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 كفاءتها في نقل الطاقة الحرارية بالتوصيل. ويتم قياسها بمعدل تدفق الحرارة عبر سُمك محدد من المادة عند تدرج حراري معين. ووحدة قياس الموصلية الحرارية هي واط لكل متر-كلفن (W/mK). المواد ذات القيم الأعلى تُوصل الحرارة بسهولة أكبر من المواد العازلة ذات الموصلية الحرارية الأقل. تميل المعادن إلى امتلاك أعلى موصلية حرارية، بينما تقع المواد البلاستيكية والخزفية في الطرف الأدنى من المقياس. لكي تنتقل الحرارة من مصدر حراري إلى مُشتت حراري، يجب أن تتمتع المادة بينهما بموصلية حرارية كافية. تتحدد كمية الطاقة الحرارية المتدفقة بين جسمين بتدرج درجة الحرارة والخصائص الموصلة لكل مادة. تتدفق الحرارة تلقائيًا من المادة الأكثر سخونة إلى المادة الأبرد. عندما يتلامس جسمان بدرجتي حرارة مختلفتين، تنتشر الطاقة الحرارية من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأبرد. يستمر انتقال الحرارة هذا حتى يقل فرق درجة الحرارة ويتحقق التوازن الحراري. تُعدّ إدارة توصيل الحرارة أمرًا بالغ الأهمية في الإلكترونيات لمنع ارتفاع درجة حرارة المكونات بشكل مفرط وضمان الأداء السليم. ويُعتبر الجمع بين المسارات الموصلة حراريًا والركيزة العازلة اعتبارًا أساسيًا في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
إليكم معادلة التوصيل الحراري:
K = (Q × L) / (A × ΔT)
أين:
| رمز | معنى | وحدة |
| K | الموصلية الحرارية للمادة | W / م · ك |
| Q | معدل تدفق الحرارة عبر المادة | واط (W) |
| L | سمك المادة | متر (م) |
| A | مساحة المقطع العرضي التي يتدفق عبرها الحرارة | متر مربع |
| Δ ت | انخفاض درجة الحرارة عبر المادة | كلفن (K) |
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 غير متجانسة الخواص، مما يعني أن لها قيم توصيل حراري مختلفة في اتجاهات مختلفة.
التوصيل في المستوى (محور س - ص): يتدفق الحرارة على طول مسارات ألياف زجاجية متصلة نسبياً، مما يحقق توصيلاً أكثر كفاءة.
التوصيل عبر المستوى (المحور Z): يجب أن تنتقل الحرارة عبر طبقات متعددة من الراتنج وواجهات الراتنج والألياف. تولد كل طبقة مقاومة حرارية، مما يعيق تدفق الحرارة بشدة.
تُعدّ هذه الخاصية مهمة وتتطلب عناية خاصة أثناء عملية التصميم الحراري للوحات الدوائر المطبوعة، إذ يجب أن تتجاوز أساليب الإدارة الحرارية الفعّالة عائق التوصيل الحراري عبر اللوحة. على سبيل المثال، تقصير مسار نقل الحرارة، وهو ما يرتبط بتقليل سُمك اللوحة، أو توفير قناة ذات مقاومة منخفضة، مثل الثقوب الحرارية.
- 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.
ابحث عن أفضل FR4 المصنوعة يدويًا
6 طرق مثبتة لتحسين إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة FR4
يتميز FR4 بموصلية حرارية منخفضة، لذا لا تستطيع الركيزة نفسها توصيل الحرارة بكفاءة. إليك ست طرق فعالة لتحسين إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من FR4.
الطريقة الأولى: الوصلات الحرارية
تُعدّ هذه إحدى أكثر الطرق فعاليةً للتحكم في الحرارة داخل لوحة الدوائر المطبوعة FR-4. الثقوب الحرارية عبارة عن فتحات صغيرة مطلية بالنحاس، حيث يمكن نقل الحرارة عموديًا عبر طبقات لوحة الدوائر المطبوعة من خلالها. تُشكّل هذه الثقوب قنوات حرارية مباشرة، مما يُخفّض درجة حرارة المناطق الحساسة والحرجة بشكل كبير، لتصل إلى 10-20 درجة مئوية.
تتراوح أقطار هذه الوصلات الحرارية بين 0.3 و 0.5 مم، وتبلغ المسافة بينها من 1 إلى 1.5 مم. وعند ترتيبها على شكل شبكة، يكون ذلك أكثر فعالية من الوصلات المعزولة في إدارة الحرارة. ويمكن ملء ثقوبها بمادة إيبوكسية موصلة أو نحاس، مما يعزز توصيلها الحراري. وتُوضع هذه الوصلات الحرارية مباشرةً أسفل أو بالقرب من مكونات عالية الطاقة، مثل ترانزستورات الطاقة أو الدوائر المتكاملة.
الطريقة الثانية: صب النحاس والتسوية
في تصميم الدوائر المطبوعة الحرارية، يمكن أن تعمل طبقات النحاس الكبيرة، أو طبقات الطاقة/الأرضي، كموزعات حرارية فعالة. يتميز النحاس بموصلية حرارية عالية، تبلغ حوالي 400 واط/متر.كلفن، مقارنةً بمادة FR-4 التي تتراوح موصليتها الحرارية بين 0.3 و0.8 واط/متر.كلفن.
