در الکترونیک، دما یک قاتل خاموش است. از محفظه‌های موتور خودرو گرفته تا کوره‌های صنعتی، بردهای مدار چاپی (PCB) اغلب در محیط‌هایی کار می‌کنند که گرما می‌تواند به 150 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر برسد. برای این سناریوها، تفاوت بین یک دستگاه کاربردی و یک دستگاه خراب اغلب به زیرلایه PCB - به طور خاص، دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) آن - بستگی دارد. بردهای مدار چاپی با Tg بالا و FR-4 استاندارد دو گزینه رایج هستند، اما در شرایط استرس حرارتی عملکرد متفاوتی دارند. در اینجا یک تجزیه و تحلیل دقیق وجود دارد تا به شما کمک کند گزینه مناسب را برای برنامه خود انتخاب کنید.
Tg چیست و چرا اهمیت دارد؟
دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) دمایی است که در آن زیرلایه PCB از حالت سفت و شیشه‌ای به حالت نرم و لاستیکی تغییر می‌کند. زیر Tg، ماده استحکام مکانیکی، خواص دی‌الکتریک و پایداری ابعادی خود را حفظ می‌کند. بالای Tg، تغییر شکل می‌دهد، قابلیت عایق‌بندی خود را از دست می‌دهد و خطر خرابی اتصال لحیم یا ترک خوردن مسیر را دارد.
این انتقال حیاتی است زیرا وسایل الکترونیکی مدرن - از درایورهای LED گرفته تا کنترل‌کننده‌های وسایل نقلیه الکتریکی (EV) - گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند. به عنوان مثال، یک کنترل‌کننده موتور صنعتی می‌تواند در حین کار به 160 درجه سانتی‌گراد برسد. یک PCB با Tg پایین در اینجا به سرعت تخریب می‌شود، در حالی که یک زیرلایه با Tg بالا شکل و عملکرد خود را حفظ می‌کند.
بردهای مدار چاپی با Tg بالا در مقابل FR-4 استاندارد: تفاوت‌های کلیدی
این دو زیرلایه در پنج ناحیه حیاتی با هم تفاوت دارند، همانطور که در این مقایسه نشان داده شده است:
| ویژگی |
FR-4 استاندارد |
بردهای مدار چاپی با Tg بالا |
| مقدار Tg |
130-140 درجه سانتی‌گراد |
170 درجه سانتی‌گراد+ (درجه‌های رایج: 170 درجه سانتی‌گراد، 180 درجه سانتی‌گراد، 200 درجه سانتی‌گراد) |
| مقاومت در برابر حرارت (بالای Tg) |
در 150-160 درجه سانتی‌گراد تغییر شکل می‌دهد. 30٪ استحکام خود را از دست می‌دهد |
شکل خود را تا 200-220 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند. 80٪ استحکام خود را حفظ می‌کند |
| پایداری دی‌الکتریک |
Dk بیش از 140 درجه سانتی‌گراد 10-15٪ افزایش می‌یابد |
Dk متفاوت است<5٪ تا 180 درجه سانتی‌گراد |
| جذب آب |
0.15-0.2٪ (می‌تواند تحت رطوبت متورم شود) |
<0.1٪ (در برابر تورم مقاوم است) |
| هزینه (نسبی) |
کم (قیمت پایه برای 1 فوت مربع: 5 تا 8 دلار) |
30-50٪ بالاتر (قیمت پایه: 7 تا 12 دلار) |
| کاربردهای معمولی |
لوازم الکترونیکی مصرفی، دستگاه‌های کم حرارت |
خودرو، صنعتی، سیستم‌های پرقدرت |
عملکرد حرارتی: جایی که بردهای مدار چاپی با Tg بالا می‌درخشند
گرما بزرگترین عامل تمایز بین این دو زیرلایه است. در اینجا نحوه عملکرد آنها در سناریوهای با دمای بالا آمده است:
1. مقاومت در برابر تغییر شکل
FR-4 استاندارد پس از تجاوز دما از Tg (130-140 درجه سانتی‌گراد) شروع به نرم شدن می‌کند. در 150 درجه سانتی‌گراد، می‌تواند به میزان 0.3-0.5 میلی‌متر در هر متر تاب بخورد و باعث ترک خوردن اتصالات لحیم یا جدا شدن مسیرها از پدها شود. این در دستگاه‌های دقیق مانند سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) EV فاجعه‌بار است، جایی که حتی 0.1 میلی‌متر تاب خوردگی می‌تواند سنسورهای حیاتی را قطع کند.
