فهم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لركيزة الألومنيوم: الأنواع والمزايا

تُعدّ لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) مكونات أساسية في معظم الأجهزة الإلكترونية. ولتعزيز فهمك للوحات الدوائر المطبوعة، يُقدّم هذا الدليل أنواع ركائز الألومنيوم المستخدمة في تصنيعها، بالإضافة إلى العقبات الشائعة في نسخها. إذا كنت مهتمًا بلوحات الدوائر المطبوعة أو بمحتوى هذه المقالة، فتابع القراءة.

ما الذي يجعل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات الركيزة المصنوعة من الألومنيوم بارزة؟

ناقشنا سابقًا مزايا وعيوب لوحات الدوائر المطبوعة الخزفية، مشيرين إلى أن أحد عيوبها هو ارتفاع تكلفتها وهشاشتها. تفتقر لوحات الدوائر المطبوعة المصنوعة من الألياف الزجاجية التقليدية إلى تبديد حراري جيد، بينما تتميز لوحات الدوائر المطبوعة الخزفية بثباتها ومقاومتها للتشوه في البيئات ذات درجات الحرارة والرطوبة العالية، إلا أنها باهظة الثمن وتُستخدم بشكل أساسي في المنتجات المتطورة. إذا لم يكن منتجك من المنتجات المتطورة، مثل لوحات إضاءة LED كبيرة المساحة وعالية الطاقة التي تتطلب تبديدًا حراريًا جيدًا ولكنها اقتصادية، فهل يوجد بديل مناسب؟

نعم، الإجابة هي نعم، وهنا يأتي دور لوحات الدوائر المطبوعة ذات الركيزة الألومنيومية. قد يبدو الألومنيوم، كونه معدنًا موصلًا للكهرباء، خيارًا غريبًا لمادة لوحات الدوائر المطبوعة ، لكن لوحات الدوائر المطبوعة ذات الركيزة الألومنيومية تتكون من ثلاث طبقات: رقائق نحاسية، طبقة عازلة، وطبقة معدنية من الألومنيوم. وبما أن هناك طبقة عازلة، فهل يمكن استخدام مواد أخرى غير الألومنيوم للطبقة المعدنية؟ مثل النحاس، والفولاذ المقاوم للصدأ، والحديد، والفولاذ السيليكوني، وغيرها؟ عند اختيار الركيزة المعدنية، يجب مراعاة عوامل مثل معامل التمدد الحراري، والتوصيل الحراري، والقوة، والصلابة، والوزن، وحالة السطح، والتكلفة.

بشكل عام، مع الأخذ في الاعتبار التكلفة والأداء الفني، يعد الألومنيوم خيارًا مثاليًا. تشمل الخيارات الشائعة لألواح الألومنيوم 6061، 5052، 1060، وما إلى ذلك. إذا كانت هناك متطلبات أعلى للتوصيل الحراري والأداء الميكانيكي والأداء الكهربائي وخصائص خاصة أخرى، فيمكن أيضًا استخدام النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ والحديد والفولاذ السيليكون.

شائعة في منتجات الإضاءة LED، تحتوي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات الركيزة المصنوعة من الألومنيوم على وجهين: جانب أبيض لحام دبابيس LED، والجانب الآخر هو لون الألومنيوم الطبيعي، وعادةً ما يكون مطليًا بمعجون حراري للاتصال بالجزء الموصل للحرارة. يتم استخدامها بشكل أساسي في مصابيح LED، ومعدات الصوت، ومعدات الطاقة، وما إلى ذلك، مع الميزة الرئيسية وهي التوصيل الحراري السريع والأداء الممتاز في تبديد الحرارة.

بالمقارنة مع FR-4 التقليدية ، يمكن للوحات الدوائر المطبوعة ذات الركيزة المصنوعة من الألومنيوم تقليل المقاومة الحرارية، مما يوفر توصيلًا حراريًا ممتازًا؛ وبالمقارنة مع الركائز الخزفية، فإنها تتمتع بخصائص ميكانيكية ممتازة.

 أنواع ركائز الألومنيوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

1. ركائز الألمنيوم المرنة : من أحدث التطورات في مواد IMS استخدام العوازل الكهربائية المرنة. تتميز هذه المواد بعزل كهربائي ممتاز، ومرونة عالية، وتوصيل حراري جيد. عند تطبيقها على مواد مثل 5754 أو ما شابهها من الألمنيوم المرن، يمكن تشكيلها للحصول على أشكال وزوايا متنوعة، مما يُغني عن الحاجة إلى تجهيزات وكابلات وموصلات باهظة الثمن. ورغم مرونة هذه المواد، إلا أنها مصممة لتنثني وتثبت في مكانها.

