كما هو الحال مع الثنائي الباعث للضوء، الذي كان يُستخدم كمصباح مؤشر لعقود، فقد تجاوزت لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) مرحلة الغموض وتطورت بسرعة لتصبح عنصرًا متعدد الوظائف داخل النظام الإلكتروني. ومع ذلك، ومع تطور تكنولوجيا التكامل، تستمر كثافة الطاقة الكلية للمكونات الإلكترونية في الازدياد، ولكن الحجم المادي للمكونات والأجهزة الإلكترونية مصمم ليكون أصغر فأصغر، مما يؤدي إلى زيادة كثافة تدفق الحرارة حول الجهاز، مما يؤثر على أدائه، لذا من الضروري إيجاد طريقة أكثر فعالية لإدارة الموصلية الحرارية. في هذه المدونة، سنركز على الموصلية الحرارية FR4، كونها من أكثر الموصلات استخدامًا. مواد ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
ما هي الموصلية الحرارية؟
تشير الموصلية الحرارية لمادة مثل FR4 إلى مدى فعاليتها في نقل الطاقة الحرارية بالتوصيل. تُقاس هذه الموصلية بمعدل تدفق الحرارة عبر سمك محدد من المادة عند تدرج درجة حرارة معين. وحدات قياس الموصلية الحرارية هي واط/متر-كلفن (W/mK). المواد ذات القيم الأعلى تُوصل الحرارة بسهولة أكبر من العوازل ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. تميل المعادن إلى امتلاك أعلى موصلية حرارية، بينما يقع البلاستيك والسيراميك في الطرف الأدنى من المقياس. لكي تنتقل الحرارة من مصدر حراري إلى مشتت حراري، يجب أن تتمتع المادة بينهما بموصلية حرارية كافية. تُحدد كمية الطاقة الحرارية المتدفقة بين جسمين من خلال كل من التدرج الحراري والخصائص التوصيلية الخاصة لكل منهما. تتدفق الحرارة تلقائيًا من مادة أكثر سخونة إلى مادة أكثر برودة. عند تلامس جسمين بدرجات حرارة مختلفة، تنتشر الطاقة الحرارية من المادة الأكثر سخونة إلى المادة الأقل سخونة. يستمر انتقال الحرارة هذا حتى يتناقص فرق درجة الحرارة ويتحقق التوازن الحراري. تُعدّ إدارة هذا التوصيل الحراري أمرًا بالغ الأهمية في الإلكترونيات لمنع التسخين المفرط للمكونات وضمان الأداء الأمثل. ويُعدّ الجمع بين الآثار الموصلة للحرارة والركيزة العازلة أمرًا أساسيًا في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
الخصائص التقنية للتوصيل الحراري لـ FR4
استخدم FR4 PCB الموصلية الحرارية منخفضة نسبيًا، وتختلف باختلاف النوع والشركة المصنعة. فيما يلي بعض الخصائص التقنية العامة للتوصيل الحراري للوحة FR4 PCB:
- قيمة التوصيل الحراري
تتراوح الموصلية الحرارية لـ FR4 عادةً بين 0.3 و0.4 واط/م·ك (واط/متر-كلفن). وهذه القيمة منخفضة نسبيًا مقارنةً بمواد مثل الألومنيوم أو النحاس، والتي تتمتع بموصلية حرارية أعلى بكثير.
- الموصلية المتباينة الخواص
مادة FR4 متباينة الخواص، أي أن قيم التوصيل الحراري لها تختلف في اتجاهات مختلفة. تكون التوصيلية الحرارية أعلى داخل مستوى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) منها عبر السُمك (خارجه).
- اعتماد درجات الحرارة
تعتمد الموصلية الحرارية لـ FR4 أيضًا على درجة الحرارة. يُظهر FR4 موصلية حرارية تتناقص مع ارتفاع درجة حرارته. هذا الانخفاض في نقل الحرارة بالتوصيل في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة قد يُضعف قدرة FR4 على نشر الحرارة الزائدة وتبديدها.
