درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg) في مواد PCB: لماذا هي مهمة وكيفية اختيار النوع المناسب

مقدمة

في عالم تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وهندسة المواد، تُعدّ درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg) مفهومًا أساسيًا. اختيار درجة حرارة انتقال الزجاج المناسبة للصفائح أو المواد المُشبّعة مسبقًا يُحدّد الفرق بين لوحة موثوقة وأخرى تتشوّه أو تتقشر أو تتلف تحت الضغط الحراري. في هذه المقالة، ستفهم معنى درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg) بوضوح، وكيف تؤثر على موثوقية لوحات الدوائر المطبوعة، وكيفية قياسها، بالإضافة إلى نصائح عملية لاختيار فئة درجة حرارة انتقال الزجاج المناسبة لتطبيقك.

1. ما هي درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg)؟

1.1 التعريف الأساسي والمنظور الجزيئي

درجة حرارة انتقال الزجاج، والتي يُشار إليها عادةً بـ Tg، هي نطاق درجة الحرارة الذي ينتقل فيه البوليمر غير المتبلور (أو شبه المتبلور) من حالة صلبة "زجاجية" (صلبة) إلى حالة أكثر ليونة، شبيهة بالمطاط، أو أكثر حركة. تحت Tg، تكون السلاسل الجزيئية في مصفوفة البوليمر "متجمدة" فعليًا - فلا يمكنها إعادة ترتيب نفسها بحرية. مع ارتفاع درجة الحرارة خلال Tg، تبدأ أجزاء السلسلة المحلية بالتحرك، مما يزيد الحجم الحر، وينخفض ​​معامل المرونة، ويزداد التمدد الحراري.

نظرًا لأن Tg هي ظاهرة حركية، وليست انتقال طوري حراري حاد، فإن نقطتها الدقيقة تعتمد على معدلات التسخين/التبريد، وطريقة القياس، ودرجة معالجة البوليمر.

1.2 الحالات الزجاجية مقابل المطاطية مقابل السائلة

• أقل من Tg: المادة صلبة، هشة، مستقرة الأبعاد، وتتصرف مثل الزجاج.
• بالقرب من Tg: يتغير معامل المرونة والتمدد الحراري بسرعة.
• فوق Tg (ولكن تحت التحلل/الانصهار): تصبح المصفوفة أكثر مرونة، وتتمتع السلاسل الجزيئية بقدرة أكبر على الحركة، وتتصرف المادة بشكل أكثر "مطاطية".

تكون درجة حرارة Tg دائمًا أقل من درجة حرارة الانصهار (Tm) للمجالات شبه البلورية، عندما تكون موجودة.

في سياق PCB، فإن تجاوز Tg لا "يذيب" الركيزة، ولكنه قد يؤدي إلى تدهور الصلابة الميكانيكية وزيادة التوسع بشكل كبير.

2. أهمية Tg لألواح الدوائر المطبوعة: الاستقرار، والإجهاد، والموثوقية

إن Tg في PCB هو أكثر من مجرد رقم، فهو يحدد كيفية تصرف المادة المركبة (الزجاج + الإيبوكسي + النحاس) تحت الدورات الحرارية، واللحام، والتشغيل على المدى الطويل.

2.1 التمدد الحراري وعدم التوافق بين الإجهاد

تحت درجة حرارة Tg، يكون معامل التمدد الحراري (CTE) لمصفوفة الإيبوكسي/الزجاج متواضعًا نسبيًا ومُتحكمًا فيه إلى حد ما. ولكن مع اقتراب درجة الحرارة من Tg، قد يرتفع معامل تمدد الإيبوكسي. ولأن تسليح النحاس والألياف الزجاجية يُقيّد التمدد جزئيًا، فإن جزءًا كبيرًا من إجهاد التمدد ينتقل إلى اتجاه المحور Z (السُمك) ومنطقة الثقب العابر (PTH).

إذا كانت اللوحة تدور بشكل متكرر فوق Tg، فإن الإجهاد المتراكم يمكن أن يؤدي إلى انفصال الطبقات، أو تشققات في الفتحات، أو كسر الطلاء.

2.2 الاستقرار والانحناء البعدي

تميل المواد عالية Tg إلى أن تكون أكثر ثباتًا أبعاديًا تحت ضغط درجات الحرارة العالية. قد تتشوه الألواح المصنوعة من راتنجات Tg منخفضة أو تزحف تحت ضغط حراري مرتفع ممتد. ويمثل هذا مشكلة خاصة في تصميمات HDI (الوصلات عالية الكثافة) أو تصميمات الدرجات الدقيقة، حيث قد يؤدي التشوه الطفيف إلى عدم محاذاة المسارات أو المكونات.

