چالش‌های تولیدی بردهای مدار چاپی لمینت FR4 با Tg بالا در کاربردهای صنعتی

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

لایه های FR4 Tg بالا ستون فقرات الکترونیک صنعتی شده اند، جایی که PCB ها باید در برابر دماهای شدید، فشارهای مکانیکی سنگین و عملکرد طولانی مقاومت کنند.با دمای انتقال شیشه ای (Tg) 170°C یا بالاتر در مقایسه با 130°C برای FR4 استاندارد، این مواد در محیط هایی مانند کف کارخانه عالی هستند.با این حال، ثبات حرارتی برتر آنها با چالش های منحصر به فرد در تولید همراه است. از ناسازگاری های لایه بندی تا مشکلات حفاری،تولید PCB های FR4 Tg بالا نیاز به دقت دارداین راهنما به بررسی این چالش ها، علل اصلی آنها و راه حل های عملی برای اطمینان از PCB های صنعتی قابل اعتماد و با عملکرد بالا می پردازد.

نکات کلیدی
1FR4 Tg بالا (Tg ≥170 °C) ثبات حرارتی 30٪ تا 50٪ بهتر از FR4 استاندارد را ارائه می دهد اما نیاز به دمای لایه بندی 10٪ تا 20 °C بالاتر دارد که پیچیدگی تولید را افزایش می دهد.
2چالش های اصلی عبارتند از جریان نامنظم رزین در طول لایه بندی، افزایش لباس ابزار در طول حفاری و دشواری در دستیابی به حکاکی مداوم لایه های مس ضخیم.
3برنامه های کاربردی صنعتی (به عنوان مثال، محرک های موتور، اینورترهای قدرت) نیاز به PCB های Tg بالا دارند، اما نقص هایی مانند از هم جدا شدن و یا رد کردن می تواند طول عمر عملیاتی را تا 50٪ کاهش دهد.
4راه حل ها شامل پریس های پیشرفته ورق بندی، قطعات حفاری پوشش داده شده با الماس و نظارت بر فرآیند مبتنی بر هوش مصنوعی است که میزان نقص را در تولید حجم بالا 60٪ کاهش می دهد.

FR4 Tg بالا چیست و چرا در PCB های صنعتی اهمیت دارد؟
FR4 Tg بالا یک لایه اپوکسی تقویت شده با فیبرگلاس است که برای حفظ یکپارچگی ساختاری در دمای بالا طراحی شده است.Tg (درجه انتقال شیشه ای) نقطه ای است که در آن مواد از یک حالت سخت تغییر می کنند.برای استفاده صنعتی:

1FR4 استاندارد (Tg 130-150 °C) بیش از 120 °C تخریب می شود، در محیط های با درجه حرارت بالا خطر از هم جدا شدن (فراگیری لایه) را دارد.
2. FR4 Tg بالا (Tg 170 ~ 220 ° C) در 150 ~ 180 ° C پایدار باقی می ماند ، که آن را برای کنترل کننده های صنعتی ، شارژرهای EV و سیستم های توزیع برق ایده آل می کند.

در کاربردهایی مانند کنترل کننده فر صنعتی 500 درجه سانتیگراد، PCB با Tg بالا (Tg 180 درجه سانتیگراد) برای بیش از 10 سال به طور قابل اعتماد کار می کند، در حالی که PCB FR4 استاندارد در عرض 2 سال از هم جدا می شود.

چگونه FR4 Tg بالا در مقایسه با FR4 استاندارد

چالش های اصلی تولید PCB های FR4 Tg بالا
خواص منحصر به فرد FR4Tg بالا، محتوای رزین بالاتر، ساختار سخت تر و مقاومت در برابر گرما، موانع مشخصی در تولید ایجاد می کند.

1. لامیناسیون: دستیابی به اتصال یکنواخت
لایه بندی (بستن لایه های مس به هسته FR4 با گرما و فشار) برای FR4 Tg بالا بسیار پیچیده تر است:

a. نیاز به دمای بالاتر: FR4 با Tg بالا برای خشک کردن کامل رزین نیاز به دمای ورق بندی 180-220 درجه سانتیگراد (در مقابل 150-170 درجه سانتیگراد برای FR4 استاندارد) دارد. در این دمای، لزوزیت رزین به سرعت کاهش می یابد و خطر:
گرسنگی رزین: جریان نامنظم باعث ایجاد حفره بین لایه ها می شود و پیوند ها را تضعیف می کند.
سرریز: رزین اضافی نفوذ می کند و لکه های نازک را در مناطق مهم ایجاد می کند (به عنوان مثال ، در اطراف ویاس).
  b. کنترل فشار: رزین های Tg بالا برای اطمینان از چسبندگی لایه نیاز به فشار 20٪ تا 30٪ بیشتر (300٪ تا 400 psi در مقابل 250 psi) دارند. فشار بیش از حد بافت فیبرگلاس را خرد می کند؛ فشار بیش از حد کم باعث از هم جدا شدن می شود.
c.سرعت خنک کننده: خنک شدن سریع پس از لایه بندی استرس داخلی را به دام می اندازد و منجر به انحراف می شود (تا 0.5 میلی متر در هر صفحه 100 میلی متر). خنک شدن آهسته (≤5 ° C / دقیقه) استرس را کاهش می دهد اما زمان چرخه را دو برابر می کند.

