טמפרטורת מעבר זכוכית (Tg) בחומרי PCB: למה זה חשוב וכיצד לבחור את הנכונה

מָבוֹא

בעולם תכנון מעגלים מודפסים (PCB) והנדסת חומרים, טמפרטורת מעבר זכוכית (Tg) היא מושג יסודי. בחירת טמפרטורת המעבר הזכוכיתי המתאימה ללמינציה או לפרפרג שלכם יכולה להיות ההבדל בין לוח אמין ללוח שמתעוות, מתפרק או נכשל תחת עומס תרמי. במאמר זה, תקבלו הבנה ברורה של מהי טמפרטורת המעבר הזכוכיתי, כיצד היא משפיעה על אמינות המעגל המודפס, כיצד היא נמדדת ועצות מעשיות לבחירת סוג טמפרטורת המעבר הזכוכיתי המתאימה ליישום שלכם.

1. מהי טמפרטורת המעבר לזכוכית (Tg)?

1.1 הגדרה בסיסית ופרספקטיבה מולקולרית

טמפרטורת המעבר לזכוכית, המכונה בדרך כלל Tg, היא טווח הטמפרטורות שבו פולימר אמורפי (או חצי-אמורפי) עובר ממצב קשה, "זכוכיתי" (נוקשה) למצב רך יותר, דמוי גומי או נייד יותר. מתחת ל-Tg, שרשראות מולקולריות במטריצת הפולימר "קפואות" למעשה - הן אינן יכולות להסתדר מחדש בחופשיות. ככל שהטמפרטורה עולה דרך Tg, מקטעי שרשרת מקומיים מתחילים לנוע, מה שמגדיל את הנפח החופשי, מוריד את מודול התנועתיות ומגביר את ההתפשטות התרמית.

מכיוון ש-Tg הוא תופעה קינטית, לא מעבר פאזה תרמודינמי חד, הנקודה המדויקת שלו תלויה בקצבי החימום/קירור, בשיטת המדידה ובמידת ההתקשות של הפולימר.

1.2 מצבים מזוגגים לעומת גומי לעומת נוזליים

• מתחת ל-Tg: החומר נוקשה, שביר, יציב מבחינה ממדית ומתנהג יותר כמו זכוכית.
• ליד Tg: מודול ההתפשטות התרמית ומקדם ההתפשטות התרמית משתנים במהירות.
• מעל Tg (אך מתחת לפירוק/התכה): המטריצה ​​הופכת גמישה יותר, לשרשראות מולקולריות יש יותר ניידות, החומר מתנהג יותר כמו "גומי".

טמפרטורת ה-Tg תמיד נמוכה יותר מטמפרטורת ההיתוך (Tm) של דומיינים חצי-גבישיים, כאשר הם קיימים.

בהקשר של PCB, חריגה מ-Tg אינה "מתיכה" של המצע, אך היא יכולה לפגוע בקשיחות המכנית ולהגדיל באופן דרמטי את ההתפשטות.

2. מדוע Tg חשוב עבור מעגלים מודפסים: יציבות, מתח ואמינות

רמת ה-Tg במעגל מודפס היא יותר ממספר בלבד - היא מבססת את האופן שבו החומר המרוכב (זכוכית + אפוקסי + נחושת) יתנהג תחת מחזורי חום, הלחמה ותפעול לטווח ארוך.

2.1 התפשטות תרמית ואי התאמה בין מתח

מתחת ל-Tg, מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) של מטריצת האפוקסי/זכוכית הוא יחסית צנוע ומבוקר במידה מסוימת. אך ככל שהטמפרטורה מתקרבת ל-Tg, מקדם ההתפשטות של האפוקסי יכול לקפוץ. מכיוון שחיזוק נחושת וסיבי זכוכית מגבילים חלקית את ההתפשטות, חלק ניכר ממאמץ ההתפשטות מתורגם לכיוון ציר ה-Z (עובי) ולאזור החור העובר (PTH).

אם לוח עולה שוב ושוב על רמת ה-Tg, המאמץ המצטבר עלול להוביל להתפרקות, סדקים בפתחי החיבור או שבירה של הציפוי.

2.2 יציבות ממדית ועיוות

חומרים בעלי Tg גבוה נוטים להיות יציבים יותר מבחינה ממדית תחת עומס טמפרטורה גבוה. לוחות המיוצרים עם שרפים בעלי Tg נמוך עלולים להתעוות או לזחול תחת עומס תרמי גבוה וממושך. זה בעייתי במיוחד בתכנוני HDI (חיבור בצפיפות גבוהה) או עיצובים בעלי פסיעה עדינה, שבהם עיוות קטן יכול לגרום ליישור לא נכון של עקבות או רכיבים.

