مع تحوّل الصناعة عالميًا إلى اللحام الخالي من الرصاص، تواجه مواد FR-4 التقليدية تحديات جديدة في الحرارة والموثوقية. ولمقاومة درجات إعادة الانصهار الأعلى، انتقل معظم مصنّعي رقائق الدارات المطبوعة من أنظمة التصلّب بـ الثنائي سياندي أميد (DICY) إلى عوامل تصلّب فينولية أو بدائل أخرى. هذه المواد الجديدة من FR-4 الخالي من الرصاص لا تغيّر السلوك الحراري فحسب، بل تؤثّر أيضًا في الخصائص العازلية—وخاصة عند الترددات العالية.
تتعمّق هذه التدوينة التقنية في كيفية تأثير أنظمة التصلّب على الأداء الكهربائي لـ FR-4 الخالي من الرصاص، مع مقارنة المواد المصلّبة بـ DICY، والمصلّبة بالفينول، والمواد المعدّلة غير الـ DICY/غير الفينولية، واستكشاف أدائها في تطبيقات السرعات العالية وترددات RF.
التحوّل في أنظمة التصلّب لمادة FR-4 الخالية من الرصاص
- أنظمة DICY (تقليدية): توفّر ثابت عزل منخفض Dk وعامل تبديد منخفض Df—وهو ما يناسب سلامة الإشارة.
- الأنظمة الفينولية: تمنح ثباتًا حراريًا أفضل ومقاومة أعلى للتطبّق، لكنها تُظهر فواقد عازلية أعلى عند الترددات العالية.
- أنظمة معدّلة غير DICY/غير فينولية: طُوّرت لتحقيق Tg عالٍ مع أداء كهربائي فائق عالي التردد يدعم عمليات اللحام الخالي من الرصاص.
وعلى الرغم من أنّ الأنظمة الفينولية تلبي متطلبات الحرارة لعمليات اللحام الخالي من الرصاص، إلا أنّ كيمياء الراتنج المختلفة تؤدي غالبًا إلى قيم Df أعلى من مواد DICY. وعند الترددات المنخفضة يكاد الفرق لا يُذكر، لكن مع ارتفاع التردد إلى نطاق الجيجاهرتز، تصبح هذه الفروق مؤثرة جدًا في التحكم بالممانعة وسلامة الإشارة.
مقارنة الأداء الكهربائي
الجدول 6.8 يقارن خمس مواد FR-4:
- A، C: FR-4 مصلّب بـ DICY (تقليدي).
- B، D: FR-4 مصلّب بالفينول ومتوافق مع الخلو من الرصاص.
- E: FR-4 معدّل خالٍ من الرصاص (غير DICY/غير فينولي).
ضمن طرق اختبار ومحتوى راتنج متماثلين، تُظهر النتائج ما يلي:
- المواد المصلّبة بالفينول تمتلك Df أعلى من نظيراتها المصلّبة بـ DICY عند الترددات العالية.
- المادة E تضاهي أو تتفوّق على الأداء الحراري للمواد الفينولية، ومع ذلك تحقق Dk وDf أقل—بل وتتفوّق على FR-4 التقليدي المصلّب بـ DICY.
- يدل ذلك على أنّ تحسين نظام الراتنج يمكن أن يجمع بين الثبات الحراري الممتاز والخصائص العازلية المحسّنة في FR-4 الخالي من الرصاص.
وبما أنّ القياسات العازلية تتأثر بطريقة القياس ومحتوى الراتنج ونوع التسليح الزجاجي، فإن الاتجاه النسبي في الجدول 6.8 أكثر دلالة من القيم المطلقة.
سلوك Dk وDf عند الترددات العالية
تكشف اختبارات الرنان التجويفي المنفصل عن اتجاهات واضحة عند الترددات العالية:
- مواد FR-4 الخالية من الرصاص ذات التصلّب الفينولي تُظهر Dk وDf أعلى من FR-4 عالي Tg المصلّب بـ DICY فوق عدة جيجاهرتز.
- الأنظمة الفينولية تُظهر مدًى أوسع لقيم Df، ما يشير إلى اعتماد أكبر على صيغة الراتنج.
- المواد غير DICY/غير فينولية تُظهر Df أقل وأكثر استقرارًا مع انخفاض طفيف في Dk—وهي مثالية لتصاميم السرعات العالية وRF المتوافقة مع اللحام الخالي من الرصاص.