2.3 الموثوقية أثناء اللحام والتجميع

أثناء لحام إعادة الصهر أو اللحام الموجي، قد تظهر بقع ساخنة موضعية على لوحات الدوائر المطبوعة تتجاوز 150 درجة مئوية أو أكثر. إذا كانت درجة حرارة التصلب الحراري (Tg) منخفضة جدًا، فقد تلين أجزاء من اللوحة أو تتشوه أثناء التجميع، مما يؤدي إلى تسجيل خاطئ، أو انفصال الطبقات، أو تحولات في الدائرة. توفر درجة حرارة التصلب الحراري المرتفعة حاجزًا أثناء الإجهاد الحراري الشديد الناتج عن اللحام.

2.4 الشيخوخة والتدهور على المدى الطويل

بمرور الوقت، تخضع البوليمرات للشيخوخة الميكانيكية والحرارية والكيميائية. غالبًا ما يرتبط ارتفاع Tg بتحسن الاستقرار الحراري وتباطؤ التحلل في درجات الحرارة المرتفعة، وهو أمر مفيد بشكل خاص في الإلكترونيات عالية الموثوقية وطويلة العمر.

3. قياس Tg: الأساليب والاختلافات والمزالق

نظرًا لأن Tg أمر شخصي إلى حد ما (يعتمد على القياس)، فبالنسبة لصفائح PCB، سترى عادةً قيمًا يتم تحديدها بواسطة طريقة واحدة أو أكثر من الطرق التالية:

3.1 DSC (قياس السعرات التفاضلية بالمسح)

• يقيس تدفق الحرارة أثناء تسخين العينة.
• ترى "خطوة" في السعة الحرارية حول Tg.
• يتم الإشارة إليه غالبًا باعتباره نقطة المنتصف لهذه الخطوة.
• الميزة: موحدة بشكل جيد (ASTM E1356، الخ).
• تحذير: حجم العينة صغير، ولا يقيس السلوك الميكانيكي أو التغيير الأبعادي بشكل مباشر.

3.2 DMA (التحليل الميكانيكي الديناميكي)

• يقيس معامل المرونة الميكانيكي (معامل التخزين/الخسارة) كدالة لدرجة الحرارة/التردد.
• يتم أخذ Tg في أغلب الأحيان عند ذروة معامل الخسارة أو tanδ.
• يتوافق بشكل أفضل مع الأداء الميكانيكي (انخفاض الصلابة).
• يمكن للترددات المختلفة أن تؤدي إلى تحويل Tg المرصودة.

3.3 TMA (التحليل الحراري الميكانيكي) / قياس التمدد TMA

• يقيس التغير في الأبعاد (التوسع) مقابل درجة الحرارة، ويكتشف التغيير في المنحدر عند Tg.
• يلتقط سلوك التوسع المادي بدلاً من تدفق الحرارة أو معامل المرونة الميكانيكي.

نظرًا لأن هذه الطرق تقيس ظواهر مختلفة (تحول السعة الحرارية مقابل معامل المرونة مقابل التمدد)، فإن قيم Tg المبلغ عنها يمكن أن تختلف بمقدار 10-20 درجة مئوية أو أكثر لنفس المادة.

بالإضافة إلى ذلك، يعتمد Tg على:

• درجة المعالجة - سيظهر الراتينج غير المعالج درجة Tg أقل.
• معدلات التدفئة / التبريد - المعدلات الأسرع تحول Tg إلى الأعلى.
• تاريخ العينة ومحتوى الرطوبة - يعمل الماء كملين ويخفض Tg.

4. اختيار Tg لتصميم PCB: الإرشادات والمقايضات

عند اختيار Tg للوحة، يجب عليك الموازنة بين الموثوقية والأداء والتكلفة.

4.1 هامش القاعدة العامة

من الإرشادات الشائعة اختيار قيمة Tg أعلى بمقدار ٢٠-٣٠ درجة مئوية من أعلى درجة حرارة تشغيل لجهازك. هذا يوفر حماية من الارتفاعات الحرارية المفاجئة، أو الانحراف الحراري، أو عدم اليقين في القياس.

على سبيل المثال، إذا كان جهازك قادرًا على الوصول إلى 125 درجة مئوية، فقد تبحث عن Tg لا يقل عن 155–160 درجة مئوية.