بردهای مدار چاپی با Tg بالا، در مقابل، بسیار بالاتر از 170 درجه سانتی‌گراد سفت باقی می‌مانند. یک زیرلایه 180 درجه سانتی‌گراد Tg تنها در 190 درجه سانتی‌گراد تاب خوردگی کمی (<0.1 میلی‌متر/متر) نشان می‌دهد و آن را برای بردهای مدار چاپی خودرو در زیر کاپوت یا کنترل‌کننده‌های اینورتر صنعتی که در نزدیکی موتورهای داغ کار می‌کنند، ایده‌آل می‌کند.
2. پایداری ابعادی
گرما باعث انبساط همه مواد می‌شود، اما FR-4 استاندارد پس از عبور از Tg خود به میزان قابل توجهی بیشتر منبسط می‌شود. ضریب انبساط حرارتی (CTE) آن از ~15 ppm/درجه سانتی‌گراد (زیر Tg) به 70+ ppm/درجه سانتی‌گراد (بالای Tg) می‌رسد. این عدم تطابق با مس (CTE: 17 ppm/درجه سانتی‌گراد) منجر به «بلند شدن مس» می‌شود - مسیرها از زیرلایه جدا می‌شوند.
بردهای مدار چاپی با Tg بالا CTE کمتری و پایدارتری (20-30 ppm/درجه سانتی‌گراد حتی بالای Tg) به دلیل سیستم‌های رزین تقویت‌شده خود دارند. این امر استرس روی مسیرهای مسی را کاهش می‌دهد، که برای بردهای مدار چاپی با چگالی بالا در منابع تغذیه LED ضروری است، جایی که فاصله مسیرها به اندازه 3 میل است.
3. خواص دی‌الکتریک تحت حرارت
بالای Tg، ثابت دی‌الکتریک (Dk) FR-4 استاندارد 10-15٪ افزایش می‌یابد و تانژانت تلفات (Df) آن 20-25٪ افزایش می‌یابد. این امر یکپارچگی سیگنال را کاهش می‌دهد و آن را برای طرح‌های با فرکانس بالا (به عنوان مثال، سنسورهای صنعتی 5G) که در آن امپدانس پایدار حیاتی است، نامناسب می‌کند.
زیرلایه‌های با Tg بالا Dk (±3٪) و Df (±5٪) ثابتی را تا 180 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کنند. به عنوان مثال، FR-4 با Tg بالا با Tg 170 درجه سانتی‌گراد Dk 4.2 را در 160 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند، در مقایسه با Dk 4.8 FR-4 استاندارد در همان دما. این پایداری برای ماژول‌های رادار در وسایل نقلیه خودران حیاتی است، که به زمان‌بندی دقیق سیگنال متکی هستند.
4. مقاومت در برابر رطوبت و مواد شیمیایی
گرما و رطوبت یک جفت خطرناک هستند. FR-4 استاندارد 0.15-0.2٪ رطوبت جذب می‌کند، که در صورت گرم شدن، به بخار تبدیل می‌شود و در زیرلایه «تاول» ایجاد می‌کند. در محیط‌های صنعتی مرطوب (به عنوان مثال، کارخانه‌های فرآوری مواد غذایی)، این امر می‌تواند منجر به اتصال کوتاه در عرض چند ماه شود.