2حفاری: دستکاری مواد سخت تر و سخت تر
رزین های متراکم FR4 با Tg بالا و فیبرگلاس سفت، حفاری را سخت تر می کنند:

a.پوشیدن ابزار: سختی مواد (Rockwell M80 در مقابل M70 برای FR4 استاندارد) باعث افزایش خیس شدن قطب حفاری 50٪ تا 70٪ می شود. قطب های کاربید وولفستم که 5000٪ تا 10،000 سوراخ در FR4 استاندارد دوام دارند ، پس از 3000٪ شکست می خورند.سوراخ های 1000 در Tg بالا.
کیفیت سوراخ: جریان رزین کم Tg √ √ √ √ √ √ √ √
لبه هاي خشك در ديوارهاي سوراخ، خطر قطع شورت را دارند.
چسباندن: بقایای رزین یا فیبرگلاس سوراخ ها را مسدود می کند و مانع از چسباندن مناسب می شود.
c.حدود نسبت ابعاد: سفتی Tg √s بالا باعث می شود سوراخ های عمیق و باریک (نسبت ابعاد > 10: 1) مستعد شکستگی حفاری باشند. یک حفاری 0.3 میلی متر در یک صفحه 3 میلی متر ضخیم با Tg بالا دارای نرخ شکست 20٪ بالاتر از FR4 استاندارد است.

3. حکاکی: تضمین تعاریف ردیابی سازگار
PCB های صنعتی اغلب از مس ضخیم (24 اونس) برای ظرفیت حمل جریان بالا استفاده می کنند ، اما FR4 Tg بالا حکاکی را پیچیده می کند:

a.تفاعل رزین با چسبنده: رزین های با Tg بالا مقاوم تر در برابر مواد شیمیایی هستند و به زمان حکاکی طولانی تر نیاز دارند (30٪ تا 40٪ بیشتر از FR4 استاندارد).
کاهش: حکاکی بیش از حد در زیر مقاومت، محدود کردن ردپای فراتر از مشخصات طراحی.
حکاکی نامنظم: رزین ضخیم تر در برخی مناطق سرعت حکاکی را کاهش می دهد و باعث ایجاد تغییرات پهنای ردی (± 10% در مقابل ± 5% برای FR4 استاندارد) می شود.
چالش های مس ضخیم: مس 4 اونس (140μm) برای جلوگیری از حکاکی ناقص نیاز به حکاکی های تهاجمی (تركيز اسید بالاتر) دارد. این می تواند سطح Tg ∆s بالا را آسیب بزند و چسبندگی لایه های بعدی را کاهش دهد.

4استفاده از ماسک سولدر: چسبندگی و یکسانی
ماسک جوش دهنده از ردپای ها در برابر خوردگی و مدار کوتاه محافظت می کند ، اما سطح صاف و غنی از رزین FR4 ٪ با Tg بالا در برابر چسبندگی مقاومت می کند:

a.مبلش ضعیف: ماسک جوش (فیلم مایع یا خشک) ممکن است روی سطح Tg ∆s بالا قرار گیرد و لکه های برهنه را ترک کند.
ب.مسائل فعلی: مقاومت گرما Tg ̊s بالا نیاز به دمای سخت تر ماسک جوش (۱۵۰ ٫۱۶۰°C در مقابل ۱۲۰ ٫۱۳۰°C) دارد که اگر کنترل نشود می تواند کیفیت ماسک را کاهش دهد.

تاثیر نقص در کاربردهای صنعتی
در محیط های صنعتی، نقص های PCB با TG بالا عواقب جدی دارند:

a.دلمینیشن: جدایی لایه در PCB کنترل کننده موتور می تواند باعث قوس شود، که منجر به زمان توقف برنامه ریزی نشده می شود (هزینه 10،000 $ 50،000 $ / ساعت در کارخانه ها).
  b.تکنیک قیمت: ردپای محدود در توزیع برق PCB ها مقاومت را افزایش می دهند، نقاط گرم ایجاد می کنند که عایق را ذوب می کنند.
 ج.فایوس های سوخته:لبه های تیز در یک PCB صنعتی 480V می تواند عایق را سوراخ کند و باعث نقص های زمین شود.