لوحة الدوائر المطبوعة جomponents تُولّد هذه العملية حرارةً تنتقل عبر لوحة الدوائر المطبوعة إلى طبقة النحاس، وتنتشر بسرعة في جميع أنحاء اللوحة. ويؤدي هذا التوزيع الجديد للبؤر الساخنة الموضعية في منطقة أوسع إلى تقليل تدفق الحرارة. في التصميم العملي، تُحقق إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من مادة FR4 عادةً من خلال إنشاء طبقات أرضية أو طاقة متصلة وواسعة المساحة، بالإضافة إلى تصميم الوصلات الحرارية.
الأسلوب 3مواد التوصيل الحراري
مواد التوصيل الحراري (TIMs) هي مواد اقتصادية تُستخدم لتعزيز التوصيل الحراري لأسطح التلامس. قد تبدو أسطح التلامس بين جزأين مسطحة للوهلة الأولى، ولكن في الواقع، توجد شقوق أو مسامات دقيقة. يملأ الهواء هذه الفراغات، وهو موصل رديء للحرارة. تستخدم مواد التوصيل الحراري مادة ذات توصيل حراري أعلى من الهواء لملء هذه الفراغات.
تتوفر أجهزة قياس الوقت في السوق بأنواع مختلفة. ومن الأنواع الشائعة ما يلي:
- الأشرطة الحرارية
- الشحوم/المعجون الحراري
- المواد الهلامية الحرارية/المواد اللاصقة
- وسادات حرارية
الطريقة الرابعة: تضمين سلك نحاسي في لوحة الدوائر المطبوعة 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.
الأسلوب 5: النشطه تقنيات التبريد
يمكن للمراوح أن تعزز حركة الهواء فوق مجلس الكلور وتعزيز انتقال الحرارة بالحمل. عمليًا، يمكن لمروحة صغيرة أن تخفض درجة حرارة المكونات بحوالي 20 إلى 30 درجة مئوية. تعمل أنظمة التبريد السائل بشكل أفضل مع المعدات عالية الطاقة.
الأسلوب 6: التحويل إلى مستوى عالٍ ملابس حرارية ركيزة موصلة
أحيانًا، لا يكون الحل الأمثل هو محاولة تجاوز القيود الحرارية لمادة FR4، بل استبدالها. تتميز مادة FR4 القياسية بموصلية حرارية منخفضة، بينما تتميز مادة FR4 ذات درجة حرارة التحول الزجاجي العالية بموصلية حرارية أعلى نسبيًا ومقاومة أكبر للإجهاد الناتج عن دورات التغير الحراري.
إلى جانب مادة FR4، يُمكن اختيار مواد أخرى ذات موصلية حرارية عالية. ومن المهم معرفة متى يتم اتخاذ هذا القرار، تمامًا كأي تقنية تصميم أخرى. تجدون أدناه جدولًا توضيحيًا.
| الخامة | التوصيل الحراري | التكلفة النسبية |
| معيار FR4 | 0.3 – 0.4 واط/متر·كلفن | منخفض |
| ارتفاع تيراغرام FR4 | حتى 0.8 واط/م·ك | منخفض-متوسط |
| الامونيوم | 150 – 230 واط/م·ك | متوسط |
| النحاس | 400 واط / م · ك | متوسطة إلى عالية |
| الألومينا (Al₂O₃) | 24 – 30 واط/م·ك | مرتفع |
| نيتريد الألومنيوم (AlN) | 170 – 250 واط/م·ك | عالي جدا |
| روجرز لامينيت | 0.7 – 1.7 واط/متر·كلفن | مرتفع |
الأسئلة الشائعة
ما هو cمعامل tهيرمال eتوسيع (CTE) لـ FR4؟
معامل التمدد الحراري للمادة FR4 ليس هو نفسه في الاتجاهين XY و Z وهو كما يلي:
اتجاه XY: ~14–18 جزء في المليون/درجة مئوية
الاتجاه Z: ~70–100 جزء في المليون/درجة مئوية
ما هي الموصلية الحرارية للنحاس في لوحات الدوائر المطبوعة؟
بالمقارنة مع FR4، يتمتع النحاس بموصلية حرارية أعلى بكثير تبلغ حوالي 400 واط/م·ك.
ما هي الخصائص الميكانيكية الرئيسية لمادة FR4؟
تشمل الخصائص الميكانيكية الأساسية قوة الشد، وقوة الانحناء، والاستقرار البُعدي الممتاز.
ابحث عن . FR-4 ثنائي الفينيل متعدد الكلورs?
تُصنع لوحات الدوائر المطبوعة FR4 من رقائق الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية المقاومة للهب. وهي توفر عزلًا كهربائيًا وقوة ميكانيكية وكفاءة من حيث التكلفة.
ما هي الأنواع المختلفة لمواد FR4؟
تأتي مواد FR4 في أنواع مختلفة، بما في ذلك FR4 الخالي من الهالوجين، وFR4 القياسي، وFR4 ذو درجة حرارة التحول الزجاجي العالية.
خاتمة
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.