خلاصة القول: كلما ارتفع التردد، أصبحت الفوارق الصغيرة في Dk/Df حاسمة لضبط الممانعة، وتقليل الفاقد، والتحكم في EMI.
تأثير محتوى الراتنج والصيغة على Dk
يوفّر الجدول 6.9 بيانات Dk (بين 2–5 جيجاهرتز) لمادة FR-4 فينولية واحدة مع اختلاف محتوى الراتنج والصيغ:
- زيادة محتوى الراتنج تخفّض عادة القيمة الكلية لـ Dk لأن راتنج الإيبوكسي أقل عزلية من الألياف الزجاجية.
- اختلاف الصيغ يؤدي إلى تغيرات ملحوظة في Dk بسبب كثافة التشابك والبنية البوليمرية.
- لضبط الممانعة بدقة، يجب على المصممين الاعتماد على قيم التركيب المضغوط الفعلية (توزيع الراتنج ونوع نسج الزجاج)، لا على أرقام النشرات فقط.
سلوك الفواقد العازلية للمواد الفينولية
يعرض الجدول 6.10 قيم Df (2–5 جيجاهرتز) لنفس الصيغ الفينولية:
- Df يميل للارتفاع قليلًا مع زيادة التردد.
- تغيّر محتوى الراتنج يسبب فروقًا واضحة في Df، ما يبرز دور البنية المجهرية للراتنج في خسائر الاستقطاب.
- لتطبيقات مثل DDR5 وPCIe Gen5/6 وWi-Fi عند 5 جيجاهرتز، يصبح اختيار FR-4 منخفض Df (ومتوافق مع الخلو من الرصاص) أساسيًا للحفاظ على سعة الإشارة وفتح مخطط العين.
المواد غير DICY/غير فينولية عند 10 جيجاهرتز
تلخّص الجداول 6.11 و6.12 بيانات مواد معدّلة غير DICY/غير فينولية عند 10 جيجاهرتز:
- تحافظ هذه المواد على Df منخفض ومستقر مع Dk ثابت حتى عند الترددات العالية جدًا.
- بالمقارنة مع FR-4 عالي Tg التقليدي، فهي توفّر توهيـنًا أقل للإشارة وتحكّمًا أفضل في الطور.
- مناسبة تمامًا لمحطات 5G، ورادارات السيارات، ووحدات الحوسبة عالية السرعة المعتمدة على اللحام الخالي من الرصاص.
أهم الخلاصات وإرشادات التصميم
- نظام التصلّب يحدد السلوك الكهربائي
- المواد الفينولية قوية حراريًا لكنها ذات Df أعلى.
- الأنظمة المعدّلة غير DICY/غير فينولية توازن بين مقاومة الحرارة والأداء الكهربائي في FR-4 الخالي من الرصاص.
- تتضخم الفروق عند الترددات العالية
- فوق 2 جيجاهرتز، حتى التغييرات الصغيرة في Dk/Df تؤثر بقوة على الممانعة وفقد الإشارة.
- ثبات شروط الاختبار أمر أساسي
- قارن المواد تحت منهجية قياس ومحتوى راتنج متماثلين، وركّز على اتجاهات المقارنة لا القيم المطلقة.
- تعاون مع مورّدي المواد
- اطلب منحنيات Dk/Df المعتمدة على التردد لشرائح التركيب المضغوط لضمان دقة محاكاة سلامة الإشارة.
الخلاصة
لقد أعادت عمليات اللحام الخالي من الرصاص تشكيل كيمياء رقائق FR-4. لم تعد مواد FR-4 الخالية من الرصاص متشابهة؛ إذ تختلف اختلافًا كبيرًا في أنظمة الراتنج، وثبات الخصائص العازلية، وفواقد الترددات العالية.
الاتجاه واضح: الانتقال نحو مواد FR-4 عالية Tg ومنخفضة Df ومتوافقة مع الخلو من الرصاص. وتمثّل المواد المعدّلة غير DICY/غير فينولية الجيل القادم، إذ تجمع بين القدرة الحرارية المطلوبة لعمليات اللحام الخالي من الرصاص والأداء الكهربائي المتفوق الذي تتطلبه تصاميم الاتصالات متعددة الجيجابت اليوم.