مطالعه ای که توسط انجمن الکترونیک صنعتی انجام شد نشان داد که 70٪ از شکست های میدان در PCB های صنعتی با Tg بالا به نقص های تولید باز می گردد که بیشتر با کنترل مناسب فرآیند قابل پیشگیری است.

راه حل هایی برای غلبه بر چالش های تولید FR4 Tg بالا
مقابله با این چالش ها نیاز به ترکیبی از تجهیزات پیشرفته، علم مواد و بهینه سازی فرآیند دارد.

1. لامیناسیون: دمای دقیق و کنترل فشار
پریس های پیشرفته: برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، از پریس های لایه بندی کنترل شده توسط کامپیوتر با نظارت بر دمای حلقه بسته (دقت ± 1 ° C) استفاده کنید. گرمایش چند منطقه ای جریان یکنواخت رزین را تضمین می کند.
قبل از درمان رزین: هسته های Tg بالا را قبل از لایه بندی به 100-120 °C گرم کنید تا تغییرات واسکوزیتی را کاهش دهید.
خنک سازی کنترل شده: خنک سازی تدریجی را اجرا کنید (در 150 °C برای 30 دقیقه نگه دارید، سپس 100 °C برای 30 دقیقه) برای به حداقل رساندن استرس و انحراف.

نتیجه: میزان لایه کشی از 5٪ به < 1٪ در تولید حجم بالا کاهش می یابد.

2حفاری: ابزار و پارامترهای تخصصی
قطعات پوشش داده شده الماس: این قطعات بیش از 2 × 3x طول می کشد تا کاربید وولفستم در FR4 با Tg بالا، کاهش تغییرات ابزار و تشکیل burr.
حفاری در پیک: ضربه زدن به حفاری (پیشروی 0.1 میلی متر، عقب نشینی 0.05 میلی متر) باقی مانده را پاک می کند و روغن را 80٪ کاهش می دهد.
بهینه سازی مایعات خنک کننده: برای کاهش اصطکاک و فرسایش ابزار از مایعات خنک کننده محلول در آب استفاده کنید.

نتیجه: کیفیت سوراخ بهبود می یابد، با کاهش اندازه های burr به <5μm (با استاندارد های IPC-A-600 کلاس 3) مطابقت دارد.

3. حکاکی: شیمی و زمان بندی متناسب
تحرک حمام حکاکی: نوزل های اسپری با فشار بالا توزیع یکنواخت حکاکی را تضمین می کنند و کاهش کاهش را به ± 3٪ کاهش می دهند.
حکاکی انطباقی: استفاده از سیستم های مبتنی بر هوش مصنوعی برای نظارت بر نرخ حکاکی در زمان واقعی، تنظیم سرعت کانویر برای جبران تغییرات رزین.
انتخاب مقاومت: استفاده از مقاومت های UV با مقاومت شیمیایی بالاتر برای مقاومت در برابر زمان های حکاکی طولانی تر بدون شکستن.

نتیجه: تغییرات عرض ردیابی به ± 5٪ کاهش می یابد، حتی برای مس 4 اونس.

4ماسک جوش: آماده سازی سطح و خشک کردن
درمان پلاسما: سطوح با Tg بالا را در معرض پلاسما اکسیژن قرار دهید (۱-۲ دقیقه) تا میکرو خشکی ایجاد شود و چسبندگی ماسک جوش را تا ۴۰٪ بهبود بخشد.
فرمولاسیون های ماسک های کم سخت: از ماسک های جوش دهنده طراحی شده برای Tg بالا استفاده کنید، در 150 °C با UV پس از سخت شدن برای جلوگیری از آسیب حرارتی.

نتیجه: پوشش ماسک جوش دهنده به 99.9 درصد افزایش می یابد، بدون لکه های برهنه.

5کنترل کیفیت: بازرسی پیشرفته
بازرسی نوری خودکار (AOI): دوربین های با وضوح بالا (50MP) عیب های لایه کشی، قطع و ماسک جوش را تشخیص می دهند.
بررسی اشعه ایکس: بررسی حفره های داخلی در ویاس ها و لایه ها که برای PCB های صنعتی ولتاژ بالا حیاتی است.
آزمایش چرخه حرارتی: PCB ها را برای ۱۰۰۰ چرخه در معرض ۴۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد قرار دهید تا یکپارچگی لایه بندی را تأیید کنید.