٢. ركائز الألومنيوم الهجينة : في بنية IMS "الهجينة"، تُعالج المواد غير الحرارية بشكل منفصل ثم تُربط بركيزة الألومنيوم باستخدام مادة حرارية. تتكون البنية الأكثر شيوعًا من طبقتين أو أربع طبقات من المكونات الفرعية المصنوعة من مادة FR-4 التقليدية، والتي تُربط بدورها بقاعدة الألومنيوم باستخدام مادة عازلة موصلة حراريًا. يُساعد هذا في تبديد الحرارة، وتحسين الصلابة، والعمل كحاجز واقٍ. تشمل المزايا الأخرى ما يلي:

• • تكلفة أقل من بناء جميع المواد الحرارية.
  • أداء حراري أفضل من منتجات FR-4 القياسية.
  • القضاء على المشتتات الحرارية باهظة الثمن وخطوات التجميع ذات الصلة.
  • مناسب لتطبيقات التردد اللاسلكي التي تتطلب طبقات سطحية من PTFE لخصائص فقدان التردد اللاسلكي.
  • استخدام نوافذ المكونات المصنوعة من الألومنيوم لاستيعاب المكونات من خلال الفتحات، مما يسمح للموصلات والكابلات بالمرور عبر اللوحة أثناء لحام الزوايا الدائرية لإنشاء ختم، دون الحاجة إلى غسالات خاصة أو محولات أخرى باهظة الثمن.

3. ركائز الألومنيوم متعددة الطبقات : في سوق مزودات الطاقة عالية الأداء، تُصنع لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات من مواد عازلة حرارية. تحتوي هذه الهياكل على طبقة أو أكثر من الدوائر المدمجة في المادة العازلة، مع استخدام الثقوب العمياء كمسارات حرارية أو مسارات إشارة. في حين أن التصاميم أحادية الطبقة أغلى ثمناً وأقل كفاءة في نقل الحرارة، إلا أنها توفر حلاً بسيطاً وفعالاً لتبديد الحرارة في التصاميم الأكثر تعقيداً.

4. ركائز الألمنيوم ذات الثقوب النافذة : في أكثر الهياكل تعقيدًا، يمكن أن تُشكّل طبقة من الألمنيوم "لبّ" الهياكل الحرارية متعددة الطبقات. قبل عملية الترقق، يُطلى الألمنيوم مسبقًا ويُملأ بمادة عازلة. يمكن ترقيق المواد الحرارية أو المكونات الفرعية على جانبي الألمنيوم باستخدام طبقة لاصقة حرارية. بعد الترقق، يُصبح المكون النهائي مشابهًا لركيزة الألمنيوم التقليدية متعددة الطبقات المثقوبة. تمر الثقوب المطلية عبر الفجوات الموجودة في الألمنيوم للحفاظ على العزل الكهربائي. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام لبّات نحاسية تسمح بالتوصيلات الكهربائية المباشرة بالإضافة إلى الثقوب النافذة المعزولة.

مزايا ركائز الألومنيوم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

بالإضافة إلى أدائها الممتاز في تبديد الحرارة، تتمتع ركيزة الألومنيوم PCB بالمزايا التالية:

• الامتثال للمتطلبات البيئية RoHS.
• أكثر ملاءمة لعملية SMT.
• ارتفاع القدرة الاستيعابية الحالية.
• التعامل الفعال مع نشر الحرارة في تصميم الدوائر، وتقليل درجة حرارة تشغيل الوحدة، وإطالة عمر الخدمة، وزيادة كثافة الطاقة، وتحسين الموثوقية.
• تقليل تجميع المشتتات الحرارية والأجهزة الأخرى (بما في ذلك مواد الواجهة الحرارية)، وتقليص حجم المنتج، وتقليل تكاليف الأجهزة والتجميع، وتحسين الجمع بين دوائر الطاقة ودوائر التحكم.
• استبدال ركائز السيراميك الهشة لتحسين المتانة الميكانيكية.

بالمقارنة مع لوحات FR-4 العادية، فإن ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو الركيزة المصنوعة من الألومنيوم يتمتع بميزة كبيرة تتمثل في أنه يمكنه حمل تيار أعلى. مثل FR-4، تستخدم طبقات الدائرة رقائق النحاس كموصلات للتوصيل. بالمقارنة مع FR-4 التقليدي، بنفس السُمك وعرض الخط، يمكن أن تحمل PCB الركيزة المصنوعة من الألومنيوم تيارًا أعلى.

