این از مونتاژ بدون سرب پشتیبانی میکند.
- انواع FR-4 فراواناند. انواع PTFE، PTFE پرشده با سرامیک و پایههای هیدروکربنی ترموست وجود دارند. شما بر اساس نیاز انتخاب میکنید.
خواص ویژه FR-4
FR-4 دارای مزایای کلیدی برای کاربردهای پرطرفدار است:
- عملکرد الکتریکی خوباین کیفیت سیگنال را در فرکانسهای بالا و دماهای بالا حفظ میکند.
- این دستگاه میتواند فرآیندهای حفاری ویژه و حفرهای عبوری آبکاریشده (PTH) را برای بردهای پیچیده انجام دهد.
- قابلیت اطمینان PTH خوب است.این خطر قطع اتصال در دمای بالا را کاهش میدهد.
- هزینه آن کمتر از بسیاری از مواد باکیفیت بالا است. در حالی که عملکرد خوب است.
- عامل اتلاف پایدار (Df) در مقایسه با برخی دیگر از مواد. این امر باعث کاهش افت سیگنال میشود.
- مقاومت شیمیایی خوب مقاومت در برابر مواد شیمیایی فرآیندی و قرار گرفتن در معرض شرایط میدانی.
- مقاومت در برابر شوک و لرزش، بهعلاوه مقاومت در برابر شعلهتخته را در استفادهٔ خشن ایمنتر کنید.
- این برای طراحیهای PCB که به کنترل تنگ امپدانس برای سیگنالهای پرسرعت نیاز دارند مناسب است.
موارد کاربرد PCB با Tg بالا از نوع FR-4
از آنجا که بردهای FR-4 با دمای انتقال بالا (High-Tg) گرما را بهخوبی تحمل میکنند، در صنایع بسیاری که به رفتار حرارتی پایدار نیاز دارند، مورد استفاده قرار میگیرند. حوزههای معمول عبارتند از:
- رایانش، ذخیرهسازی و لوازم جانبی.
- الکترونیک مصرفی.
- شبکهسازی و سیستمهای مخابراتی.
- هوافضا و دفاع.
- دستگاههای پزشکی.
- کنترل صنعتی و ابزارها.
- خودروسازی و حملونقل.
چگونه ماده مناسب FR-4 را انتخاب کنیم
انواع مختلفی از FR-4 وجود دارد. انتخاب درست آن حیاتی است، زیرا جنس ماده پایداری نهایی PCB و بهترین عملکرد را تعیین میکند. قبل از انتخاب زیرلایه، این عوامل را بررسی کنید:
- ثابت دیالکتریک: این بر سرعت سیگنال و امپدانس تأثیر میگذارد.
- تانژنت تلفات یا ضریب تلفات: این بر از دست رفتن سیگنال تأثیر میگذارد.
- رسانایی گرمایی: این بر دفع حرارت تأثیر میگذارد.
- دمای انتقال شیشهای (Tg): این شاخص اصلی است که حد بالای گرما را تعیین میکند.
- ضریب انبساط حرارتی (CTE): این امر پایداری ابعادی را در دمای بالا تحت تأثیر قرار میدهد.
- خواص الکتریکی مانند مقاومت عایقی و ولتاژ شکست.
چه زمانی به PCB با Tg بالا نیاز دارید؟
اگر برد شما باید در برابر بارهای حرارتی که به حدود Tg + 25 درجهٔ سانتیگراد میرسند مقاومت کند، به مادهای با Tg بالا نیاز دارید. اگر محصولی در دمای 130 درجهٔ سانتیگراد یا بالاتر کار میکند، بردهای با Tg بالا ایمنی و قابلیت اطمینان را افزایش میدهند. یکی از عوامل اصلی، لحیمکاری بدون سرب است. فرآیندهای بدون سرب از دماهای اوج بالاتری استفاده میکنند. به همین دلیل بسیاری از سازندگان PCB اکنون از مواد با Tg بالا استفاده میکنند.
کاربردهای معمول PCBهای با Tg بالا
اگر محصولی چگالی توان بالاتری داشته باشد و گرما بر هیتسینک یا سایر قطعات تأثیر بگذارد، بردهای با دمای انتقال بالا (High-Tg) انتخاب مناسبی هستند. با افزایش محبوبیت بردهای High-Tg، آنها را در مواردی خواهید دید که تجهیزات الکترونیکی در دماهای بالاتر کار میکنند. PHILIFAST بردهای PCB با مقاومت حرارتی بالا را برای پاسخگویی به نیازهای متعدد صنعتی و برآورده کردن مشخصات مشتری با زمان تحویل کوتاه ارائه میدهد. کاربردهای نمونه عبارتند از:
- دروازهها و روترها.