- مسائل سمك
يؤثر سُمك لوحة FR4 على أدائها الحراري. تتميز لوحات الدوائر المطبوعة السميكة بمقاومة حرارية أعلى نظرًا لطول مسار التوصيل الحراري عبر المادة. هل ترغب بمعرفة كيفية اختيار سُمك لوحة الدوائر المطبوعة؟ تفضل بزيارة مدونتنا الأخرى: https://www.mokotechnology.com/pcb-thickness/
- درجة FR4
تتوفر درجات مختلفة من FR4، وقد تختلف الموصلية الحرارية بينها قليلاً. على سبيل المثال، الموصلية الحرارية العالية (Tg)التحول الزجاجي قد تختلف خصائص المواد FR4 الحرارية قليلاً مقارنة بـ FR4 القياسية.
- القيود
نظرًا لانخفاض موصليته الحرارية نسبيًا، قد لا يكون FR4 مناسبًا للتطبيقات ذات الطاقة العالية أو درجات الحرارة المرتفعة، حيث يكون تبديد الحرارة بكفاءة بالغ الأهمية. في مثل هذه الحالات، يُفضّل استخدام مواد بديلة ذات موصلية حرارية أعلى، مثل لوحات الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية أو الركائز الخزفية.
ابحث عن أفضل FR4 المصنوعة يدويًا
ما هي العوامل التي تؤثر على التوصيل الحراري لـ FR4 PCB؟
تتطلب الموصلية الحرارية للوحة الدوائر المطبوعة اهتمامًا كبيرًا من الشركات المصنعة، لأنها تحدد كيفية مجلس الكلور يمكن أن تنقل الحرارة إلى مكونات أخرى. كما نعلم جميعًا، تتكون لوحة الدوائر المطبوعة من مكونات إلكترونية وعوازل ومواد موصلة، وتختلف الموصلية الحرارية باختلاف المكونات والمواد. بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من العوامل التي تؤثر على الموصلية الحرارية للوحة FR4:
فيا الحرارية
الفتحات الحرارية هي ثقوب تُوضع على لوحات الدوائر المطبوعة، ولها دور حيوي في تبديد الحرارة. وبشكل عام، يُحسّن وجود فتحات حرارية أكثر في لوحة الدوائر أداء التوصيل الحراري، إذ توفر هذه الفتحات مساحات أكبر لتصريف حرارة لوحات الدوائر. مكونات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
آثار النحاس في ثنائي الفينيل متعدد الكلور
تُعد آثار النحاس عاملاً هاماً آخر يؤثر على الموصلية الحرارية. يعتمد أداء الموصلية الحرارية في الواقع على اكتمال الآثار، أي اتصالها من طرف إلى آخر. تكون الموصلية الحرارية عالية إذا كانت الآثار مكتملة، ومنخفضة إذا انقطعت.
الطبقات الداخلية
الطبقة الداخلية عامل مؤثر في تبديد حرارة لوحات الدوائر. ستنخفض الموصلية الحرارية عند وجود طبقات داخلية كثيرة، والعكس صحيح.
إدارة التوصيل الحراري للوحة الدوائر المطبوعة FR4
تُعد إدارة التوصيل الحراري أمرًا بالغ الأهمية للوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من FR4، إذ تؤثر على أدائها وموثوقيتها وعمرها الافتراضي. فبدون إدارة الحرارة، قد تواجه لوحات الدوائر المطبوعة مشاكل مثل الترقق أو التلف أو تعطل الجهاز. لحسن الحظ، توجد عدة طرق لإدارة التوصيل الحراري بفعالية. سنشرحها في هذه المدونة من جانبين:
تصميم PCB بشكل أفضل
تعتبر الموصلية الحرارية أحد العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند تصميم PCB، وفيما يلي بعض النصائح لتصميم PCB أفضل:
أولًا، عند تصميم لوحة دوائر مطبوعة، يُفضّل فصل موصلات الطاقة العالية عن موصلات الإشارة. ويمكننا إدخال المزيد من فتحات التوصيل الحراري على طول المسار الحراري. يمكن أن تكون هذه الفتحات مطلية أو غير مطلية، مما يُسهّل دوران الهواء وتبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ مصفوفة الفتحات الحرارية المناسبة مفيدة جدًا في تقليل المقاومة الحرارية وتحسين أداء تبديد الحرارة.