تكمن التكنولوجيا الأساسية لركيزة الألومنيوم PCB في مادة الطبقة العازلة المتوسطة، والتي تخدم بشكل أساسي وظائف الترابط والعزل والتوصيل الحراري. تعتبر الطبقة العازلة لركيزة الألومنيوم PCB أكبر حاجز حراري في هيكل وحدات الطاقة. كلما كانت الموصلية الحرارية للطبقة العازلة أفضل، كلما كانت أكثر ملاءمة لنشر الحرارة المتولدة أثناء تشغيل الجهاز، والتي بدورها تساعد على تقليل درجة حرارة تشغيل الجهاز، وتحقيق حمل طاقة أعلى للوحدة، وتقليل الحجم، إطالة العمر، وزيادة إنتاج الطاقة. مع تلبية متطلبات التوصيل الحراري الجيد، يجب أن تتمتع أيضًا بقدرة عزل الجهد العالي.

الاختلافات بين قاعدة الألومنيوم ولوحة FR-4

التشتت الحراري

يكمن الاختلاف الأكبر بين الصفائح المغطاة بالنحاس (CCL) القائمة على الألومنيوم والصفائح التقليدية FR-4 CCL في خصائص تبديد الحرارة. على سبيل المثال، مقارنة بـ FR-1.5 CCL بسمك 4 مم، فإن المقاومة الحرارية لـ CCL المستندة إلى الألومنيوم هي 20-22 درجة مئوية للأول و1.0-2.0 درجة مئوية للأخير، وهو أقل بكثير.

معامل التمدد الحراري

عادة، تعاني ألواح FR-4 من مشاكل التمدد الحراري، حيث يمكن أن تسبب درجات الحرارة المرتفعة تغيرات في السُمك والتسطيح، خاصة في اتجاه السُمك، مما يؤثر على جودة الثقوب والدوائر المطلية بالمعدن. ويرجع ذلك أساسًا إلى اختلاف معاملات التمدد الحراري في اتجاه سماكة المادة: النحاس له معامل 17×10^-6 سم/سم درجة مئوية، بينما المادة الأساسية للوح FR-4 هي 110×10^-6 سم/سم ℃، والتي يمكن أن تؤدي بسهولة إلى تأثيرات التمدد الحراري. معامل التمدد الحراري للألواح المصنوعة من الألومنيوم هو 50×10^-6 سم/سم°، وهو أصغر من معامل التمدد الحراري للألواح FR-4 العامة، وأقرب إلى معامل رقائق النحاس. وهذا يساعد على ضمان جودة وموثوقية لوحات الدوائر المطبوعة.

التطبيقات الرئيسية

لوحات FR-4 مناسبة لتصميم الدوائر العامة والمنتجات الإلكترونية العادية. تعتبر الألواح المصنوعة من الألومنيوم مناسبة للدوائر ذات المتطلبات الخاصة، مثل الدوائر المتكاملة الهجين ذات الأغشية السميكة، وتبديد الحرارة لدوائر الطاقة، وتبريد المكونات في الدوائر، والركائز واسعة النطاق التي لا تستطيع الركائز الخزفية التعامل معها، والدوائر التي لا تستطيع المشتتات الحرارية العادية حلها قضايا الموثوقية.

التشغيل في الماكينات

تتميز الألواح المصنوعة من الألومنيوم بقوة ميكانيكية عالية ومتانة، وهي متفوقة على ألواح FR-4. لذلك، يمكن تصنيع اللوحات المطبوعة ذات المساحة الكبيرة على ألواح ذات أساس من الألومنيوم، ويمكن تركيب المكونات الثقيلة على هذه الركائز.

الأداء الكهربائي

بالمقارنة مع ألواح FR-4، تتمتع الألواح المصنوعة من الألومنيوم بموصلية حرارية أعلى، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في قدرة الموصلات على حمل التيار. يشير هذا إلى الموصلية الحرارية العالية للألواح المصنوعة من الألومنيوم. يرتبط تبديد الحرارة للألواح المصنوعة من الألومنيوم بسمك الطبقة العازلة والتوصيل الحراري. تؤدي طبقات العزل الرقيقة إلى توصيل حراري أعلى للألواح المصنوعة من الألومنيوم (ولكن أداء جهد تحمل أقل). من أجل ضمان أداء الدوائر الإلكترونية، تحتاج بعض المكونات في المنتجات الإلكترونية إلى منع الإشعاع والتداخل الكهرومغناطيسي. يمكن للألواح المصنوعة من الألومنيوم أن تعمل كألواح حماية لحماية الموجات الكهرومغناطيسية.

أداء العزل

في ظل الظروف العامة، يتم تحديد جهد الانهيار للألواح المصنوعة من الألومنيوم من خلال سمك الطبقة العازلة، مع جهد انهيار بشكل عام حوالي 500 فولت. إذا كنت بحاجة إلى اختبار جهد الانهيار للوحة مصنوعة من الألومنيوم لمصباح فلورسنت LED، فأنت بحاجة فقط إلى إجراء اختبار الجهد العالي على مبيت منفذ الإدخال. يجب أن تكون قيم شهادة UL وCE 2500 فولت، ويجب أن تكون شهادة 3C حوالي 3750 فولت.