4.2 نطاقات Tg القياسية والمتوسطة والعالية

• معيار FR-4: تيراغرام ~ 130-140 درجة مئوية
• منتصف درجة الحرارة: ~150–160 درجة مئوية (غالبًا ما تستخدم عندما تكون هناك حاجة إلى أداء حراري معتدل)
• درجة حرارة عالية: ≥ 170–180 درجة مئوية أو أكثر

4.3 المقايضات والتحذيرات

• التكلفة: تعتبر الراتنجات ذات Tg الأعلى أكثر تكلفة وقد تتطلب معالجة أكثر دقة (التحكم في درجة حرارة المعالجة، والمعالجة).
• الالتصاق/المتانة: مع زيادة Tg، قد يصبح البوليمر أكثر هشاشة، مما يقلل من متانته أو التصاقه (خاصةً التصاق النحاس بالصفائح) تحت تأثير الصدمات أو الإجهاد الميكانيكي. يُحذر بعض الموردين من أن ارتفاع Tg قد يُقلل من قوة الالتصاق.
• تعقيد العملية: قد تتطلب راتنجات Tg الأعلى أوقات معالجة أطول، أو تحكمًا أكثر صرامة في درجة الحرارة، أو تكديسًا مسبقًا أكثر دقة لتجنب الانفصال أثناء الترقق.
• التوافق مع المواد الأخرى: لا يزال عدم التوافق بين التمدد الحراري والنحاس أو الطبقات الأخرى أمرًا بالغ الأهمية.

5. أوضاع الفشل والتخفيف: عند تجاوز Tg

فيما يلي بعض الطرق التوضيحية التي يمكن أن تسوء بها الأمور عندما لا يتم احتساب Tg بشكل صحيح - وكيفية التخفيف من ذلك:

5.1 التقشر وفشل الواجهة

إذا تجاوزت المساحات الموضعية في اللوح Tg أثناء التشغيل أو إعادة الصهر، فإن مصفوفة الراتنج تلين وقد يضعف الرابط بين الطبقات. ستؤدي الدورات المتكررة إلى إجهاد الواجهة وانفصال الطبقات. وهذا أمر محفوف بالمخاطر بشكل خاص بالقرب من الحواف أو الفتحات أو الفتحات.

التخفيف: استخدام أنظمة الراتنج ذات Tg أعلى وخصائص التصاق قوية؛ تصميم للزيادة التدريجية في التصفيح؛ تجنب التدرجات الحرارية الشديدة.

5.2 تشقق الثقب المطليّ (PTH) / فشل تقشير النحاس

قد يُسبب عدم تطابق التمدد (خاصةً على المحور Z) فوق Tg إجهادًا على طلاء النحاس. مع مرور الوقت، قد تتشكل شقوق في الطلاء أو البرميل.

التخفيف: تأكد من أن هامش Tg يغطي الانحرافات الحرارية المتوقعة؛ قم بالتحسين من خلال الهندسة (حلقة حلقية، نسبة العرض إلى الارتفاع)؛ استخدم التشطيب البرميلي أو التعزيز إذا لزم الأمر.

5.3 التشويه والتسجيل الخاطئ

قد تتشوه الألواح التي تلين بالقرب من Tg أو تظهر عليها أعراض الزحف. في الألواح ذات الانحدار الدقيق أو HDI، حتى التشوه الطفيف قد يُسبب عدم محاذاة الفتحات أو كرات BGA أو الفتحات الدقيقة.

التخفيف: استخدام طبقات متراكمة من الصفائح الأكثر صلابة، وفرض طبقات متماثلة، واختيار Tg عالية في الطبقات الحرجة، والحد من تدرجات درجات الحرارة أثناء المعالجة.

5.4 الشيخوخة التراكمية تحت الحرارة العالية

حتى لو لم تتجاوز اللوحة Tg بشكل متكرر، فإن التشغيل بالقرب من Tg لفترات طويلة يؤدي إلى تسريع الشيخوخة، واللين، والتشقق الدقيق.

التخفيف: توفير الإدارة الحرارية، أو خفض الارتفاعات، أو تحديد Tg أعلى بكثير من درجات الحرارة المتوقعة على المدى الطويل.

الأسئلة الشائعة: أسئلة شائعة حول Tg في مواد PCB

خاتمة

• Tg منطقة انتقال ديناميكية، وليست حدودًا حادة. تختلف قيم Tg باختلاف طرق القياس.
• في لوحات الدوائر المطبوعة، تحدد Tg المنطقة التي تبدأ فيها مصفوفة الراتنج في التليين والتوسع بسرعة أكبر، مما قد يؤدي إلى توليد ضغط على الفتحات والنحاس والواجهات.
• اختر دائمًا هامش Tg (20–30 درجة مئوية أو أكثر) مقابل أعلى درجة حرارة متوقعة.
• توفر الراتنجات ذات Tg العالية فوائد كبيرة (الاستقرار الأبعادي، والتمدد المنخفض، ومقاومة الإجهاد الحراري)، ولكنها تأتي مع التكاليف، وتعقيد المعالجة، والمقايضات (الصلابة، الالتصاق).
• يأخذ تصميم PCB المنظم جيدًا في الاعتبار Tg إلى جانب CTE، والتراكم، وتخطيط المسار، والدورة الحرارية.