ثانيًا، نقترح زيادة المسافة بين المسارات للحصول على توزيع حراري أكثر اتساقًا بين الطبقات، مما يقلل من خطر تكوّن بقع ساخنة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة غير مناسبة للوحات الدوائر المطبوعة صغيرة الحجم.
ثالثًا، يُعدّ شكل المسارات عاملًا مهمًا يجب مراعاته أثناء التصميم. يجب أن تكون المسارات التي تربط المكونات قصيرةً وعريضةً قدر الإمكان، ويجب أن تستخدم المسارات التي تُمرّر تيارات عالية نحاسًا سميكًا. إذا كانت المسارات صغيرةً جدًا، فهناك احتمالٌ لتعطل المكونات الإلكترونية.
تضمين سلك النحاس في PCB FR4
تتبع شركة موكو تكنولوجي نهجًا مختلفًا مع تقنية "HSMtec". هذه التقنية، المؤهلة وفقًا لمعياري DINEN60068-2-14 وJEDECA101-A، والخاضعة للتدقيق في مجال الطيران والسيارات، انتقائية: حيث لا يُستخدم النحاس السميك إلا في الأماكن التي يُفترض أن تتدفق فيها تيارات عالية عبر لوحة الدوائر المطبوعة.
اكتشف كيفية اختيار مجموعة PCB المناسبة لمشروعك
تتوفر حاليًا مقاطع بسمك 500 ميكرومتر، بعرض يتراوح بين 2.0 مم و12 مم، بأطوال مختلفة، مع أسلاك بقطر 500 ميكرومتر. يمكن تركيب عناصر النحاس الصلبة، الملتصقة بإحكام بأنماط الموصلات، مباشرةً على النحاس الأساسي باستخدام تقنية التوصيل بالموجات فوق الصوتية، ودمجها في أي طبقة من الطبقات المتعددة باستخدام مادة FR4 الأساسية. هناك عدة أسباب لاستخدام النحاس: فهو يتمتع بضعف الموصلية الحرارية مقارنةً بالألومنيوم، مما يضمن تبديدًا سريعًا للحرارة دون الحاجة إلى عزل الطبقات الوسيطة أسفل وسادة تسخين LED.
| الخامة | الموصلية الحرارية λ [W / mk] |
| النحاس RA | 300 |
| سبائك الألومنيوم | 150 |
| لحم | 51 |
| سيراميك (LED) | 24 |
| FR4 | 0.25 |
| الهواء (الراحة) | 0.026 |
الجدول 1: التوصيل الحراري للمواد المعنية
ميزة أخرى للنحاس ومادة قاعدة لوحة الدائرة FR4 هي خصائص التمدد الحراري (الجدول 2): خاصة فيما يتعلق بمصابيح LED الخزفية، تتمتع لوحات الدائرة القائمة على النحاس أو FR4 بمقاومة عالية للإجهادات الحرارية، والتي تعتمد على الظروف البيئية أو التشغيلية ودورات درجة الحرارة الأخرى، مثل عناصر التحكم في الإضاءة "الذكية".
| الخامة | معامل التمدد [جزء في المليون / كلفن] |
| الألومنيوم | 24 |
| لحم | تقريبا. 22 |
| copper | 16 |
| FR4 | 13-17 |
| Al2O3 (LED) | 7 |
| AlN (LED) | 4 |
الجدول 2: معامل التمدد الحراري في اتجاه X / Y
بهذه الطريقة، يمكن زيادة عمر وموثوقية وحدة الإضاءة بأكملها بشكل كبير مقارنةً بلوحة الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية التقليدية القائمة على الألومنيوم.
الخاتمة
FR4 مادة شائعة الاستخدام في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) نظرًا لاقتصادها وخصائصها الممتازة التي يمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة. ولكن بالمقارنة مع المواد الأخرى، فإن أداءها في التوصيل الحراري أقل. لذلك، من الضروري أن يفهم المصنعون خصائص التوصيل الحراري لـ FR4 وأن يتعلموا كيفية إدارتها، مما يساعدهم ليس فقط على خفض التكلفة، بل أيضًا على تحسين جودة منتجاتهم. إذا كانت لديكم أي أسئلة حول إدارة الحرارة لـ FR4 PCB، يمكنكم زيارة تكنولوجيا موكو للحصول على الجواب.