2.3 אמינות במהלך הלחמה והרכבה

במהלך הלחמת גלים או הלחמת הזרמה חוזרת (reflow), מעגלים מודפסים (PCBs) עשויים להיתקל בנקודות חמות מקומיות העולות על 150 מעלות צלזיוס או יותר. אם רמת הטמפרטורה נמוכה מדי, חלקים מהלוח עלולים להתרכך או להתעוות במהלך ההרכבה - מה שיוביל לחוסר רישום, דה-למינציה או תזוזות מעגל. רמת טמפרטורה גבוהה מספקת חיץ במהלך הלחץ התרמי הקשה של ההלחמה.

2.4 הזדקנות והידרדרות ארוכי טווח

עם הזמן, פולימרים עוברים הזדקנות מכנית, תרמית וכימית. Tg גבוה יותר מתואם לעיתים קרובות עם יציבות תרמית משופרת ופירוק איטי יותר בטמפרטורות גבוהות, דבר מועיל במיוחד באלקטרוניקה בעלת אמינות גבוהה ואורך חיים ארוך.

3. Measuring Tg: Methods, Differences, and Pitfalls

מכיוון ש-Tg הוא סובייקטיבי במידה מסוימת (תלוי במדידה), עבור למינציות של PCB בדרך כלל תראו ערכים שנקבעו על ידי אחת או יותר מהשיטות הבאות:

3.1 DSC (קלורימטריית סריקה דיפרנציאלית)

• מודד את זרימת החום כאשר הדגימה מחוממת.
• אתה רואה "מדרגה" בקיבולת החום סביב Tg.
• מדווח לעתים קרובות כנקודת האמצע של שלב זה.
• יתרון: סטנדרטי היטב (ASTM E1356 וכו').
• אזהרה: גודל מדגם קטן, אינו מודד ישירות התנהגות מכנית או שינוי מימדי.

3.2 DMA (ניתוח מכני דינמי)

• מודד מודול מכני (מודול אחסון/אובדן) כפונקציה של טמפרטורה/תדר.
• Tg נמדד לעיתים קרובות בשיא מודול ההפסד או tanδ.
• Better correlates with mechanical performance (stiffness drop).
• תדרים שונים יכולים להזיז את ה-Tg הנצפה.

3.3 TMA (אנליזה תרמו-מכנית) / דילטומטריית TMA

• מודד שינוי מימדי (התפשטות) לעומת טמפרטורה, ומזהה שינוי בשיפוע ב-Tg.
• לוכד התנהגות התפשטות פיזית ולא זרימת חום או מודול מכני.

מכיוון ששיטות אלו מודדות תופעות שונות (הסטה של ​​קיבול החום לעומת מודול לעומת התפשטות), ערכי ה-Tg המדווחים יכולים להיות שונים ב-10-20 מעלות צלזיוס או יותר עבור אותו חומר.

בנוסף, Tg תלוי ב:

• דרגת ריפוי - שרף שלא התקשו מספיק יראה Tg נמוך יותר.
• קצב חימום/קירור - קצב מהיר יותר מעביר את Tg כלפי מעלה.
• היסטוריית הדגימה ותכולת הלחות - מים פועלים כפלסטייקר ומורידים את Tg.

4. בחירת Tg לתכנון PCB: הנחיות ופשרות

בבחירת Tg ללוח, עליכם לאזן בין אמינות, ביצועים ועלות.

4.1 מרווח כלל אצבע

הנחיה נפוצה היא לבחור ערך Tg הגבוה ב-20-30 מעלות צלזיוס מטמפרטורת ההפעלה הגבוהה ביותר של המכשיר. זה מספק חיץ ביטחון מפני קפיצות תרמיות, סחיפה או אי ודאות במדידה.

לדוגמה, אם המכשיר שלך יכול להגיע ל-125 מעלות צלזיוס, ייתכן שתחפש Tg של לפחות 155-160 מעלות צלזיוס.