- خوانندهها و برچسبهای RFID.
- اینورترهای برق.
- بردهای آنتن و RF.
- تکرارکنندهها و تقویتکنندههای بیسیم.
- خدمات تولید قراردادی (PCBA برای مشتریان).
- پیالسی و واحدهای کنترل کمهزینه.
- بردهای توسعه سیستمهای تعبیهشده.
- سیستمهای کامپیوتری تعبیهشده.
- توان AC و ماژولهای منبع تغذیه.
مواد با تیجی بالا فیلیفست
PHILIFAST چندین ماده با دمای انتقال بالا (Tg) و مواد مرتبط را موجود و استفاده میکند. در زیر نامهای رایج و انواع مورد استفاده در صنعت آمده است. این نامها نامهای تجاری و کدهای درجهبندی تأمینکنندگان رزین و لمینت هستند.
| دستهبندی مواد | مدلهای خاص/نامهای تجاری |
|---|---|
| FR-4 با Tg بالا (بدون هالوژن) | شنگی S1165، کینگبورد HF-170 |
| Tg نرمال FR-4 (بدون هالوژن) | شنگی S1155، کیبی-۶۱۶۵جی |
| انواع CTI بالا | شنگی S1600L، کیبی-۶۱۶۵جیسی، کیبی-۶۱۶۹جیتی |
| سایر گریدهای FR-4 با Tg بالا و نامهای تجاری | FR408, FR408HR, IS410, FR406, GETEK, PCL-370HR; S1000-2, IT180A, IT-150DA; N4000-13, N4000-13EP, N4000-13SI, N4000-13EP SI; Megtron4, Megtron6 (Panasonic); EM-827 (Taiguang); GA-170 (Hongren); NP-180 (Nanya); TU-752, TU-662 (Taiaoyao); TU-872; MCL-BE-67G(H); MCL-E-679(W); MCL-E-679F(J) (Hitachi) و گریدهای مرتبطی مانند IT180A، GETEK، PCL-370HR، سری N4000-13، S1000-2 و S1000-2M |
این فهرستها بسیاری از لمینیتهای تجاری و پریپرگهایی را که برای بردهای با دمای انتقال بالا (Tg) و عملکرد بالا استفاده میشوند، پوشش میدهند. شما میتوانید یک گرید را بر اساس دادههای آزمون و نیازهای فرآیند خود انتخاب کنید.
نکات کلیدی پردازش و قابلیت اطمینان
- مواد با Tg بالا در برابر ریفلو و چرخههای متعدد لمیناسیون مقاومت میکنند. این امر به ساخت سازههای چندلایه پیچیده کمک میکند.
- Tg بالاتر احتمال جداشدن لایهها در طول چرخههای حرارتی را کاهش میدهد، اما شما همچنان باید متغیرهای فرآیند مانند فشار، پروفایل دما و میزان پر کردن با رزین را کنترل کنید.
- جذب رطوبت اهمیت دارد. حتی مواد با Tg بالا نیز میتوانند رطوبت را جذب کنند. روشهای خشکسازی و نگهداری همچنان برای مونتاژ قابلاعتماد اهمیت دارند.
- مطابقت CTE اهمیت دارد. برد CTE باید رفتار قطعات و لایمیت را هماهنگ کند تا تنش در محل لحیم کاهش یابد، بهویژه برای BGAها و تراشههای بزرگ.
- برای کارهای HDI و فین پیچ، موادی با دیالکتریک پایدار و تلفات کم برای یکپارچگی سیگنال انتخاب کنید.
خلاصه
Tg دمایی است که در آن پلاستیک از حالت سخت و شیشهای به حالت نرم و لاستیکی تغییر میکند. مواد PCB با Tg بالا ساختار و عملکرد را در دماهای بالاتر حفظ میکنند. این مواد به لحیمکاری بدون سرب، تراکم توان بالا و نیازهای طراحی فشرده مانند چندلایه و HDI کمک میکنند. FR-4 همچنان گزینهای رایج و مقرونبهصرفه برای بردهای با Tg بالا است. شما باید درجهای از ماده را انتخاب کنید که با نیازهای الکتریکی، حرارتی و مکانیکی شما مطابقت داشته باشد. PHILIFAST گزینههای متعددی با Tg بالا برای برآورده کردن نیازهای مختلف صنعتی ارائه میدهد.