مطالعات موردی واقعی
1تولید کننده کنترل کننده موتور صنعتی
یک تولید کننده کنترل کننده های موتور 480V با 8٪ نرخ جداسازی در PCB های FR4 Tg بالا مبارزه کرد.

علت اصلی: دمای لامیناسیون ناسازگار (± 5 ° C) باعث جریان نامناسب رزین می شود.
راه حل: به یک پرس کنترل شده توسط کامپیوتر با دقت ± 1 °C و هسته های از پیش گرم شده ارتقا یافته است.
نتیجه: از بین بردن لایه ها به 0.5 درصد کاهش یافت و 200 هزار دلار در سال صرفه جویی در کار مجدد شد.

2. تامین کننده PCB شارژر EV
یک سازنده شارژر EV با استفاده بیش از حد از ابزار حفاری (500 بیت / روز) هنگام تولید PCB های Tg بالا مواجه شد.

علت اصلی: قطعات کاربید وولفستم نمی توانستند با سختی Tg ̊ بالا مقابله کنند.
راه حل: به قطعات پوشیده از الماس و حفاری در پیک تبدیل شد.
نتیجه: فرسایش ابزار 60 درصد کاهش یافت (200 بیت در روز) ، کاهش هزینه ابزار 30،000 دلار در سال.

3سازنده تجهیزات توزیع برق
یک سازنده از PCB های 10kV دارای 12 درصد از تخته ها به دلیل ردپای زیرپایی شکست خورده است.

علت اصلی: زمان حکاکی طولانی برای 4 اونس مس باعث کاهش رد می شود.
راه حل: اجرای حکاکی سازگاری مبتنی بر هوش مصنوعی با مقاومت های تحت درمان پلاسما.
نتیجه: کاهش قیمت به 2٪، مطابق با استانداردهای IPC-2221

سوالات عمومی
س: آیا FR4 با TG بالا همیشه برای PCB های صنعتی ضروری است؟
A: نه فقط برای کاربردهایی که بیش از 120 درجه سانتیگراد است. برای محیط های با حرارت پایین (به عنوان مثال تجهیزات اداری) ، استاندارد FR4 مقرون به صرفه تر است.

س: هزینه تولید PCB FR4 Tg بالا در مقایسه با FR4 استاندارد چقدر است؟
A: PCB های Tg بالا به دلیل مواد تخصصی ، زمان چرخه طولانی تر و ابزار 20 ٪ 50٪ بیشتر هزینه می کنند. با این حال ، طول عمر 2 ٪ 3x طولانی تر آنها در استفاده صنعتی سرمایه گذاری را توجیه می کند.

س: آیا PCB های FR4 Tg بالا می توانند مانند FR4 استاندارد بازیافت شوند؟
A: بله، اما محتوای رزین بالاتر نیاز به فرآیندهای بازیافت تخصصی برای جدا کردن فیبرگلاس و اپوکسی دارد. اکثر بازیافت کنندگان صنعتی در حال حاضر خدمات سازگار با Tg بالا را ارائه می دهند.

س: حداکثر تعداد لایه برای PCB های FR4 Tg بالا چیست؟
A: تولید کنندگان پیشرفته PCB های Tg بالا 20+ لایه را برای سیستم های صنعتی پیچیده تولید می کنند (به عنوان مثال ، کنترل کننده های اتوماسیون کارخانه) ، اگرچه تراز لایه بیش از 12 لایه مهم می شود.

س: چگونه برای قابلیت اطمینان PCB FR4 Tg بالا تست می کنید؟
A: آزمایش های کلیدی شامل چرخه حرارتی (-40 °C تا 150 °C) ، شکستن دی الکتریک (تا 10kV) و آزمایش مقاومت خم شده بر اساس استانداردهای IPC-TM-650 است.

نتیجه گیری
PCB های FR4 Tg بالا برای الکترونیک صنعتی ضروری هستند، اما چالش های تولید آنها نیاز به دقت و نوآوری دارند.کاهش فرسایش حفاری با ابزار الماس، و بهینه سازی حکاکی با سیستم های مبتنی بر هوش مصنوعی، تولید کنندگان می توانند PCB های Tg بالا را تولید کنند که نیازهای سختگیرانه محیط های صنعتی را برآورده می کنند.سرمایه گذاری در فرآیندهای تخصصی در کاهش خرابی های زمینه پرداخت می شود، طول عمر طولانی تر تجهیزات و هزینه های مالکیت کل پایین تر برای حفظ رقابت در بازار الکترونیک صنعتی ضروری است.به عنوان سیستم های صنعتی به سمت دماهای بالاتر و تراکم انرژی بیشتر فشار می آورند، تسلط بر تولید FR4 Tg بالا فقط ضروری تر خواهد شد.