4.2 טווחי טמפרטורת גלאים סטנדרטיים, בינוניים וגבוהים

• תקן FR‑4: Tg ~ 130-140°C
• Mid Tg: ~150–160 °C (often used when moderate thermal performance is needed)
• טמפרטורת ערך Tg גבוהה: ≥ 170–180°C או יותר

4.3 פשרות והסתייגויות

• עלות: שרפים בעלי Tg גבוה יותר יקרים יותר ועשויים לדרוש עיבוד מדויק יותר (בקרת טמפרטורת הייבוש, טיפול).
• הידבקות / קשיחות: ככל ש-Tg עולה, הפולימר עלול להפוך שביר יותר, מה שמפחית את הקשיחות או ההידבקות (במיוחד הידבקות נחושת ללמינציה) תחת הלם או לחץ מכני. חלק מהספקים מזהירים כי Tg גבוה עלול להפחית את חוזק ההידבקות.
• מורכבות התהליך: שרפים בעלי Tg גבוה יותר עשויים לדרוש זמני ריפוי ארוכים יותר, בקרת טמפרטורה הדוקה יותר או ערימה מעודנת יותר של פרפרגים כדי למנוע דה-למינציה במהלך הלמינציה.
• תאימות עם חומרים אחרים: אי ההתאמה בהתפשטות תרמית עם נחושת, ויא או שכבות אחרות עדיין קריטית.

5. אופני כשל ופתרונות להפחתת הסיכון: כאשר ערך Tg חריג

הנה כמה דרכים להמחשה שבהן דברים יכולים להשתבש כאשר Tg לא מטופל כראוי - וכיצד לצמצם:

5.1 דה-למינציה וכשל ממשק

אם אזורים מקומיים בלוח עולים על ערך ה-Tg במהלך הפעולה או הזרמה מחדש, מטריצת השרף מתרככת והקשר בין השכבות עלול להיחלש. מחזורים חוזרים ונשנים יעיפו את הממשק ויגרמו להתפרקות. זה מסוכן במיוחד ליד קצוות, חתכים או פתחים.

אמצעי הפחתה: יש להשתמש במערכות שרף בעלות Tg גבוה יותר ותכונות הידבקות חזקות; לתכנן הדרגתיות בלמינציה; להימנע מגרדיאנטים תרמיים קיצוניים.

5.2 סדקים של חור מעבר מצופה (PTH) / כשל קילוף נחושת

אי-ההתאמה בהתפשטות (במיוחד בציר Z) מעל Tg יכולה להלחיץ ​​את ציפוי הנחושת. עם הזמן, עלולים להיווצר סדקים בציפוי או בקנה.

אמצעי הפחתה: יש לוודא ששולי ה-Tg מכסה סטיות תרמיות צפויות; לבצע אופטימיזציה באמצעות גיאומטריה (טבעת טבעתית, יחס גובה-רוחב); להשתמש בגימור חבית או בחיזוק במידת הצורך.

5.3 עיוות ורישום שגוי

לוחות שמתרככים ליד Tg עלולים להתעוות או להפגין זחילה. עבור לוחות בעלי פסיעה עדינה או HDI, אפילו עיוות קטן יכול לגרום לטעות ביישור ה-Vias, כדורי BGA או מיקרו-Vias.

אמצעי צמצום: שימוש בערימות למינציה קשיחות יותר, אכיפת שכבות סימטריות, בחירת Tg גבוה בשכבות קריטיות, הגבלת גרדיאנטים בטמפרטורה בעיבוד.

5.4 הזדקנות מצטברת תחת חום גבוה

אפילו אם לוח לעולם לא עובר שוב ושוב את רמת ה-Tg, פעולה ממושכת ליד רמת ה-Tg מאיצה הזדקנות, ריכוך ומיקרו-סדקים.

אמצעי הפחתה: ניהול תרמי, הפחתת גבהים, או בחירת טמפרטורה Tg הרבה מעל לטמפרטורות ארוכות טווח הצפויות.

שאלות נפוצות: שאלות נפוצות לגבי Tg בחומרי PCB

מַסְקָנָה

• Tg הוא אזור מעבר דינמי, לא גבול חד. שיטות מדידה שונות מניבות ערכי Tg שונים.
• במעגלים מודפסים, Tg מסמן את האזור שבו מטריצת השרף מתחילה להתרכך ולהתרחב מהר יותר, מה שעלול ליצור לחץ על ה-vias, הנחושת והממשקים.
• בחרו תמיד מרווח Tg (20-30°C או יותר) לעומת הטמפרטורה הגבוהה ביותר הצפויה לכם.
• שרפים בעלי Tg גבוה מביאים יתרונות משמעותיים (יציבות ממדית, התפשטות נמוכה, עמידות ללחץ תרמי), אך מגיעים עם עלויות, מורכבות עיבוד ופשרות (קשיחות, הידבקות).
• תכנון PCB מובנה היטב מתחשב ב-Tg לצד CTE, stackup, via layout ו-thermal cycleing.