بردهای مدار چاپی با Tg بالا از رزین‌های اصلاح‌شده استفاده می‌کنند که جذب آب را به <0.1٪ کاهش می‌دهند. همراه با مقاومت در برابر حرارت، این امر آنها را در برابر تاول زدن مقاوم می‌کند، حتی در رطوبت 90٪ در 160 درجه سانتی‌گراد - یک وضعیت رایج در وسایل الکترونیکی دریایی یا فضای باز.
چه زمانی بردهای مدار چاپی با Tg بالا را انتخاب کنیم (و چه زمانی به FR-4 استاندارد پایبند باشیم)
انتخاب شما به نیازهای دمایی، نیازهای عملکرد و بودجه برنامه شما بستگی دارد:
در صورت وجود شرایط زیر، بردهای مدار چاپی با Tg بالا را انتخاب کنید:
الف. دستگاه شما در دمای 150 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر کار می‌کند (به عنوان مثال، واحدهای کنترل موتور خودرو، کوره‌های صنعتی).
ب. به قابلیت اطمینان طولانی‌مدت (10+ سال) در محیط‌های سخت نیاز دارید (به عنوان مثال، اویونیک هوافضا).
ج. یکپارچگی سیگنال حیاتی است (طرح‌های با فرکانس بالا یا سرعت بالا مانند ایستگاه‌های پایه 5G).
د. PCB شما دارای اجزای متراکم یا مسیرهای با گام ریز است (برای جلوگیری از اتصال کوتاه مرتبط با تاب خوردگی).
در صورت وجود شرایط زیر، FR-4 استاندارد را انتخاب کنید:
الف. دمای کار زیر 130 درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند (به عنوان مثال، لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون‌های هوشمند، چاپگرهای اداری).
ب. هزینه یک نگرانی اصلی است (FR-4 استاندارد 30-50٪ ارزان‌تر از جایگزین‌های با Tg بالا است).
ج. دستگاه دارای طول عمر کوتاهی است (3-5 سال)، مانند مانیتورهای پزشکی یکبار مصرف.
مثال دنیای واقعی: BMS خودرو
یک تولیدکننده پیشرو EV از FR-4 استاندارد به بردهای مدار چاپی 180 درجه سانتی‌گراد Tg در سیستم‌های مدیریت باتری خود روی آورد. نتیجه؟
الف. خرابی‌های میدانی ناشی از تاب خوردگی مرتبط با گرما 72٪ کاهش یافت.
ب. BMS عملکرد پایداری را در بسته‌های باتری که در حین شارژ سریع به 170 درجه سانتی‌گراد می‌رسیدند، حفظ کرد.
ج. طول عمر PCB از 5 سال به 8+ سال افزایش یافت و با گارانتی خودرو همخوانی داشت.
نتیجه‌گیری
بردهای مدار چاپی با Tg بالا و FR-4 استاندارد اهداف متمایزی را دنبال می‌کنند. FR-4 استاندارد یک اسب کار مقرون به صرفه برای دستگاه‌های کم حرارت و با طول عمر کوتاه است، در حالی که بردهای مدار چاپی با Tg بالا در کاربردهای با دمای بالا و قابلیت اطمینان بالا برتری دارند. نکته کلیدی این است که Tg زیرلایه را با محیط عملیاتی دستگاه خود مطابقت دهید - نادیده گرفتن این امر می‌تواند منجر به خرابی زودرس، بازسازی پرهزینه یا خطرات ایمنی شود.
برای اکثر پروژه‌های صنعتی، خودرویی یا هوافضا، سرمایه‌گذاری در بردهای مدار چاپی با Tg بالا در طول عمر و عملکرد نتیجه می‌دهد. برای لوازم الکترونیکی مصرفی یا سناریوهای کم حرارت، FR-4 استاندارد همچنان یک انتخاب عملی است.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
